乙二烯三胺與三乙醇胺混合胺溶液CO2吸收劑研究

張歡，汪麗，葉艤，*，趙興雷

（1. 北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京市 朝陽(yáng)區(qū)100029；2. 北京低碳清潔能源研究院，北京市 昌平區(qū)102211）

0 引言

溫室氣體過度排放導(dǎo)致全球變暖現(xiàn)象日益加劇，帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境影響，這對(duì)世界的可持續(xù)發(fā)展提出了巨大挑戰(zhàn)[1]。溫室氣體中CO2所占比例高達(dá)77%，造成了目前60%以上的溫室效應(yīng)[2]。2015年巴黎氣候變化大會(huì)達(dá)成的《巴黎協(xié)定》，其目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)[3]。然而，隨著全球經(jīng)濟(jì)和世界人口的快速增長(zhǎng)，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大，化石燃料作為一次能源的主體，將繼續(xù)發(fā)揮重要作用[4]。盡管生物質(zhì)能、太陽(yáng)能和風(fēng)能等替代能源的供應(yīng)正在增加，但它們?nèi)蕴幱诎l(fā)展階段，尚未完全取代化石能源[5]。因此，制定大幅減少高CO2濃度固定源(供熱與發(fā)電廠)和直接從空氣中捕集CO2的戰(zhàn)略已引起全世界的關(guān)注[6]，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界努力尋找綠色高效的解決方案，碳捕集、利用與封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS)[7]技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)具有大規(guī)模溫室氣體減排潛力的技術(shù)，到2050年將貢獻(xiàn)約14%的減排量[8]。

CO2捕集是CCUS技術(shù)的第一步，目前最具代表性的幾種碳捕集技術(shù)包括吸收法、吸附法、膜法、生物質(zhì)法和低溫蒸餾法[9]。上述捕集方法中，基于有機(jī)醇胺溶液的化學(xué)吸收技術(shù)最成熟、商業(yè)化程度最高，也是從化石燃料燃燒后煙氣(主要是燃煤電廠煙氣)中捕集CO2最常用的技術(shù)[10]，其本質(zhì)是利用CO2與醇胺溶液發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)在低溫下正向進(jìn)行，吸收CO2；高溫下反應(yīng)逆向進(jìn)行，CO2被釋放出來(lái)，吸收劑得以再生循環(huán)利用[11]。根據(jù)與氨基氮原子相連的氫原子數(shù)，將有機(jī)醇胺分為伯胺、仲胺和叔胺。伯/仲胺與CO2反應(yīng)遵循Caplow于1968年提出的兩性離子機(jī)理(Zwitterion Mechanism)[12]，叔胺結(jié)構(gòu)中由于氮原子沒有與氫原子直接連接，在和CO2反應(yīng)時(shí)不能形成兩性離子，無(wú)法像伯/仲胺一樣與CO2直接反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，叔胺在反應(yīng)過程中起類似催化的作用[13]，即游離胺與水溶液之間形成的氫鍵增強(qiáng)了水與CO2的反應(yīng)，從而促進(jìn)了CO2的水化。

在燃煤電廠煙氣捕集中，使用單乙醇胺(MEA)進(jìn)行捕集的方法最先工業(yè)化，其吸收速率快、吸收容量高、黏度小、成本低[14]，是應(yīng)用最廣泛的吸收劑之一，并被視為評(píng)估各種吸收劑捕集CO2性能的標(biāo)準(zhǔn)，但其再生能耗高，容易發(fā)泡及降解變質(zhì)，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重[15]。為解決傳統(tǒng)吸收劑存在的技術(shù)難題，新型高效溶劑的研發(fā)及捕集工藝改進(jìn)已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。目前，除了MEA，人們對(duì)其他的單組分胺類吸收劑，如二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、N-甲基二乙醇胺(MDEA)、2-氨 基-2 甲 基-1-丙 醇(AMP)、哌 嗪(PZ)、羥乙基乙二胺(AEEA)和二乙烯三胺(DETA)等，也有大量的研究。研究結(jié)果表明，伯/仲胺(如DEA 等)具有高吸收容量和吸收速率，但反應(yīng)熱和腐蝕性較高，再生性能差[16-17]；叔胺(MDEA、TEA 等)有較低的反應(yīng)熱、較好的CO2吸收容量，不易降解且再生性能好，但缺點(diǎn)是吸收速度太慢，無(wú)法單獨(dú)用作吸收劑[18-19]；空間位阻胺(AMP、PZ等)的腐蝕性和反應(yīng)熱都比MEA小[20-21]，也有一定的工業(yè)應(yīng)用，但CO2吸收容量較低；多胺類(DETA、AEEA 等)分子結(jié)構(gòu)具有多個(gè)氨基，具有較高的吸收效率和明顯高于MEA 的凈循環(huán)容量，再生溫度比MEA 低，更耐熱和氧化降解[22-23]，但黏度比MEA高且再生速率較慢[24]，因此其應(yīng)用前景也受到制約。

Guo 等人[25]進(jìn)行的溶劑篩選實(shí)驗(yàn)表明，使用由2 種或2 種以上的有機(jī)胺組成的混合吸收劑，比單一溶劑具有更優(yōu)異的CO2捕集性能。叔胺具有較高的平衡容量和較低的反應(yīng)焓，能大大降低混合胺的潛熱和顯熱，使得再生能量大幅降低，減小了汽提塔中所用溶劑再生造成的能耗損失[26]，伯/仲胺的快速動(dòng)力學(xué)可以讓復(fù)配吸收劑同時(shí)具有較快的CO2吸收速率、較高的CO2吸收容量[27]。

為了減少體系的再生能耗，提高捕集性能，同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)成本，克服單一有機(jī)胺溶劑的缺點(diǎn)，本文選用多氨基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的DETA 作為主體吸收劑，能催化再生過程的叔胺TEA 作輔助吸收劑，按不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)配成混合胺吸收劑，同時(shí)將傳統(tǒng)單組分吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% MEA 作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)DETA+TEA 兩組分有機(jī)胺吸收劑的吸收?解吸和黏度性能及解吸能耗進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介及流程

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)試劑成分為：w(MEA)≥99%，w(DETA)≥99%，w(TEA) ≥98%，w(CO2)1>99.99%，w(CO2)2=15%，w(N2)>99.99%，w(O2)>99%，w(SO2)=3%。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

吸收?解吸實(shí)驗(yàn)儀器如圖1所示。黏度測(cè)試采用Anton Paar 的SVM 3000 型全自動(dòng)黏度密度測(cè)量?jī)x。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup diagram

1.3 吸收解吸實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

將DETA+TEA 溶解于去離子水，分別配置5組150 mL二元復(fù)配溶液，溶液中DETA和TEA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比分別為30%+0、25%+5%、20%+10%、15%+15%、10%+20%。

取150 mL配置好的吸收劑經(jīng)加液口加入反應(yīng)釜，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min，調(diào)節(jié)恒溫油浴溫度為40 ℃。

開啟氮?dú)馄?，用N2吹掃體系(防止雜氣干擾)，待反應(yīng)釜內(nèi)吸收劑溫度與油浴溫度一致時(shí)，開啟CO2(分析純，99.9%)氣瓶，利用流量計(jì)控制N2流量為3 L/min，CO2流量為0.47 L/min(保證混氣中進(jìn)氣口處CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14.25%左右(模擬煙道氣))，點(diǎn)擊氣體分析儀的開始計(jì)數(shù)鍵，過程中氣體分析儀會(huì)實(shí)時(shí)記錄釜內(nèi)出氣口的CO2氣體濃度，每秒自動(dòng)記錄在電腦端，醇胺吸收劑吸收CO2的量可通過氣體分析儀記錄的CO2濃度計(jì)算得到。

待實(shí)驗(yàn)吸收飽和后(當(dāng)吸收后氣體中CO2濃度達(dá)到95%進(jìn)氣濃度時(shí))，點(diǎn)擊氣體分析儀計(jì)數(shù)結(jié)束按鈕。關(guān)閉CO2進(jìn)氣閥，等待N2吹掃(吹出管路中殘留的CO2氣體)至CO2濃度為0。在吹掃的過程中關(guān)閉油浴鍋的循環(huán)，將飽和醇胺溶液冷卻到40 ℃。

待上一步驟中氣體吹掃干凈，溫度也降至40 ℃，開始解吸。調(diào)節(jié)流量計(jì)控制N2流量為1.5 L/min，關(guān)閉CO2進(jìn)氣閥，打開油浴升溫，點(diǎn)擊氣體分析儀的計(jì)數(shù)開始按鈕，開主路，關(guān)旁路。待反應(yīng)釜中吸收劑的溫度達(dá)到100 ℃之后，調(diào)節(jié)油浴升溫按鈕，使吸收劑溫度在100 ℃恒溫1 h。解吸出的CO2量也可通過氣體分析儀記錄的CO2濃度計(jì)算得到。每個(gè)樣品測(cè)試5 次，取平均值作為最終結(jié)果。

1.4 循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)將原本由CO2/N2組成的模擬煙氣改為CO2/N2/O2/SO2混合氣，調(diào)整各自的流量使w(O2/SO2)=1%，w(CO2)=14.25%，剩余為N2，其他操作流程和參數(shù)設(shè)置與吸收解吸過程一致。

1.5 黏度測(cè)試流程

使用SVM 3000型全自動(dòng)黏度密度測(cè)量?jī)x，設(shè)置其初始溫度為20 ℃，終點(diǎn)溫度為80 ℃。每次取2 mL測(cè)試樣注入進(jìn)樣口，每個(gè)測(cè)試樣完成后使用去離子水清洗黏度儀腔室，N2吹干后進(jìn)行下一組測(cè)試，每個(gè)樣品也測(cè)試5次，取平均值作為最終結(jié)果。

1.6 解吸能耗計(jì)算

化學(xué)吸收法CO2捕集工藝解吸能耗計(jì)算公式[28]為

式中：W表示吸收劑單位CO2解吸能耗(解吸總能耗與解吸的CO2比值)；Qads為解吸反應(yīng)所需反應(yīng)熱；Qrs為富液升溫顯熱；Qg為富液汽化潛熱；nCO2為解吸出的CO2的量；c為吸收劑的比熱容；Δt為富液再生升溫幅度；M為有機(jī)胺的相對(duì)摩爾質(zhì)量；ψ為吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Δx為吸收劑的CO2負(fù)載量；ΔHads為解吸單位CO2所需反應(yīng)熱；qg為解吸單位CO2時(shí)水的汽化潛熱。

2 實(shí)驗(yàn)討論

2.1 吸收性能比較

本文以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的傳統(tǒng)吸收劑MEA作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在溫度為40 ℃下，通過測(cè)試吸收容量和吸收速率，研究總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的DETA+TEA的5組不同復(fù)配吸收劑的CO2吸收性能。圖2和圖3 展示了不同溶劑單次吸收過程CO2負(fù)載量(吸收量)和吸收速率隨時(shí)間的變化情況：在反應(yīng)初期，胺溶劑吸收CO2以化學(xué)反應(yīng)為主，此時(shí)吸收劑過量，反應(yīng)速率較快，負(fù)載量從0開始增加；隨著反應(yīng)進(jìn)行，負(fù)載量逐漸升高，溶液中有機(jī)胺被逐漸消耗，化學(xué)反應(yīng)速率隨之減慢；直至溶液中有機(jī)胺分子與CO2完全反應(yīng)后，吸收速率逐漸趨于平緩，此時(shí)吸收以物理緩慢吸收為主，當(dāng)尾氣CO2濃度達(dá)到95%進(jìn)氣濃度時(shí)，吸收飽和，吸收速率趨于0。

圖2 不同溶劑吸收過程CO2負(fù)載量隨時(shí)間的變化情況Fig.2 Variation of CO2 loading with time in absorption process of different solvents

圖3 不同溶劑吸收過程吸收速率隨時(shí)間的變化情況Fig.3 Variation of the absorption rate with time in the absorption process of different solvents

如圖2、3所示，不同溶劑吸收過程CO2飽和負(fù)載量及吸收速率的關(guān)系為：30%DETA>25%DETA+5%TEA>20%DETA+10%TEA>15%DETA+15%TEA>10%DETA+20%TEA>30%MEA。由于MEA 分子量小，水中溶解度大，且分子結(jié)構(gòu)只含有一個(gè)伯胺，與CO2反應(yīng)到終點(diǎn)的時(shí)間較短，DETA分子結(jié)構(gòu)中包含2個(gè)仲胺和1個(gè)伯胺，與CO2具有更高的反應(yīng)活 性[28]，MEA 理 論 吸CO2收 量 為0.5 mol/mol，DETA 理論吸收量為1.5 mol/mol，DETA 和MEA的摩爾質(zhì)量分別為103.17 g/mol和61.08 g/mol，故對(duì)于同體積、同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的胺吸收劑，DETA 飽和吸收量高于MEA。引入的輔助吸收劑TEA不涉及氨基甲酸鹽的生成反應(yīng)，只促進(jìn)CO2的水解，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的伯/仲胺，因此總質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，復(fù)配溶劑中DETA 含量越低，飽和負(fù)載量和吸收速率越低。

2.2 解吸性能比較

除了吸收性能，解吸性能也是評(píng)價(jià)吸收劑能否工業(yè)應(yīng)用的重要指標(biāo)，解吸過程就是富液經(jīng)高溫將吸收的CO2釋放再生變?yōu)樨氁旱倪^程。圖4為不同溶劑解吸過程CO2負(fù)載量隨時(shí)間的變化情況，從圖4 可以看出，所有溶劑再生都不完全，這是因?yàn)槲者^程醇胺溶劑與CO2反應(yīng)生成的氨基甲酸鹽在高溫下，部分鹽會(huì)變質(zhì)生成惡唑烷酮和咪唑啉酮[29]等物質(zhì)，咪唑啉酮穩(wěn)定不易再生，因此再生不完全。解吸時(shí)間關(guān)系為：10%DETA+20%TEA>15%DETA+15%TEA>20%TEA+10%TEA>25%DETA+5%TEA>30%DETA>30%MEA，在相同解吸溫度下，DETA再生時(shí)間比MEA短，說(shuō)明在同一再生溫度下，DETA 比MEA 更容易再生。相同含量下，復(fù)配溶劑與單組份DETA 相比，隨著TEA 含量的增加，解吸時(shí)間逐漸減小，這是因?yàn)槭灏放cCO2反應(yīng)生成的碳酸鹽/碳酸氫鹽不穩(wěn)定，高溫易再生，能縮短再生時(shí)間和提高CO2再生量。

圖4 不同溶劑解吸過程CO2負(fù)載量隨時(shí)間的變化情況Fig.4 Variation of CO2 loading with time during desorption process of different solvents

解吸過程不同溶劑解吸速率隨時(shí)間的變化情況如圖5 所示，分為3 個(gè)過程：1）解吸初期反應(yīng)釜內(nèi)除了富液，還有部分CO2氣體沒有吸入到溶劑，殘留在剩余空間，在打開反應(yīng)釜進(jìn)行解吸的一瞬間會(huì)隨著N2排放出來(lái)，造成尾氣CO2濃度短暫偏大，解吸速率存在一個(gè)小峰值，隨后恢復(fù)正常；2）隨著體系溫度快速上升，富液中的CO2快速解吸，速率達(dá)到最大值；3）剩余牢固結(jié)合的CO2開始緩慢解吸，速率緩慢下降直至解吸結(jié)束。結(jié)果顯示，DETA 系列溶劑解吸速率均高于MEA，且復(fù)配溶劑的最大解吸速率隨TEA含量的升高而增加。10%DETA+20%TEA 的最大解吸速率最高，為2.18 mmol/(L?min)，比30%DETA 的1.85 mmol/(L?min)提高了17.84%，相較于30%MEA的0.716 mmol/(L?min)提高了約2倍，說(shuō)明TEA能提高復(fù)配溶劑的再生性能。

圖5 解吸過程不同溶劑解吸速率隨時(shí)間的變化情況Fig.5 Variation of desorption rate with time in the desorption process of different solvents

2.3 循環(huán)性能比較

吸收劑在實(shí)際使用過程中要綜合考慮完整吸收?解吸過程的飽和負(fù)載量、解吸量、解吸率及多次循環(huán)穩(wěn)定性。富液的CO2負(fù)載量即溶劑的飽和吸收量，貧液的CO2負(fù)載量即溶劑的殘留量，吸收量與殘留量的差值即為該溶劑的解吸量。解吸量與吸收量之比為解吸率。(為了方便畫圖，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ表示吸收劑30%MEA、30%DETA、25%DETA+5%TEA、20%DETA+10%TEA、15%DETA+15%TEA、10%DETA+20%TEA。

圖6展示了不同溶劑的解吸量和飽和吸收量，吸收量和解吸量最高的3 個(gè)溶劑為30%DETA、25%DETA+5%TEA 和20%DETA+10%TEA， 與30%MEA 相比，其吸收容量分別提高了48.5%、43.1%、34.5%，解吸量分別提高了44%、48.9%、46.1%。30%DETA 的飽和負(fù)載量最高，但解吸量卻低于其他2 組復(fù)配溶劑，所以TEA 的加入可以調(diào)節(jié)溶劑的解吸性能，接下來(lái)要進(jìn)一步確定復(fù)配溶劑的最適配比。

圖6 1次完整吸收?解吸過程CO2負(fù)載量Fig.6 CO2 loading of a complete absorption-desorption process

圖7 展示了不同溶劑的解吸率。通過前面對(duì)吸收解吸容量的比較初步確定了3 組溶劑，30%DETA 的解吸率為0.85，低于基礎(chǔ)溶劑30%MEA，不考慮。20%DETA+10%TEA 的解吸率為0.96，比25%DETA+5%TEA的0.92高，所以通過綜合考量認(rèn)為，20%DETA+10%TEA 是一種頗具潛力的新型CO2吸收劑。

圖7 1次完整吸收?解吸過程CO2解吸率Fig.7 CO2 desorption rate of a complete absorptiondesorption process

有機(jī)胺溶液多次吸收?解吸循環(huán)穩(wěn)定性是評(píng)估吸收劑能否工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)重要參數(shù)?？紤]到實(shí)際電廠煙氣中除了CO2外，還混有一些雜質(zhì)氣體(主要是O2和SOx，占煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%)，其對(duì)吸收劑吸收解吸循環(huán)穩(wěn)定性也有一定的影響，為了考察其影響效果，將通過前面實(shí)驗(yàn)篩選出的最優(yōu)配比的復(fù)配溶劑20%DETA+10%TEA 通O2/SO2雜氣，與未通雜氣的吸收劑進(jìn)行20 次吸收?解吸循環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，未通雜氣的吸收劑經(jīng)20次循環(huán)，第1次與第20次的解吸量分別為3.55、3.48 mol/L，20 次循環(huán)穩(wěn)定性為98%，通O2/SO2雜氣的吸收劑第1 次與第20 次解吸量分別為3.41、3.2 mol/L 溶劑，穩(wěn)定性為90.6%，解吸量和穩(wěn)定性均有一定程度降低，這是因?yàn)殡s氣會(huì)與一部分胺吸收劑反應(yīng)生成一些不可逆的氨基酸鹽，使得與CO2反應(yīng)的胺活性組分降低，于是循環(huán)解吸量也會(huì)降低。但經(jīng)過20次循環(huán)，其穩(wěn)定性仍能高達(dá)93.8%以上，僅比未通的吸收劑低4%，說(shuō)明20%DETA+10%TEA具有良好的吸收?解吸循環(huán)穩(wěn)定性。這是因?yàn)殡s氣雖對(duì)胺吸收劑的穩(wěn)定性有一定的影響，但實(shí)際煙氣經(jīng)脫塵、脫硫等預(yù)處理后濃度能降到10?5，與CO2含量相比甚微。

圖8 20%DETA+10%TEA 的20次循環(huán)解吸量對(duì)比Fig.8 Comparison of desorption volume in 20 cycles of 20%DETA+10%TEA

2.4 解吸能耗比較

富液解吸過程需要消耗大量的熱來(lái)提供能量進(jìn)行再生，在醇胺法CO2捕集工藝中，再生能耗是整個(gè)工藝最重要的部分，占工藝能耗的70%～80%，所以開發(fā)新吸收劑的能耗必須低于基礎(chǔ)溶劑MEA才具有開發(fā)意義。一般以單位CO2解吸能耗來(lái)表示吸收劑能耗。

表1 給出了基準(zhǔn)吸收劑30%MEA 和目標(biāo)吸收劑20%DETA+10%TEA 的解吸能耗的各項(xiàng)熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)值及解吸能耗計(jì)算結(jié)果，得到了20%DETA+10%TEA 的單位CO2解吸能耗為160 kJ/mol，相較于30%MEA降低了21.2%，進(jìn)一步印證了該復(fù)配吸收劑的應(yīng)用潛力。

表1 解吸能耗數(shù)據(jù)Tab.1 Desorption energy consumption calculation data

2.5 黏度性能比較

黏度是流體物質(zhì)的重要特性之一。在醇胺溶液吸收CO2工藝中，吸收劑的黏度與吸收劑在塔內(nèi)和管道中的流動(dòng)及傳質(zhì)密切相關(guān)。因此，研究醇胺溶劑的黏度對(duì)吸收/再生塔及管道等工藝設(shè)備的選取和工藝流程設(shè)計(jì)十分重要。

圖9 顯示了未負(fù)載CO2的30%MEA 及30%DETA 在20～80 ℃內(nèi)黏度隨溫度的變化情況?？梢钥闯?，吸收劑的黏度隨溫度上升呈指數(shù)型下降，30%DETA 的黏度均高于30%MEA，其差異隨溫度的升高逐漸變小。當(dāng)溫度從20 ℃升至80 ℃時(shí)，30%DETA黏度從5.6 mPa·s降至1.08 mPa·s，降了近80.7%；30% MEA 降了近80.2%，說(shuō)明溫度對(duì)吸收劑的黏度影響非常大。由于CO2捕集工藝中吸收溫度一般為40～60 ℃，解吸溫度較高，一般在100～120 ℃，因此黏度主要影響吸收劑的吸收過程，選擇合適的吸收溫度對(duì)CO2捕集工藝的設(shè)計(jì)具有重要作用。

圖9 溫度對(duì)黏度的影響Fig.9 Effect of temperature on viscosity

本吸收解吸實(shí)驗(yàn)的吸收溫度為40 ℃，所以研究了在40 ℃下不同CO2負(fù)載量對(duì)吸收劑黏度的影響，如圖10所示。當(dāng)溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，吸收劑的黏度隨著負(fù)載量的升高而增加，30%DETA吸收劑的黏度均高于30%MEA。30%DETA 溶劑黏度由負(fù)載量α=0時(shí)的3.39 mPa·s升高到α=1時(shí)的7.6 mPa·s， 增 大 了 約 124%； 30%MEA 從1.33 mPa·s 升高到2.87 mPa·s，增大了約115%，說(shuō)明負(fù)載量是影響吸收劑的又一重要因素。降低主體吸收劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)降低其CO2負(fù)載量，導(dǎo)致吸收解吸循環(huán)時(shí)吸收劑用量增大、富液再生過程蒸汽量增大，進(jìn)而導(dǎo)致解吸能耗升高，因此需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適質(zhì)量分?jǐn)?shù)的吸收劑和溫度，得到適宜的黏度。

圖10 40 ℃下負(fù)載量對(duì)黏度的影響Fig.10 Effect of loading on viscosity at 40 ℃

在實(shí)驗(yàn)室t=40 ℃下，對(duì)不同溶劑未吸收CO2的貧液和吸收飽和的富液進(jìn)行黏度測(cè)試研究，如圖11 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著TEA 含量的增加(無(wú)論是貧液還是富液)，復(fù)配吸收劑的黏度下降。通過前面實(shí)驗(yàn)篩選出的20%DETA+10%TEA 吸收劑黏度為3.1～6.882 mPa·s，較30%DETA 低9%，相較于30%MEA增加了約1.5倍。

圖11 40 ℃下不同吸收劑的黏度Fig.11 Viscosity of different absorbents at 40 ℃

在工業(yè)中試時(shí)，被輸送液體黏度增大，會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)和管道流體流量減小、吸收/解吸塔的換熱傳質(zhì)效率降低、吸收塔貧液與煙氣的液氣比降低，從而使再生能耗變高。所以當(dāng)新型溶劑的黏度高于標(biāo)準(zhǔn)溶劑時(shí)，可以通過增大管道直徑和管壁內(nèi)光滑度，提高流體管道流量、塔內(nèi)傳質(zhì)效率等，降低再生能耗。但工業(yè)上對(duì)醇胺溶劑黏度的研究較少，還沒有一個(gè)工業(yè)運(yùn)行的黏度標(biāo)準(zhǔn)，只能通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶劑和新型溶劑黏度的探究，從而改進(jìn)捕集工藝，對(duì)工業(yè)中試提供一定的參考依據(jù)。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了5 組DETA+TEA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為30%、25%+5%、20%+10%、15%+15%、10%+20%的混合胺及傳統(tǒng)吸收劑30%MEA的CO2吸收?解吸性能及黏度參數(shù)，其中20%DETA+10%TEA吸收劑綜合性能最好，結(jié)論如下：

1）該吸收劑的飽和吸收量為3.71 mol/L，初始吸收速率為2.5 mmol/(L?min)，與30%MEA 吸收劑相比，分別提高了34.42%、12.6%。

2）該吸收劑的最大解吸速率為1.94 mmol/(L?min)、再生量為3.55 mol/L，再生率為0.96，解吸能耗為160 kJ/mol 與30%MEA 吸收劑相比，分別提高了170%、46.1%、9.1%、21.2%。

3）經(jīng)過20次吸收?解吸循環(huán)，該吸收劑的解吸量為3.48 mol/L，與第1次相比僅呈現(xiàn)輕微的降低，循環(huán)穩(wěn)定性高達(dá)98%。

4）該吸收劑使用黏度為3.1～6.88 mPa·s。

5）結(jié)果表明，20%DETA+10%TEA不僅具有較高的CO2吸收容量，而且具有優(yōu)異的再生性能及循環(huán)穩(wěn)定性，和較低的再生能耗，是一種頗具潛力的新型高效CO2吸收劑。