旋轉(zhuǎn)式和靜態(tài)式填料塔脫碳性能實(shí)驗(yàn)研究

何麗娟，王淑旭，黃艷偉，魏士欽，潘 鵬

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

燃煤電廠作為我國(guó)CO2主要排放源，占總排放量的50%[1]。通常電廠煙道氣成分為CO2、氧氣和水蒸氣等，具有溫度高、壓力低、雜質(zhì)和氧氣含量高等特點(diǎn)[2]。煙道氣中CO2捕集效率與吸收劑種類(lèi)及吸收裝置結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，混合胺液吸收劑因效率高、耗能低、價(jià)格便宜等被普遍使用[3-5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混合胺液吸收CO2性能開(kāi)展了大量探索。2011年上海師范大學(xué)高涵[6]對(duì)混合有機(jī)胺吸收煙道氣中的CO2進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明比例為1.38mol/L MDEA+0.12mol/L TETA時(shí)吸收效果最好，煙道氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)可由3.49%降至0.05%。2012年Stefania等[7-8]也提到MDEA及TETA是捕集煙道氣中CO2的高效吸收劑，CO2體積分?jǐn)?shù)可降低至5%。2013年中國(guó)石油大學(xué)郭清[9]采用體積組成為20%MDEA+10%TETA+70%H2O的胺混合液吸收CO2并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其吸收特性，結(jié)果表明吸收速率可達(dá)0.044mol/(L·min)。

填料塔結(jié)構(gòu)形式也是影響煙道氣中CO2吸收的一個(gè)重要方面。早在1999年，楊曉東就研究了填料塔結(jié)構(gòu)對(duì)吸收特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液體分布器及折流擋板的合理使用可使噴淋量均勻從而提升設(shè)備的傳質(zhì)性能[10]。2012年張亮亮[11]提到超重力作用型旋轉(zhuǎn)床是一種混合多相流發(fā)生器，可加強(qiáng)氣液轉(zhuǎn)化過(guò)程。2013年馬雙晨等[12]研究發(fā)現(xiàn)吸收裝置的設(shè)計(jì)在碳捕獲過(guò)程中起著重要作用，使用旋轉(zhuǎn)噴霧塔在CO2分壓15kPa、氣體溫度30～40℃時(shí)可得到最高的體積傳質(zhì)系數(shù)。2015年北京化工大學(xué)李宗祥等[13-14]提出一種靜態(tài)導(dǎo)流板式旋轉(zhuǎn)床，其脫碳率比傳統(tǒng)填料塔高5%～10%。2010年沈洪士等[15]對(duì)填料塔中CO2吸收進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)定CO2體積分?jǐn)?shù)10%，氣體流量2.4m3/h，循環(huán)液體量25L/h，結(jié)果表明吸收CO2效率高達(dá)80%。2012年天津大學(xué)趙行健等[16]應(yīng)用CFD和CMT知識(shí)及相關(guān)湍流理論模型，利用Fluent軟件對(duì)填料塔內(nèi)CO2流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程模擬，結(jié)果表明填料塔吸收CO2效率受氣體及液體流速、液體濃度等因素影響。

本文在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，選擇吸收效率高的20%MDEA+10%TETA+70%H2O混合胺液為吸收劑，在旋轉(zhuǎn)吸收填料塔和靜態(tài)折流板式吸收填料塔內(nèi)模擬煙道氣中CO2的吸收過(guò)程，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為CO2捕集裝置的選擇提供基礎(chǔ)。

1 工作原理

1.1 旋轉(zhuǎn)吸收填料塔工作原理

旋轉(zhuǎn)吸收填料塔依靠重力型噴淋式液體分布器作用達(dá)到液體面分布，具有布液均勻，氣體通量大等特點(diǎn)。在旋轉(zhuǎn)力作用下，填料潤(rùn)濕覆蓋率比排管式高。因此，本實(shí)驗(yàn)把吸收填料塔與重力型噴淋式液體分布器結(jié)合，組成旋轉(zhuǎn)吸收填料塔。在電機(jī)作用下，通過(guò)液體分布器實(shí)現(xiàn)液體面分布，提高噴淋點(diǎn)液體密度，增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)吸收填料塔傳質(zhì)效果。20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液從進(jìn)液口7進(jìn)入，在噴淋式液體分布器3及電機(jī)8作用均勻分布于填料層中；從進(jìn)氣口1進(jìn)入的氣體，在填料塔4內(nèi)與混合胺液進(jìn)行作用。液封裝置5可防泄漏提高反應(yīng)吸收效率。反應(yīng)后氣體從出氣口2流出填料塔，液體從出液口6流回至儲(chǔ)液箱繼續(xù)循環(huán)。

圖1 旋轉(zhuǎn)吸收填料塔原理圖

1.2 靜態(tài)折流板式吸收填料塔工作原理

圖2 靜態(tài)折流板式吸收填料塔原理圖

靜態(tài)折流板式吸收填料塔通過(guò)軸向液體分布器及塔內(nèi)加裝的位置左右錯(cuò)開(kāi)、間隔為80mm的一字型折流擋板進(jìn)行液體分布。流體在軸向液體分布器作用下被撕成微小的顆?；蚰?，產(chǎn)生大量快速更新的表面積，在錯(cuò)流作用下，布液面積和氣液流程均增加，從而增強(qiáng)傳質(zhì)效果提高吸收效率。20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液從進(jìn)液口7進(jìn)入填料塔2，在電機(jī)5作用下通過(guò)折流擋板9和軸向液體分布器10均布于填料塔2內(nèi)填料層中；從進(jìn)氣口1進(jìn)入的氣體，在填料塔2內(nèi)與混合胺液進(jìn)行作用。液封裝置3可防泄漏，平衡螺桿4防內(nèi)筒傾斜。反應(yīng)后氣體從出氣口6流出填料塔，液體從出液口8流至儲(chǔ)液箱繼續(xù)循環(huán)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以電廠煙道氣為基礎(chǔ)，按體積比3:17配制CO2和N2混合氣作模擬煙氣，體積組成為20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液作吸收劑。在煙氣流量0.5m3/h，混合胺液入口溫度40℃的條件下，測(cè)定兩種填料塔內(nèi)CO2吸收效率。

2.1 混合胺液流量對(duì)CO2吸收效率的影響

當(dāng)液體分布器轉(zhuǎn)速900r/min，填料高度300mm，混合胺液流量在10～40L/h范圍內(nèi)變化時(shí)，得到混合胺液流量對(duì)CO2吸收效率影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 混合胺液流量對(duì)CO2吸收效率影響

由圖3可知，混合胺液流量變化時(shí)CO2吸收效率均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)?；旌习芬毫髁枯^低時(shí)，出液量不足，混合胺液在填料表面液膜形成及更新速度較慢，模擬煙氣中CO2未被液膜充分吸收就被后續(xù)氣體裹帶出填料塔，此時(shí)吸收效率較低。當(dāng)混合胺液流量不斷增加時(shí)，液膜形成與更新速度均加快，在吸收CO2時(shí)更易達(dá)到相平衡及化學(xué)平衡，混合胺液和CO2反應(yīng)充分，壁流效應(yīng)及端效應(yīng)得到有效解決，此時(shí)吸收效率逐漸提升。隨胺液流量進(jìn)一步增加，液膜更新速度超過(guò)化學(xué)反應(yīng)速度，相平衡、化學(xué)平衡被新液破壞，部分液體反應(yīng)不夠充分就被沖出塔體，吸收效率下降。靜態(tài)折流板式吸收填料塔采用軸向液體分布器及靜態(tài)折流擋板共同布液，因此吸收效率高于旋轉(zhuǎn)吸收填料塔。在相同工況下，混合胺液流量變化范圍在10～40L/h時(shí)，靜態(tài)折流板式吸收填料塔在20L/h吸收效率達(dá)最高值88.7%，旋轉(zhuǎn)吸收填料塔在30L/h吸收效率達(dá)最高值85.6%，由此可知靜態(tài)折流板式吸收填料塔比旋轉(zhuǎn)吸收填料塔充液量小，在試劑用量上更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 液體分布器轉(zhuǎn)速對(duì)CO2吸收效率的影響

當(dāng)混合胺液流量25L/h，填料高度300mm，液體分布器轉(zhuǎn)速在300～1500r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，得到液體分布器轉(zhuǎn)速對(duì)CO2吸收效率影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 液體分布器轉(zhuǎn)速對(duì)CO2吸收效率影響

由圖4可知，隨液體分布器轉(zhuǎn)速變化CO2吸收效率均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。由傳熱傳質(zhì)原理知，在液體分布器作用下破碎的液滴在填料上平鋪開(kāi)，使得表面液膜逐步更新。轉(zhuǎn)速較低時(shí)，出液速度慢，產(chǎn)生的離心力不足以使液滴形成連續(xù)液膜及克服填料阻力，模擬煙氣中CO2不能被完全吸收，效率降低。隨液體分布器轉(zhuǎn)速增加，出液量得到調(diào)整，產(chǎn)生的離心力可使液滴均布在填料上，形成連續(xù)液膜，增大CO2與混合胺液接觸相界面積，強(qiáng)化熱質(zhì)交換過(guò)程，吸收效率升高。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加為900r/min時(shí)，在充分潤(rùn)濕的填料下，表面液膜被有效更新，解決了端效應(yīng)和壁流效應(yīng)，加強(qiáng)了相界面上轉(zhuǎn)化過(guò)程，吸收CO2效率達(dá)極高值。液體分布器轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加時(shí)，離心力增大，使大量吸收劑被甩在塔壁上破壞連續(xù)液膜的形成，減小有效吸收CO2的液體量，混合胺液與CO2接觸時(shí)間變短，CO2吸收效率降低。轉(zhuǎn)速小于900r/min時(shí)液體分布器轉(zhuǎn)速是出液量主要影響因素，因此靜態(tài)折流板式吸收填料塔效率高于旋轉(zhuǎn)吸收填料塔。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)900r/min時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增加填料塔內(nèi)平衡被破壞，故吸收效率降低，此時(shí)因折流擋板的阻擋作用旋轉(zhuǎn)吸收填料塔吸收效率較高。

2.3 填料高度對(duì)CO2吸收效率的影響

當(dāng)混合胺液流量25L/h，液體分布器轉(zhuǎn)速900r/min，填料高度在200～400mm范圍內(nèi)變化時(shí)，得填料高度對(duì)CO2吸收效率影響規(guī)律如圖5所示。

圖5 填料高度對(duì)CO2吸收效率影響

由圖5可知，隨填料高度增加CO2吸收效率均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。由傳質(zhì)學(xué)及流體力學(xué)相關(guān)原理可得，填料高度影響混合胺液與CO2間的接觸情況。當(dāng)填料高度較低時(shí)，CO2及混合胺液與填料接觸時(shí)間短，接觸面積不充分，混合胺液未能發(fā)揮有效作用吸收CO2，導(dǎo)致效率較低。隨填料高度增加，氣液接觸過(guò)程逐漸增長(zhǎng)，接觸面積不斷增大，氣液作用時(shí)間充足，可進(jìn)行有效的熱質(zhì)交換，提升CO2吸收效率。當(dāng)填料高度大于某一定值后，隨填料高度增加，氣體流動(dòng)時(shí)填料所給阻力增大，流動(dòng)受影響，同時(shí)液滴出液過(guò)程中，液膜所受阻力也逐漸增大，部分液體由塔壁直接到達(dá)塔底沒(méi)有參加反應(yīng)，導(dǎo)致CO2與混合胺液的接觸受阻，不能進(jìn)行有效作用，故CO2吸收效率降低。因填料高度影響液體在填料中分布情況，故布液均勻的靜態(tài)折流板式吸收填料塔吸收效果更好。

3 結(jié)論

本文提出兩種不同結(jié)構(gòu)的CO2吸收填料塔，自建實(shí)驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行CO2吸收效率實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下主要結(jié)論：

(1)在模擬煙氣V(CO2):V(N2)=3:17、吸收劑為體積組成為20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液、煙氣流量0.5m3/h、混合胺液入口溫度40℃的條件下，兩種吸收填料塔CO2的吸收隨液體分布器轉(zhuǎn)速、填料高度及混合胺液流量變化具有相同規(guī)律。

(2)在液體分布器轉(zhuǎn)速900r/min、填料高度300mm、混合胺液流量20L/h時(shí)，靜態(tài)折流板式吸收填料塔比旋轉(zhuǎn)吸收填料塔具有更高的CO2吸收效果，最高吸收效率高達(dá)88.7%。

[1] 呂璐,李寧,米鐵等.煙道氣二氧化碳吸附技術(shù)的研究進(jìn)展[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012,38(12):16-18.

[2] Alexander D,Aparecido N,Daniela E,etc.A systems approach for CO2fixation from flue gas by microalgae—Theory review[J].Process Biochem,2016,51:1817-1832.

[3] 陳杰,郭清,花亦懷,等.MDEA+MEA/DEA混合胺液脫碳性能實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè),2014,34(5):137-143.

[4] Elsa L,Mariolino C,Stefano B,etc.Effect of humidity and flue gas impurities on CO2permeation of a polymer of intrinsic microporosity for post-combustion capture[J].Int J Greenhouse Gas Control,2016,50:93-99.

[5] Chikezie N,Teeradet S,Raphael I,etc.Advancement and new perspectives of using formulated reactive amine blends for post-combustion carbon dioxide (CO2)capture technologies[J].Petroleum,2017,3:10-36.

[6] 高涵.有機(jī)胺法吸收二氧化碳及其性能研究 [D].上海:上海師范大學(xué),2011.

[7] Sch?ffer A,Brechtel K,Scheffknecht G.Comparative study on differently concentrated aqueous solutions of MEA and TETA for CO2capture from flue gases[J].Fuel,2012,101:148-153.

[8] Stefania M,Antonio G,Matteo C,etc.Assessment of MDEA absorption process for sequential H2S removal and CO2capture in air-blown IGCC plants[J].Appl Energy,2016,183:1452-1470.

[9] 郭清.天然氣脫碳混合胺液吸收與解吸性能研究[D].青島:中國(guó)石油大,2013.

[10] 楊曉東.填料塔轉(zhuǎn)液體分布器簡(jiǎn)介[J].艦船防化,1999,(s1):73-74.

[11] 張亮亮.超重力旋轉(zhuǎn)填充床強(qiáng)化濕法脫碳和脫硝過(guò)程研究[D].北京:北京化工大學(xué),2012.

[12] Shuangchen M,Bin Z,Huihui S,etc.Research on mass transfer of CO2absorption using ammonia solution in spray tower[J].Int J Heat Mass Transfer,2013,67:696-703.

[13] 李宗祥.靜態(tài)導(dǎo)流板式旋轉(zhuǎn)填料床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其傳質(zhì)效果研究[D].北京:北京化工大學(xué),2015.

[14] 焦緯洲.錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床填料結(jié)構(gòu)與特性研究[D].太原:中北大學(xué),2006.

[15] 沈洪士,張永春,陳紹云,等.填料塔中混合胺吸收二氧化碳的研究[J].現(xiàn)代化工,2010,30(2):70-73.

[16] 趙行健.規(guī)整填料塔中氨水吸收二氧化碳的研究[D].天津:天津大學(xué),2012.