電廠煙氣氨法脫碳技術(shù)研究進(jìn)展

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的全面進(jìn)步，電廠煙氣氨法脫碳技術(shù)成為近年來新興的二氧化碳減排方法研究熱點(diǎn)之一。文章將從電廠煙氣氨法脫碳技術(shù)研究現(xiàn)狀著手進(jìn)行分析，并對(duì)其現(xiàn)有問題和研究方向進(jìn)行了綜合闡述。

關(guān)鍵詞：電廠；煙氣氨法；脫碳技術(shù)；研究進(jìn)展

1 電廠煙氣氨法脫碳技術(shù)研究現(xiàn)狀

在1997年，一些研究人員就提出了利用氨水從電廠煙氣中獲取CO2，并在半連續(xù)鼓泡吸收裝置中對(duì)影響氨水溶液二氧化碳脫除效率和吸收能力的因素展開研究。隨后，各研究機(jī)構(gòu)相繼利用鼓泡吸收反應(yīng)器、填料塔等對(duì)氨溶液脫除模擬電廠煙氣中的二氧化碳開展試驗(yàn)研究，考察氣液接觸程度等因素對(duì)氨水脫除二氧化碳效率、吸收能力等各方面的影響。運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)電廠煙氣氨水脫碳系統(tǒng)展開過一定的模擬，同時(shí)還探討了關(guān)于它的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，在電廠煙氣氨水脫碳系統(tǒng)生命周期碳排放評(píng)價(jià)等方面都有相關(guān)的研究報(bào)道?，F(xiàn)在，研究者們比較認(rèn)可的電廠煙氣氨法脫碳技術(shù)發(fā)展路線有煙氣脫碳和化肥生產(chǎn)相結(jié)合，利用氨水和二氧化碳之間的反應(yīng)生產(chǎn)氮肥和利用常規(guī)熱再生過程或者是離子交換樹脂再生方法對(duì)脫碳反應(yīng)后的富液進(jìn)行再生，循環(huán)利用兩種。文章中我們對(duì)將研究者們關(guān)于氨法脫碳技術(shù)研究的一系列影響進(jìn)行全面的闡述，只是因試驗(yàn)臺(tái)基本條件存在一定的差異，各脫碳相關(guān)參數(shù)數(shù)值之間能夠用來比較的內(nèi)容比較少，在單一因素影響比較時(shí)，參數(shù)變化趨勢可能受其他因素影響程度會(huì)存在不同，最終引起的表現(xiàn)形式會(huì)存在差異，下面將逐一闡述。

（1）吸收反應(yīng)壓力。我國對(duì)電廠氨法脫碳技術(shù)的研究直到現(xiàn)在依舊是保持在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，對(duì)各種影響因素的考察并不全面，一般情況下都是在常溫的情況下具體展開的。有些研究者會(huì)半閉式燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)煙氣加壓氨法脫碳系統(tǒng)進(jìn)行模擬，這是因?yàn)檫@些研究者考慮到在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)候會(huì)涉及到氨損失、加壓再生以及二氧化碳加壓輸運(yùn)等方面的需求。最終的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，出口氨損失、吸收劑質(zhì)量流率會(huì)受吸收塔壓力的影響，前者會(huì)隨著后者的增加出現(xiàn)下降的趨勢，并且后者還會(huì)對(duì)系統(tǒng)熱負(fù)荷等產(chǎn)生直接的影響，只是隨著壓力的進(jìn)一步增加，吸收劑質(zhì)量流率的下降趨勢會(huì)逐步放慢。若工作人員綜合考慮壓縮能耗等因素，最終確定選擇大約三個(gè)大氣壓作為吸收塔操作壓力的做法還是比較合理的，但是考慮到電廠煙氣量非常巨大的情況以及以惰性氣體氮?dú)鉃橹饕煞值谋鳠煔?，電廠在選擇脫碳方法時(shí)最好選擇常壓氨法脫碳。

（2）煙氣中二氧化碳濃度。按照一般的原則與規(guī)律，二氧化碳分壓是和其濃度有密切關(guān)系的，并隨其增加不斷增大。如果我們選擇提高氨水溶液對(duì)二氧化碳的吸收速率，以原本的規(guī)律得到的應(yīng)該是有利于二氧化碳和氨水溶液反應(yīng)的正向移動(dòng)，但是最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和我們預(yù)想的有很大出入，在整個(gè)連續(xù)脫碳過程中，如果入口的氨氣或者是二氧化碳能夠滿足一定化學(xué)計(jì)量比時(shí)，其對(duì)穩(wěn)態(tài)脫碳效率的影響可以選擇忽略不計(jì)的。

（3）吸收反應(yīng)溫度。在不同的溫度和壓力條件下，二氧化碳和氮都是可以進(jìn)行反應(yīng)的。按照通常的原則，二氧化碳和氮的化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)隨著溫度的不斷升高呈現(xiàn)出加快的趨勢，只是這種原則在具體的氨法脫碳過程中適用性并不大，因?yàn)榘狈撎歼^程中的一大部分反應(yīng)本身是存在可逆性的，通常在室溫中可以正向進(jìn)行，在特定的溫度環(huán)境下，通常是三十八攝氏度到六十?dāng)z氏度之間會(huì)發(fā)生逆向反應(yīng)。因此，對(duì)于不同反應(yīng)器中吸收反應(yīng)溫度對(duì)二氧化碳脫硫效率的影響變換萬不可以運(yùn)用“一刀切”的總結(jié)，他們相互之間是有差異的。溫度對(duì)氨法脫碳效率的影響主要表現(xiàn)兩者上升和下降的狀態(tài)是保持一致的，并且氨溶液二氧化碳吸收能力也會(huì)受溫度的影響，并且是隨著溫度的上升而逐步下降，有研究者在溫度條件為二十五攝氏度到六十五攝氏度之間用百分之三的氨水進(jìn)行二氧化碳和氨水反應(yīng)速率常數(shù)測量，發(fā)現(xiàn)五十?dāng)z氏度是他們存在變化的一個(gè)較為明顯的分界點(diǎn)，小于五十?dāng)z氏度時(shí)，其隨溫度升高而增大，此后有緩慢下降趨勢。此外的一些研究人員也通過自己的研究得出過別的結(jié)論：在吸收初始階段，吸收效率會(huì)隨著溫度的增加不斷升高，只是在最終階段，這種因溫度變化帶來的影響就是下降狀態(tài)，這充分說明在不同產(chǎn)物形成階段，溫度對(duì)吸收速率的影響是不同的。除此之外，受吸收反應(yīng)溫度差異的影響，氨水和二氧化碳之間的反應(yīng)經(jīng)歷的化學(xué)反應(yīng)歷程有一定的差異。Yeh等人的試驗(yàn)表明，在半連續(xù)鼓泡吸收器入口二氧化碳濃度是百分之十六，氨水濃度是百分之二十八的設(shè)定反應(yīng)條件下，二氧化碳和氨水在十?dāng)z氏度操作溫度下是放熱反應(yīng)，但是在二十?dāng)z氏度到四十?dāng)z氏度之間兩者展現(xiàn)的是吸放熱過程。一般而言，反應(yīng)歷程、二氧化碳溶解度、溶液黏度等都會(huì)隨著溫度的改變有所變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，選擇適宜溫度范圍時(shí)要參照吸收塔形式為依據(jù)，同時(shí)要將脫碳前煙氣、吸收劑降溫等等內(nèi)容進(jìn)行全方位的考慮。

2 電廠煙氣氨法脫碳技術(shù)現(xiàn)有問題及未來研究方向

之前有研究者有過這樣的闡述：在氨法脫碳中為了達(dá)到降低氨損失的目的，我們需要降低二氧化碳脫除效率，并且其再生能耗和MEA法相比并沒有多少優(yōu)越性。但是最終的研究表明，氨水可具有1.0kgCO2/kg NH3以上的吸收能力，實(shí)現(xiàn)近100%的脫碳效率，其中能夠直接影響脫碳系統(tǒng)運(yùn)行的因素有氨水濃度、吸收反應(yīng)溫度以及再生方式等等。二氧化碳的脫除效率和吸收速率會(huì)受氨水濃度的影響，并且隨著氨水濃度的增加而增大，但是其吸收能力會(huì)在其增加的基礎(chǔ)上隨著減小。煙氣中二氧化碳濃度對(duì)影響脫碳反應(yīng)速率，后者隨著前者濃度的增加而提高，但是前者對(duì)脫碳效率的影響比較小。吸收器內(nèi)反應(yīng)溫度升高給正向脫碳反應(yīng)帶來的是雙重效應(yīng)：促進(jìn)或者是抑制。在這個(gè)反應(yīng)環(huán)節(jié)存在最佳脫碳溫度窗口，吸收器內(nèi)的壓力一方面能夠促進(jìn)氣液的反應(yīng)，另一方面還能降低氨損失，但是它也有自身的缺陷：壓縮能耗和成本還是比較高的，很多人接受不了這一點(diǎn)。但是如果將后續(xù)二氧化碳運(yùn)輸或者是埋存的要求考慮進(jìn)去，壓縮能耗和成本還是可以適當(dāng)提高的。煙氣中的氧氣對(duì)脫碳效率等參數(shù)的影響比較小，二氧化硫等酸性氣體會(huì)對(duì)脫碳副產(chǎn)物純度或者是吸收劑再生造成這樣或者那樣的影響，進(jìn)而通過富液濃縮、結(jié)晶、干燥制成氮肥副產(chǎn)品，最終達(dá)到酸性氣體污染物聯(lián)合脫除的效果，與此同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生化肥。氨水的濃度如果太高，會(huì)對(duì)煙氣中重金屬濃度造成一定的影響，抑制其濃度的降低，有關(guān)研究人員推測氨和重金屬可能存在競爭吸附的問題，具體的機(jī)理情況不詳。另外，吸收劑再生利用的可行程度比生產(chǎn)碳酸氫銨的高，有關(guān)研究者曾經(jīng)理性分析得出常壓熱再生要比MEA法節(jié)能60%以上，只是再生后吸收劑吸收能力相對(duì)于之前下降的非常厲害，而且在和離子交換樹脂再生后吸收劑吸收能力依然得不到預(yù)期的結(jié)果。

結(jié)合現(xiàn)在的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)電廠脫碳和碳酸氫銨的市場需求進(jìn)行綜合全面的考慮，未來主要的開發(fā)方向還是在再生氨法脫碳技術(shù)。從常壓熱再生和離子交換再生兩種方式來看，碳酸銨溶液是再生后吸收劑的主要成分，這種溶液對(duì)減少系統(tǒng)氨損失是非常有利的，其劣勢就在于其堿性程度要比氨水的弱很多，因此，再生氨法技術(shù)的關(guān)鍵之處還是在如何對(duì)循環(huán)脫碳效率和二氧化碳吸收有能力進(jìn)行提高。除此之外，氨作為弱堿性物質(zhì)，理論上是可以和煙氣中的一切酸性氣體發(fā)生反應(yīng)的，所以，未來另一個(gè)研究方向在如何利用同一吸收劑聯(lián)合脫除其他酸性氣體，減少吸收劑供應(yīng)成本。

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