MDEA 溶液吸收煙氣中CO2的實驗研究

周麗艷，晉 梅，蔡素芝，黃 璐

（工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室（江漢大學(xué)），江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

CO2是導(dǎo)致全球氣候變暖最主要的溫室氣體之一，同時又是一種具有較高工業(yè)價值的碳資源，故對排放的CO2進行回收已成為全球各個國家十分關(guān)注的問題［1－6］。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的二氧化碳的吸收方法有物理吸收法、膜吸收法、化學(xué)吸收法以及O2/CO2燃燒法。其中，化學(xué)吸收法已成為煙氣CO2回收的主要方法，而眾多吸收劑中，由于N－甲基二乙醇胺（MDEA）具有處理能力高，穩(wěn)定性良好及不腐蝕碳鋼設(shè)備等優(yōu)點，得到脫碳行業(yè)的高度重視［7－12］。本文通過改變MDEA吸收液濃度、反應(yīng)溫度、進氣總流量等條件，考察操作條件對CO2吸收速率及吸收容量的影響，為動態(tài)法吸收CO2提供一定的實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

原料氣與試劑：煙道氣采用氣瓶配氣方式，其中CO2∶N2=15∶85（V/V）%。CO2鋼瓶、N2鋼瓶，純度99.99%，武漢鋼鐵集團公司；MDEA，分析純，薩恩化學(xué)技術(shù)上海有限公司；酚酞試劑。

儀器：轉(zhuǎn)子流量計，1～10 mL/min，武漢流量儀表廠；轉(zhuǎn)子流量計，6～60 mL/min，常州雙環(huán)熱工儀表有限公司；GL－100C 型電子皂膜流量計，10～900 mL/min，北京三環(huán)華勞科貿(mào)有限公司；HH－2 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司。

1.2 實驗方法

MDEA 吸收CO2實驗裝置見圖1。吸收反應(yīng)器采用內(nèi)裝適量玻璃珠的U 型多孔玻板吸收管。首先，量取定量的MDEA 溶液和定量酚酞試劑到吸收器中，在常壓、一定溫度、濃度和進氣總流量下對煙道氣中CO2的吸收效果進行測定。通氣即開始計時，每間隔2 min 記錄出口煙氣流量，直至吸收液褪色且出口流量恒定，停止實驗。CO2吸收速率N 通過下式計算

其中N 為吸收速率，mmol/s；P*為吸收系統(tǒng)內(nèi)部壓力，Pa；ΔV 為被吸收的CO2體積，mL；R 為普適常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T 為反應(yīng)溫度，K。

圖1 靜態(tài)吸收裝置簡圖

為確保實驗誤差在±2.5%以內(nèi)，每次實驗前都要對流量計進行標定。

2 實驗結(jié)果與討論

在MDEA 溶液體積不變情況下，通過改變操作條件，如MDEA 濃度（0.02～0.04 mol/L）、反應(yīng)溫度（16～28 ℃）、進氣總流量（40～53.3 mL/min）對煙氣中CO2的吸收速率及吸收容量進行研究。

2.1 濃度、溫度及氣體總流量對吸收速率的影響

不同濃度下MDEA 溶液對CO2的吸收速率如圖2 所示。圖2 表明，一定濃度的MDEA 溶液對CO2吸收速率隨時間的增加呈下降趨勢，逐漸趨于平緩。然而在同一吸收時間下，隨著濃度的升高，CO2吸收速率先增大而后降低。

圖2 不同濃度MDEA 吸收速率—時間關(guān)系（總流量為46.6 mL/min，溫度為22 ℃）

眾所周知，當MDEA 溶液濃度越大時，意味著單位體積內(nèi)吸收CO2的有效溶質(zhì)含量越多，相應(yīng)的氣液兩相間的相際接觸面積就越大。因此，在相同時間內(nèi)，MDEA 溶液濃度越大，則CO2的吸收速率越高。由MEDA 溶液對CO2吸收動力學(xué)［13－15］表達式：

圖3 不同溫度下吸收速率—時間關(guān)系（總流量為46.6 mL/min，濃度為0.03 mol/L）

不同煙氣流量下MDEA 溶液對CO2的吸收速率如圖4 所示。隨著吸收時間的增加，不同流量下的吸收速率均呈下降趨勢，逐漸趨于平緩；在同一吸收時間下，CO2吸收速率隨著流量的升高先增大后降低。氣體流量增大，一方面會引起氣液相傳質(zhì)阻力減小，有利于CO2吸收；另一方面會縮短停留時間。從傳質(zhì)動力學(xué)的觀點來看，溶質(zhì)在液膜中的擴散、氣體在氣膜中的擴散、反應(yīng)物/生成物在相際間的傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)，都需要一定的時間才能完成［18］。停留時間的縮短不僅不利于吸收，而且會使氣液接觸時間縮短，造成吸收劑損失，導(dǎo)致吸收效果變差。因此，在MDEA 吸收液濃度為0.03 mol/L、吸收溫度為22 ℃條件下，進氣總流量為46.6 mL/min 時，可達到較高的CO2的吸收速率。

圖4 不同進氣總流量下吸收速率—時間關(guān)系（MDEA 濃度為0.03 mol/L，溫度為22 ℃）

2.2 濃度、溫度及進氣總流量對吸收容量的影響

吸收速率對時間的積分即為吸收容量，不同濃度、不同溫度和不同流量下的吸收容量如圖5～圖7 所示。從圖5～圖7 可知，在濃度、溫度和流量的優(yōu)化條件下，相對應(yīng)的CO2的吸收容量也較高，從而也驗證了吸收容量和吸收速率的一致性關(guān)系［19］。

圖5 不同濃度MDEA 吸收容量—時間關(guān)系（總流量為46.6 mL/min，溫度為22 ℃）

圖6 不同溫度下吸收容量—時間關(guān)系（總流量為46.6 mL/min，濃度為0.03 mol/L）

圖7 不同氣體總流量下吸收容量—時間關(guān)系（MDEA 濃度為0.03 mol/L，溫度為22 ℃）

2.3 優(yōu)化工藝條件下的最大吸收速率與最大吸收容量

采用優(yōu)化的吸收條件：MDEA 溶液濃度0.03 mol/L、吸收溫度22 ℃以及進氣總流量46. 6 mL/min 的條件下，對其吸收速率和吸收容量與時間之間的關(guān)系進行研究，如圖8、圖9 所示?？梢?，在初始吸收時可得到最大CO2吸收速率為0.43 mmol/s，在吸收飽和時對應(yīng)的CO2吸收容量可高達16.05 mmol/mL，這一結(jié)果優(yōu)于翟彥青等［19］在常溫常壓、吸收液濃度為0.1 mol/L 實驗條件下的研究結(jié)果。

圖8 最佳工藝條件下吸收速率—時間關(guān)系

圖9 最佳工藝條件下吸收容量—時間關(guān)系

3 結(jié)論

通過在不同MDEA 吸收液濃度、不同溫度與不同進氣總流量下對CO2的吸收速率和吸收容量進行了研究。結(jié)果表明：MEDA 吸收液對CO2的吸收存在最優(yōu)工藝條件，吸收液濃度為0.03 mol/L，進氣總流量為46.6 mL/min，吸收溫度為22 ℃。在此條件下CO2吸收效果最佳，在初始吸收時可得到最大CO2吸收速率為0.43 mmol/s，在吸收飽和時對應(yīng)的CO2吸收容量可高達16.05 mmol/mL，其吸收特點與吸收機理有較好的一致性。

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