TEA混合胺液脫碳性能實(shí)驗(yàn)研究

穆德龍, 劉廣鑫, 余云松, 張?jiān)缧?/p>

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TEA混合胺液脫碳性能實(shí)驗(yàn)研究

穆德龍, 劉廣鑫, 余云松, 張?jiān)缧?/p>

(西安交通大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710049)

針對(duì)吸收法捕集二氧化碳開發(fā)新型高效吸收劑對(duì)于提高吸收性能意義重大。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用以一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)為主體的復(fù)配胺液為吸收劑，但對(duì)以三乙醇胺(TEA)為主體的混合胺研究較少。TEA的吸收容量大，解吸效果好，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，其不足在于吸收速率較低。為此，本文在TEA反應(yīng)機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，保持總胺濃度3 mol×L-1不變，分別添加乙醇胺(MEA)、哌嗪(PZ)、羥基乙基哌嗪(AEP)、羥乙基乙二胺(AEEA)進(jìn)行混合胺液的吸收解吸性能分析，對(duì)比優(yōu)選出綜合表現(xiàn)較好的混合胺液，并進(jìn)一步考察其不同配比下吸收、解吸效果，完成配比優(yōu)選研究。結(jié)果表明：開發(fā)的混合胺相對(duì)于純TEA溶液，吸收性能均顯著提高；相對(duì)于純TEA溶液，只有添加了AEP的混合胺液解吸效果有所提高，其余幾種均有所下降；TEA+AEP吸收和解吸性能均顯著優(yōu)于其余幾種混合液；經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，TEA+AEP的優(yōu)選配比為1.5 mol×L-1:1.5 mol×L-1，綜合效果最佳。

三乙醇胺；混合胺液；吸收；解吸

1 前 言

我國(guó)是世界煤炭消費(fèi)第一大國(guó)，超過(guò)70% 的能源供應(yīng)來(lái)自于煤炭燃燒。中國(guó)煤炭燃燒排放的CO2占世界CO2排放總量的12%[1]。CO2占溫室氣體的80% 以上，其中以化石燃料燃燒為代表的能源活動(dòng)排放的溫室氣體占CO2總排放量的90%左右[2]。因此研究脫除燃煤煙氣中的CO2具有重要意義。

有機(jī)胺溶劑吸收CO2作為工業(yè)生產(chǎn)最可行的碳捕集方法成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3~7]。一般來(lái)說(shuō)，伯胺、仲胺具有反應(yīng)速率快，脫除效率較高的優(yōu)點(diǎn)[8]，但同時(shí)存在解吸溫度較高，解吸速率低的不足。而叔胺則反之，即單一的化學(xué)吸收劑存在著高吸收率和低再生能耗不能共存的尷尬。因此，混合胺吸收劑成為新的研究熱點(diǎn)。例如 Yu[9]等運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模型分別研究了三元、四元和五元混合胺液對(duì)CO2的脫除性能， Fernandez[10]等研究了CESAR-1(由AMP、PZ、MEA水組成)在超臨界煤粉和天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠中對(duì)CO2的脫除性能， Puxty[11]等研究了PZ-AMP 和PZ-AMP復(fù)合溶液的脫碳性能，Mohamed Edali[12]等利用分層噴射裝置對(duì)MDEA-MEA混合胺體系的脫碳性能進(jìn)行了研究。近年來(lái)，胺法脫碳研究中主要以一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)等胺液及其混合胺液為主，如Zhu[13]等對(duì)MEA基的混合胺溶液從燃煤煙氣中脫碳的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究， Tang[14]等實(shí)驗(yàn)研究了以MDEA為主體，分別與DETA和TETA混合后混合胺液的吸收速率、吸收負(fù)荷和解吸率。分析不同種類胺液化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)三乙醇胺(TEA)與MDEA 同屬叔胺的類別，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中性能相似，且TEA 經(jīng)濟(jì)性能好，而國(guó)內(nèi)外有關(guān)TEA 活化胺液的研究尚少，具有重要的研究?jī)r(jià)值。在前期研究中發(fā)現(xiàn)，TEA 吸收容量大，解吸效果好，且經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，其不足在于吸收速率低[15]，而乙醇胺(MEA)和哌嗪(PZ)、N-氨乙基哌嗪(AEP)、羥乙基乙二胺(AEEA)相對(duì)吸收速率更快，成本相對(duì)烯胺更加低廉。因此，可以針對(duì)TEA的混合胺液進(jìn)行脫碳性能與配比優(yōu)選的實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)更為高效、經(jīng)濟(jì)、且工程適用的新型脫碳胺液配方。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)氣體和試劑

燃煤煙氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)為11%~13%[16]，本實(shí)驗(yàn)所用氣體含量為13%(CO2與N2混合，西安標(biāo)準(zhǔn)氣體公司)，MEA、TEA(撫順北方化工有限責(zé)任公司)及PZ、AEEA、AEP(阿拉丁試劑有限公司) 均為分析純?cè)噭?/p>

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

吸收裝置在本實(shí)驗(yàn)室二氧化碳捕集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行，其流程原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，控制CO2混合氣的流量，通入吸收塔與溶液進(jìn)行逆向吸收，混合吸收溶液經(jīng)塔底的循環(huán)泵送入塔頂進(jìn)行循環(huán)吸收，研究混合胺液的循環(huán)吸收特性。吸收后的氣體進(jìn)入CO2氣體分析儀，可直接讀取CO2的體積濃度，每1分鐘記錄1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄直至出口氣體濃度不變時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。其中氣體的總流量以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)，溶液流量為0.575 L×min-1，總體積為1 L。吸收塔內(nèi)徑為80 mm，填料層厚度為280 mm，采用塑料拉西環(huán)填料，CO2紅外分析儀精度為0.1% (V)。

圖 1 吸收裝置