崔廣毅 申淑鋒

摘 要：為了提高填料塔的傳質(zhì)性能，對比研究新型CO2吸收劑，在CY 700型不銹鋼規(guī)整填料中試吸收和解吸塔內(nèi)，研究了不同操作條件下乙醇胺（MEA）水溶液吸收CO2的總體積傳質(zhì)系數(shù)KGav和捕集率，并對連續(xù)捕集CO2工藝的再生能耗進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，KGav隨液體流量的增大而增大，隨溶液CO2負(fù)載和CO2分壓的增大而減小，但是氣體流量的增加對KGav有不利影響；中試連續(xù)循環(huán)運(yùn)行結(jié)果表明，液氣比和塔頂溶劑回流量對體系操作循環(huán)負(fù)載和再生能耗均有較大影響，在目標(biāo)CO2吸收率≥90%、吸收劑流量為5 L/h、氣體流量為0.48 m3/h的操作條件下，捕集CO2再生能耗約為8.5 MJ/kg，循環(huán)負(fù)載約為0.67 mol/kg。研究結(jié)果驗(yàn)證了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，CY 700填料塔的傳質(zhì)性能較好，為下一階段探索新型貧水有機(jī)胺吸收劑捕集CO2的性能提供重要的對比參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：吸收；CO2捕集；填料塔；乙醇胺；傳質(zhì)性能；再生能耗

中圖分類號：TQ028.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??DOI：10.7535/hbkd.2023yx04006

Pilot test of CO2 capture performance of aqueous MEA in packed columns with CY 700 structured packing

CUI Guangyi，SHEN Shufeng

（School of Chemical and Pharmaceutical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang Hebei 050018， China）

Abstract： In order to improve the mass transfer performance of packed column and investigate comparatively different absorbents， a monoethanolamine （MEA[DK]） based lab pilot plant with CO2 absorption and desorption packed columns with CY 700 structured packings was built. The volumetric mass transfer coefficient （KGav） and CO2 capture rate of monoethanolamine （MEA） aqueous solution absorbing CO2 under different operating conditiions were investigated， and the regeneration energy consumption was also evaluated. The results show that KGav increases with the increasing liquid flow rate and decreases with the increase of lean CO2 loading and CO2 partial pressure. However， the increasing gas flow rate has negative effect on KGav. Liquid to gas ratios and reflux rate of condensate back to the desorber have significant effect on the working cyclic capacity and regeneration energy. Specifically， under the conditions with CO2 capture rate ≥90%， 5 L/h liquid flow rate and 0.48 m3/h gas flow rate， the regeneration energy and the cyclic capacity were about 8.5 MJ/kg CO2 and 0.67 mol/kg respectively. The findings verify the stability and repeatability of the CO2 capture pilot plant， and the good mass transfer performance of CY 700 packing， which also provide important comparative reference data of the baseline solvent for comparison with novel water lean amine based absorbents in the next step of work.

Keywords： absorption；CO2 capture；packed column；monoethanolamine；mass transfer performance；regeneration energy consumption

國際能源署（IEA）指出，到2030年，化石燃煤、石油和天然氣在能源結(jié)構(gòu)上仍將占據(jù)主導(dǎo)地位[1]，CO2作為主要的溫室氣體，控制碳排放至關(guān)重要。中國政府承諾爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。CO2捕集、利用和封存（CCUS）被認(rèn)為是眾多減排技術(shù)路線中最為有效的手段[2]，其中，使用有機(jī)胺類溶劑（如乙醇胺（MEA））燃燒后捕獲CO2是目前最成熟的技術(shù)方法，但面臨的關(guān)鍵瓶頸是碳捕集能耗和成本過高，開發(fā)新一代低能耗碳捕集技術(shù)是目前研究和示范的熱點(diǎn)方向。

填料塔是燃燒后CO2捕集應(yīng)用的重要?dú)庖簜髻|(zhì)設(shè)備，具有處理能力大、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)[3]。不同填料類型對傳質(zhì)分離性能有重要影響，針對吸收劑的性質(zhì)優(yōu)化填料類型將有利于改善捕集效果。目前，人們基于MEA水溶液體系已開展了大量研究工作，針對DX[4 6]和Dixon環(huán)[7]、拉西環(huán)[8]、鮑爾環(huán)[9]等填料中的傳質(zhì)性能進(jìn)行了報(bào)道。為了獲得較高的CO2吸收能力和較低的再生能耗，在DX填料塔中也考察了混合胺如MEA和N，N 二乙基乙醇胺[10]、N，N 二甲基乙醇胺[11]、1 二甲基氨基 2 丙醇[12]的傳質(zhì)效果。另外，一些研究人員在MEA水溶液中加入不同溶劑（如甲醇、環(huán)丁砜、甘油等），分別在鮑爾環(huán)、Dixon環(huán)和拉西環(huán)等填料塔中進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)加入有機(jī)溶劑能大幅提高傳質(zhì)系數(shù)和CO2吸收率[13 15]。相對于流體在散裝填料中分布不均，易產(chǎn)生溝流、放大效應(yīng)顯著等不良影響，規(guī)整填料具有氣液分布較均勻、壓降低、通量大等優(yōu)勢，能明顯提高傳質(zhì)性能。AROONWILAS等[16]對比考察了一些吸收劑在不同填料中的傳質(zhì)性能，發(fā)現(xiàn)Gempak 4A規(guī)整填料的傳質(zhì)系數(shù)約為相同實(shí)驗(yàn)條件下鮑爾環(huán)和IMTP散裝填料的2倍。GAO等[17]分別在Sulzer BX500，Mellapale Y500和鮑爾環(huán)16×16填料中研究MAE 甲醇吸收劑對CO2的吸收性能，發(fā)現(xiàn)Sulzer BX500規(guī)整填料的傳質(zhì)效果較好。

如圖1所示，CY 700填料屬于金屬絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料，具有良好的可潤性、比表面積和空隙率大、理論板數(shù)高、操作彈性大等特點(diǎn)，有利于在實(shí)驗(yàn)室中試規(guī)模的填料中對比吸收劑捕集效果。目前第1代吸收劑MEA水溶液仍然是開發(fā)新型吸收劑和技術(shù)的對比標(biāo)準(zhǔn)，但有關(guān)其在CY 700填料中CO2傳質(zhì)性能的研究報(bào)道較少。本文在CY 700規(guī)整填料塔中研究了30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同） MEA水溶液吸收CO2的傳質(zhì)性能，評估其在連續(xù)吸收 解吸操作下捕集CO2的循環(huán)容量和再生能耗，為下一階段考察新型貧水有機(jī)胺吸收劑在該填料中的CO2傳質(zhì)和捕集性能提供重要的對比數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和材料

乙醇胺（MEA，分析純，純度99%），購自上海麥克林生化科技股份有限公司；水，由實(shí)驗(yàn)室純水機(jī)（Merck Millipore Aquelix 5）生產(chǎn)；硫酸（優(yōu)級純，純度98%），購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；N2（≥99.5%），由PSA制氮系統(tǒng)制備（石家莊東創(chuàng)空分公司）；高純CO2（純度99.99%）和標(biāo)準(zhǔn)氣體（19.90% CO2與N2平衡），購自石家莊西三教制氧站。采用質(zhì)量法配置30% MEA水溶液用于實(shí)驗(yàn)測試研究，系統(tǒng)吸收劑的總體積約為20 L。

1.2 CO2捕集性能評價(jià)裝置

吸收劑碳捕集性能評價(jià)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)，主要由吸收塔、解吸塔、流量控制單元、溫度控制單元、氣體分析單元、電能測量單元等組成，其中塔內(nèi)均安裝15節(jié)高為100 mm的CY 700規(guī)整填料，材料參數(shù)由浙江嘉興旭東化工填料公司提供（見表1）。裝置中容器和管路的材質(zhì)為316L不銹鋼，填料塔外壁均安裝保溫層來減少熱損失。該系統(tǒng)使用遠(yuǎn)程PLC終端控制，能實(shí)時檢測工藝流程及參數(shù)。表2是主要的設(shè)備規(guī)格和操作條件。

圖2為該評價(jià)裝置的工藝流程示意圖。N2和CO2混合氣模擬經(jīng)過脫硫、脫硝后的電廠煙道氣，流量由質(zhì)量流量計(jì)控制（N2：0～10 L/min，CO2：0～5 L/min，北京七星華創(chuàng)流量計(jì)有限公司提供），在緩沖罐混合后經(jīng)CO2紅外分析儀（GXH 3011N，量程0～20%，北京華云分析儀器研究所提供）測定濃度，加熱到一定溫度后進(jìn)入吸收塔底部。原料儲

罐的吸收劑由變頻泵控制一定液體流量，經(jīng)預(yù)熱器后進(jìn)入吸收塔頂部。塔內(nèi)上升的混合氣與潤濕填料的吸收劑逆流接觸傳質(zhì)，大部分CO2由氣相轉(zhuǎn)移到液相中。離開塔頂?shù)奈矚饨?jīng)深冷和氣液分離器后，采用CO2分析儀（量程0～20%）檢測濃度，測量流量后排出系統(tǒng)。吸收CO2后的富液由塔底經(jīng)泵控制排出，預(yù)熱到一定溫度后進(jìn)入解吸塔頂部。再生塔塔釜采用電加熱的方式提供熱量，電能消耗由智能電力監(jiān)控表（SMT08E M3，精度：0.001 kW·h，北京斯達(dá)森電器有限公司提供）計(jì)量，富液在塔內(nèi)高溫再生釋放出CO2。再生后的溶液經(jīng)冷凝器降溫后泵入吸收劑儲罐，塔頂氣相經(jīng)冷凝冷卻后，冷凝液回流至塔內(nèi)，氣體經(jīng)深冷后由CO2分析儀（量程0～100%）測定CO2濃度和流量后排出系統(tǒng)。圖2流程圖中標(biāo)記了主要的液體取樣點(diǎn)（A*/S*）和系統(tǒng)測溫點(diǎn)（T*）。

1.3 評價(jià)方法

吸收劑中CO2負(fù)載（α）定義為1 kg無負(fù)載溶液含有CO2的物質(zhì)的量，mol/kg。其測定利用酸堿反應(yīng)原理，在裝置中將一定濃度的稀硫酸滴加到稱重的樣品中計(jì)量釋放CO2的體積，計(jì)算公式如式（1）所示[18 19]。循環(huán)負(fù)載定義為吸收后與吸收前溶液負(fù)載之差。本實(shí)驗(yàn)在常壓下操作，氣體按理想氣體處理。

式中：P是測定時的大氣壓力，kPa；V是溶液中釋放出的CO2氣體體積，mL；R是氣體常數(shù)，

8.314 J/（K·mol）；T是測量時的室溫，K；ms是無負(fù)載的溶液質(zhì)量（稱取的樣品質(zhì)量與所含CO2質(zhì)量的差），kg；

αrich是吸收后富液負(fù)載；αlean是吸收前貧液負(fù)載；αcyc是溶液的循環(huán)負(fù)載。

CO2吸收率（η）定義為被溶液吸收的CO2摩爾量占進(jìn)塔混合氣中CO2總摩爾量的百分?jǐn)?shù)：

式中：y是混合氣中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)；Y是指CO2與N2的物質(zhì)的量比；Yin，Yout分別是進(jìn)塔氣和尾氣的物質(zhì)的量比。

在逆流接觸的填料塔中任意橫截面取dh的微元高度，采用氣相濃度差為推動力的總傳質(zhì)速率方程，由物料平衡關(guān)系式轉(zhuǎn)換后可得：

混合氣中惰性氣體（N2）的摩爾分?jǐn)?shù)基本維持在80%以上，假設(shè)在吸收過程中總流量沿塔高的變化很小，且吸收劑含量充足，可認(rèn)為總體積傳質(zhì)系數(shù)（KGav）不發(fā)生顯著變化。MEA吸收CO2為快速反應(yīng)，根據(jù)該體系的氣液平衡文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[20]，沿塔液相主體相平衡的氣相CO2濃度（體積分?jǐn)?shù)，下同）y*與氣相主體濃度y相比可近似忽略，積分整理后得到KGav。

式中：GB是惰性氣體流量，kmol/（m2·h）；KG是氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·h·kPa）；P是系統(tǒng)壓力，kPa；av是有效氣液界面面積，m2/m3；y*是與液相平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)；h是填料塔有效高度，m。

再生能耗（Q）定義為在一定再生條件下富液釋放出單位質(zhì)量CO2所需的熱量，單位為MJ/kg。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)系統(tǒng)在一段穩(wěn)定運(yùn)行時間內(nèi)的解吸塔釜耗電總量Wreb（kW·h）與CO2解吸總質(zhì)量m（kg）的比值作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，其中電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)按100%計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料塔操作條件對30% MEA吸收CO2傳質(zhì)性能的影響

為了提供具有對比參考價(jià)值的中試數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)規(guī)定了基本條件：吸收劑為傳統(tǒng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% MEA水溶液，氣/液入塔溫度均為40 ℃。在此基礎(chǔ)上考察了CY 700填料塔中液體流速2～5 L/h、貧液CO2負(fù)載1.000～1.400 mol/kg、混合氣流速8.0～10.0 L/min以及CO2體積分?jǐn)?shù)12%～20%等處理?xiàng)l件下，各因素變量對CO2吸收率η和KGav的影響。編號1—編號15批次吸收實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3，各因素對吸收傳質(zhì)影響效果見圖3。其中KGav的范圍為0.17～0.53 kmol/（m3·h·kPa），與文獻(xiàn)報(bào)道的MEA水溶液在其他填料中的KGav如DX[6]（0.07～3.59），Dixon環(huán)[7]（0.26～0.40）、拉西環(huán)[8]（0.08～0.59）、鮑爾環(huán)[9]（0.60～2.42）有所差別，主要是由于吸收劑濃度、填料塔高度以及惰性氣速的不同所致。

2.1.1 液體流量

固定操作條件：30% MEA，氣/液入塔溫度40 ℃，CY 700填料塔中操作條件對MEA水溶液吸收CO2的η和KGav的影響如圖3所示。根據(jù)第4、第7、第8、第14和第15組這5組實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)KGav和η隨著液體流量的增加而顯著增加，將液體流量從2.0 L/h提高到5.0 L/h，CO2吸收率提高約26%，KGav從0.185增大至0.422 kmol/（m3·h·kPa）。這主要是因?yàn)樗?nèi)液體流速提高，填料表面液膜更新速度變快，導(dǎo)致自由胺分子數(shù)增多，有助于吸收傳質(zhì)過程的進(jìn)行；液體流量的增大使得填料層表面的流體湍動程度更加劇烈，促進(jìn)了有效氣液相界面積av的增加，填料表面潤濕更完全，液膜傳質(zhì)系數(shù)增大[7，21]。同時發(fā)現(xiàn)液體流量增加時，塔底吸收富液的CO2負(fù)載降低，其對應(yīng)的平衡氣相分壓降低，因而增加了塔底處及沿塔方向上氣液傳質(zhì)的總推動力，增強(qiáng)了CO2吸收效果，CO2吸收率顯著提高。當(dāng)液體流量提高到4.0 L/h時，CO2吸收率超過90%。

盡管增加液體流量有利于碳捕集效果，但當(dāng)液體流量提高到一定程度時，填料表面液膜急劇增厚，易造成液泛現(xiàn)象。在本實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)MEA流量達(dá)到10.0 L/h時，未出現(xiàn)壓降急劇變化和液泛現(xiàn)象。另外，較高的液體流量需要泵提供更大的輸送功率，這會提高系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2.1.2 CO2負(fù)載

貧液CO2負(fù)載是吸收過程的重要參數(shù)之一，通常由溶劑在再生塔中的再生效果決定。通過比較第1組和第9組負(fù)載相差較大的吸收貧液可知，當(dāng)CO2負(fù)載從1.12 mol/kg增加到1.28 mol/kg時，KGav和η均有下降趨勢，結(jié)果如圖3 b）所示。CO2負(fù)載大小反映了吸收劑中已反應(yīng)的有機(jī)胺分子的比例，負(fù)載越大，表明溶液中能吸收CO2游離活性胺分子越少，不利于吸收反應(yīng)過程。CO2負(fù)載過高，還會導(dǎo)致氣液兩相間的傳質(zhì)驅(qū)動力變小，即使大幅提高液體流量也難以達(dá)到理想的脫除效果。

在全流程捕集工藝中，解吸塔需要更大的熱負(fù)荷才能得到較低負(fù)載的貧液，但吸收劑再生能耗占總捕集能耗的主要部分，為60%～80%[22 24]。通常為滿足吸收效果獲得較低的負(fù)載（1.0～1.2 mol/kg），大規(guī)模示范項(xiàng)目MEA水溶液體系的再生能耗較高，一般在3.2～5.0 GJ/t[18 19]。因而開發(fā)低能耗的新型吸收劑、降低捕集成本是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2.1.3 混合氣中CO2分壓

增大CO2分壓，氣相內(nèi)傳質(zhì)阻力減小，且增大了氣液相間的傳質(zhì)推動力，總CO2吸收量將會增加。由雙膜理論可知，MEA溶液吸收CO2是液膜阻力控制的反應(yīng)[5，8]，其中液膜主要由反應(yīng)區(qū)和擴(kuò)散區(qū)組成，氣膜阻力的減小對KGav的影響不大。根據(jù)第8、第9和第10組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)入口混合氣中CO2體積分?jǐn)?shù)從約12.5%增大到18.8%時，總CO2吸收量由0.91 L/min增加到1.27 L/min，但KGav和η均呈逐漸降低趨勢，如圖3 c）所示。因?yàn)樵跉庖毫髁恳欢ǖ那闆r下，CO2分壓的增大使得更多的CO2分子從氣相主體移動至氣液界面處，在界面反應(yīng)區(qū)內(nèi)消耗大量的活性游離MEA分子，從而界面反應(yīng)膜內(nèi)對CO2的反應(yīng)速率變慢，因而導(dǎo)致KGav和η出現(xiàn)減小的趨勢。

2.1.4 混合氣體總流量

氣體流量對CO2的傳質(zhì)性能影響復(fù)雜，不同體系受氣體流量的影響不完全一致[6，11，25]。理論上增大氣體流速能夠提高氣相湍動程度，增加氣膜傳質(zhì)系數(shù)、降低阻力對傳質(zhì)過程有利。從表3發(fā)現(xiàn)，增加氣體總流量，可以提高單位時間內(nèi)吸收劑對CO2的吸收量。根據(jù)第7、第11、第12、第13組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在8～10 L/min的范圍內(nèi)，KGav和η均隨著氣體流量的增大而略有降低，但下降幅度不如液體流量影響顯著，如圖3 d）所示。這與混合氣中CO2分壓的影響類似，主要是因?yàn)镸EA吸收CO2受液膜控制，提高氣體流量對KGav和η的影響較小。相反，流量過大會縮短氣體組分在填料塔內(nèi)的停留時間，增加了持液量和填料表面液膜的厚度，導(dǎo)致表觀的KGav降低。

2.2 CO2吸收 解吸連續(xù)捕集工藝性能

為了獲得不同工況下的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在符合吸收率大于85%的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件下，將富液在解吸塔內(nèi)進(jìn)行不同控制參數(shù)下的連續(xù)再生，再生后的貧吸收液繼續(xù)進(jìn)入吸收塔以實(shí)現(xiàn)液體的循環(huán)。富液進(jìn)入再生塔的溫度與再生塔釜溫差均保持約10 ℃[18 19]，運(yùn)行期間解吸塔頂氣相經(jīng)冷卻系統(tǒng)和氣液分離工藝，冷凝液經(jīng)流量測定后返回至塔內(nèi)。為了獲得不同循環(huán)工藝在穩(wěn)態(tài)下的參數(shù)，總操作時間不低于6 h，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間約為3 h，其中再生能耗計(jì)算取一定的穩(wěn)定運(yùn)行時間段，獲取解吸塔釜耗電總量與CO2解吸總質(zhì)量。不同實(shí)驗(yàn)批次的連續(xù)捕集實(shí)驗(yàn)的主要條件和結(jié)果見表4。

2.2.1 CO2捕集率和MEA濃度

在不同批次的連續(xù)運(yùn)行中，通過在線分析儀測定吸收塔和解吸塔中氣體進(jìn)出口的流量和CO2濃度，并計(jì)算吸收劑的捕集率，將結(jié)果繪制在圖4中。可以發(fā)現(xiàn)，整個運(yùn)行期間捕集工藝系統(tǒng)未發(fā)生嚴(yán)重干擾，CO2吸收率基本維持在90%附近。其中第19和第20組實(shí)驗(yàn)中，解吸塔出口分析儀顯示濃度大于100%，主要是CO2氣體分析儀產(chǎn)生了零點(diǎn)漂移，返廠進(jìn)行了校正處理。運(yùn)行期間解吸塔尾氣CO2濃度均大于98%。圖5描述了運(yùn)行期間吸收劑中MEA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。在系統(tǒng)運(yùn)行約40 h后，由于取樣導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)吸收劑體積較少，補(bǔ)加了新配置的MEA溶液，但在整個測試期間MEA濃度和水平能基本保持穩(wěn)定。

2.2.2 填料塔進(jìn)出口的吸收劑溶液負(fù)載

等時間間隔對吸收塔和再生塔進(jìn)出口的液體取樣分析，溶液的CO2負(fù)載如圖6所示，其中A1，A6，S1和S6分別代表吸收前、吸收后、解吸前、解吸后的樣品。每批次運(yùn)行條件在穩(wěn)定期間的循環(huán)負(fù)載變化不大，說明系統(tǒng)能達(dá)到較好的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。值得注意的是，富液負(fù)載基本低于2.00 mol/kg，達(dá)不到文獻(xiàn)中小試

實(shí)驗(yàn)條件下MEA吸收CO2的吸收容量[26 27]。這主要是因?yàn)樗O(shè)計(jì)的塔高及有效填料高度（約1.5 m）相對較小，氣液在填料中的停留時間較短，且受MEA傳質(zhì)速率影響，在吸收塔底部溶液黏度增加，影響了吸收傳質(zhì)效果。

比較第16、第17、第18組和第19、第20組實(shí)驗(yàn)，提高解吸塔釜的電加熱控制參數(shù)即增加控制參數(shù)將提高加熱功率，增大溶劑汽化量，發(fā)現(xiàn)再生后貧液負(fù)載降低，循環(huán)負(fù)載明顯增大，同時CO2吸收率也會上升，這在圖5中也能觀察到。將塔釜加熱控制參數(shù)從135增加到145時（實(shí)驗(yàn)第16組和第18組），塔頂冷凝液塔外回流量約增加1倍（由0.165 L/h增加到0.303 L/h），CO2解吸速率增加，而且吸收率和循環(huán)負(fù)載量均有增加。從第22、第23、第24組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降低混合氣中CO2濃度，盡管捕集率上升，但吸收富液負(fù)載偏低，溶劑循環(huán)捕集能力較小。可見，在滿足CO2捕集率的基礎(chǔ)上，權(quán)衡好氣體處理量、液氣比以及再生溫度等參數(shù)匹配至關(guān)重要。

2.2.3 再生能耗

圖7為連續(xù)測試期間一定時間間隔計(jì)算的再生能耗變化趨勢，每次運(yùn)行初期的能耗偏大主要是由于富液升溫和再生塔控溫過程中，CO2解吸量較少的緣故。當(dāng)每批操作運(yùn)行穩(wěn)定時，再生能耗趨于平緩穩(wěn)定。不同批次穩(wěn)定階段的再生能耗基本為7～9 MJ/kg，這與工業(yè)規(guī)模的報(bào)道數(shù)據(jù)有很大差異[28 29]。值得注意的是，這些結(jié)果與其他實(shí)驗(yàn)室中試規(guī)模裝置測定MEA的結(jié)果相近（11.7 MJ/kg）[30]。能耗偏高主要是因?yàn)椋?）本中試裝置再生塔釜采用電加熱的方式，電熱轉(zhuǎn)換有效用于溶液加熱的能量效率需考慮，這在其他文獻(xiàn)中也出現(xiàn)類似情況[31]；2）塔段采用外層保溫措施，但塔徑比較小，沿塔熱散損失較大；3）本實(shí)驗(yàn)操作液氣比相對比較大，這與模型預(yù)測的能耗結(jié)果趨勢呈現(xiàn)一致性[32]。因此，為客觀比較不同吸收體系的捕集性能，需要在相同的操作設(shè)備和環(huán)境中進(jìn)行對比研究。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同條件下提高塔釜加熱控制參數(shù)，能耗呈上升趨勢，這表明在一定再生溫度下溶劑汽化量的提高對耗電量的影響要大于對CO2解吸量的影響。另外，研究發(fā)現(xiàn)，降低混合氣CO2分壓對能耗的影響比較明顯，對比第22和第24組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)進(jìn)口濃度從18%減少至10%時，再生能耗顯著增加，然而捕集率僅提高3%。第21、第22組實(shí)驗(yàn)為相同條件下的2個批次運(yùn)行，其穩(wěn)定狀態(tài)下的關(guān)鍵性能參數(shù)相接近，也驗(yàn)證了該裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和可重復(fù)性。在液體流量為5 L/h、氣體流量為8 L/min（N2：6.56，CO2：1.44）、塔釜加熱控制參數(shù)140、再生溫度105.5 ℃的操作條件下，吸收率可達(dá)90%以上，循環(huán)負(fù)載約為0.67 mol/kg，再生能耗約為8.5 MJ/kg。此結(jié)果可為后續(xù)進(jìn)行新型吸收劑測試和對比研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 語

1）以CO2吸收率η和總體積傳質(zhì)系數(shù)KGav作為評價(jià)指標(biāo)，在CY 700絲網(wǎng)規(guī)整填料中試塔內(nèi)評價(jià)了主要操作條件對30% MEA水溶液吸收CO2傳質(zhì)性能的影響。在考察的條件范圍內(nèi)，增大液體流量和降低吸收劑貧液負(fù)載對低濃度CO2混合氣進(jìn)行處理，有利于增強(qiáng)塔內(nèi)傳質(zhì)性能，但氣體總流量對KGav和η的影響并不顯著。

2）連續(xù)吸收 解吸捕集工藝裝置在約80 h循環(huán)中系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，未產(chǎn)生明顯擾動。系統(tǒng)內(nèi)氣體流量和CO2進(jìn)出口濃度平穩(wěn)，優(yōu)化方案可實(shí)現(xiàn)90%吸收率的基本捕集指標(biāo)；在模擬干煙氣吸收時，運(yùn)行期間MEA濃度基本保持穩(wěn)定，增加塔釜加熱參數(shù)提高了溶劑汽化量，循環(huán)負(fù)載和再生能耗均顯著增加。

3）在優(yōu)化的操作條件下（即液體流量為5 L/h、液氣比為7.86 kg/kg、塔釜控制參數(shù)為140、再生溫度為105.5 ℃），CO2捕集率≥90%，再生能耗約為8.5 MJ/kg，循環(huán)負(fù)載約為0.67 mol/kg。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為在該CY 700填料塔裝置中考察新一代吸收劑的對比參考依據(jù)。

4）MEA吸收劑作為對比基準(zhǔn)體系，其濃度和溫度均采用工業(yè)常用的參數(shù)；另外，采用的模擬氣源中不含水氣，長期運(yùn)行中水分損失應(yīng)加以考慮，這些可在后續(xù)研究中采用模擬濕煙氣并控制水的平衡，進(jìn)一步完善捕集性能實(shí)驗(yàn)方案。

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