氨水鼓泡吸收模擬煙道氣中CO2的研究

張 君，陳明功，郭后兵

（1.淮北師范大學化學與材料科學學院，安徽淮北235000；2.安徽理工大學化學工程學院）

2009年的哥本哈根氣候變化會議使得“全球變暖”成為各國政府和人們廣泛關注的話題。燃燒化石能源導致大氣層中CO2含量增加，是引起全球變暖的主要原因，而煤炭作為全球主要能源之一，進一步加劇了大氣中CO2濃度的增加。因此氣候變化國際公約《京都議定書》向全世界提出倡議，限制溫室氣體CO2排放，緩解地球變暖的惡化趨勢。另一方面，全球農業的發展需要大量化肥，特別像我國這樣的農業大國，更需要大量低價、高效的肥料，而燃煤煙氣中大量的CO2正是合成碳銨類化肥所需的基本原料之一。據有關研究［1］可知，碳銨類化肥在被植物吸收過程中有50%以上的碳酸根被固定，其余部分分解，放出的CO2也有利于植物的光合作用。如果以電廠鍋爐煙道氣中的CO2為原料生產NH4HCO3，既減少了CO2溫室氣體排放，又可變廢為寶。與傳統的CO2分離、濃縮、儲存方法相比，CO2達到了永久性脫除的目的。國內外關于氨法脫除CO2的研究也有相關報道：文獻［2］將氨氣與水蒸氣混合后直接噴入模擬煙道氣中與CO2反應；文獻［3－4］采用篩板塔對氨水逆流吸收煙氣中的CO2進行研究。本課題采用氨水直接鼓泡法吸收模擬煙氣中的CO2，研究氨水濃度、氣體中CO2含量和氣體流量等因素對CO2脫除率的影響，并對反應生成物進行分析。

1 實 驗

1.1 主要儀器與試劑

儀器：1213型氣體在線分析儀，廣思科技上海有限公司生產；LECO2000－CHN分析儀，德國Elementar公司生產。

試劑：CO2氣體，分析純，南京特種氣體公司生產；氨水，分析純，上海蘇懿化學試劑有限公司生產。

1.2 實驗裝置及流程

實驗裝置及流程示意見圖1。離心風機壓縮的空氣與來自鋼瓶流經減壓閥減壓的CO2氣體在混合緩沖罐內充分混合，模擬不同CO2含量的煙道氣，利用氣體流量計控制流量后進入反應槽內與氨水反應，利用pH自動控制系統將氨水輸入反應槽內以保持恒定的pH值，沒有反應的氣體鼓泡析出，用稀硫酸溶液吸收尾氣帶出的氨，凈化后排出。

圖1 實驗裝置及流程示意1—CO2鋼瓶；2—氣體混合緩沖器；3—氣體流量計；4—離心風機；5—反應槽；6—pH控制器；7—管式抽油泵；8—出液槽；9—氨水儲槽；10—稀硫酸吸收瓶

1.3 分析測試

實驗中通過氣體流量計調節氣體流量，利用1213型氣體在線分析儀測定反應槽進出口氣體中CO2的含量；CO2脫除率定義為：式中：η為CO2脫除率，%；ci為進口氣體中CO2體積分數；co為出口氣體中CO2體積分數。

利用LECO2000－CHN分析儀分析反應生成液體經結晶、過濾得到晶體的C，H，N元素含量。

2 結果與討論

2.1 氨水濃度對CO2脫除率的影響

在室溫下，分別向反應槽和氨水儲槽中加入質量分數為6%，8%，10%，12%，14%的氨水1 000mL和500mL，采用氣體流量計控制氣體流量為0.6L/min，混合氣體中CO2體積分數為10%，待反應氣相組成穩定后，檢測反應槽出口氣體CO2的體積分數。氨水濃度與CO2脫除率的關系見圖2。由圖2可知：CO2脫除率隨氨水濃度的增加而增大，當吸收液中氨水質量分數大于8%時，CO2脫除率的增加趨于緩慢；但隨著氨水濃度的增加，氨的溢出量增加非常明顯。因此結合本實驗研究結果并綜合考慮降低成本和減少二次污染，確定適宜的氨水質量分數為8%～10%。

圖2 氨水濃度與CO2脫除率的關系

2.2 混合氣體中CO2含量對CO2脫除率的影響

在室溫下向反應槽和氨水儲槽中分別加入1 000mL和500mL質量分數為8%的氨水，將CO2體積分數為8%，12%，16%，20%的模擬煙道氣分別通入反應槽中，控制氣體流量為0.6 L/min，測試反應槽出口CO2含量。混合氣體中CO2含量與CO2脫除率的關系見圖3。由圖3可見，在氨水濃度不變的情況下，CO2脫除率隨著入口氣體中CO2含量的增大而降低，因此煙氣中CO2含量的增加對吸收過程不利，但實際煙道氣中CO2的含量受到燃燒種類、燃燒程度和鍋爐等多重因素影響，綜合考慮，入口氣體中CO2體積分數在10%左右較為合適。

?圖3 CO2含量與CO2脫除率的關系

2.3 入口氣體流量與CO2脫除率的關系

在室溫下向反應槽和氨水儲槽中分別加入1 000mL和500mL質量分數為8%的氨水，控制氣體流量分別為0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 L/min，連續向反應槽中通入CO2體積分數為10%的模擬煙道氣，反應穩定后，測定出口氣體CO2的體積分數。入口氣體流量與CO2脫除率的關系見圖4。從圖4可以看出，隨著入口氣體流量的增加，CO2的脫除率降低。其原因可能是氣體流量增加，導致流速增大，氣體在液相中停留時間縮短，傳質阻力主要為液膜阻力，CO2來不及與氨水反應就隨著氣流主體從液相中排出。降低入口氣體流量雖然可以提高CO2脫除率，但氣體的處理量下降，綜合考慮，氣體流量控制在0.6L/min左右較為適宜。

圖4 入口氣體流量與CO2脫除率的關系

2.4 介質阻擋法與氨水直接鼓泡法吸收CO2的結果對比

在室溫下，分別向反應槽和氨水儲槽中加入質量分數為6%，8%，10%，12%，14%的氨水1 000mL和500mL，反應槽中加入少量沸石，采用氣體流量計控制氣體流量為0.6L/min，混合氣體中CO2體積分數為10%，待反應氣相組成穩定后，檢測反應槽出口氣體CO2的體積分數，計算不同氨水含量下CO2的脫除率，并與氨水直接鼓泡法吸收CO2的結果進行對比，結果見圖5。從圖5可以看出，在相同的實驗條件下，反應槽中加入少量的沸石可明顯提高CO2的脫除率，且氨水含量越高這一趨勢越明顯。其原因可能是沸石促使部分氣泡破裂，降低氣相傳質阻力，提高吸收反應速率，同時由于沸石的阻擋增加了氣體在液相內的停留時間，使CO2與氨水的反應更加完全，因此在氨水中添加少量的介質可提高CO2的脫除效果。

圖5 氨水直接鼓泡法與介質阻擋法氨水濃度與CO2脫除率的關系對比■—直接鼓泡法；●—介質阻擋法

2.5 固體生成物分析結果

氨水吸收CO2的反應過程較為復雜，主要有碳酸化反應、水解反應等，產物可能含有碳酸氫銨、氨基甲酸銨、碳酸銨以及各種復鹽。將反應后的液體經結晶、過濾，用干燥濾紙吸干樣品表面水分，采用LECO2000－CHN儀器分析晶體中C，H，N元素含量，結果見表1。從表1可以看出，樣品N質量分數在17.52%～18.22%之間。而NH4HCO3理論N質量分數為17.72%，（NH4）2CO3理論N質量分數為29.17%，NH2COONH4理論N質量分數為35.90%，故可判斷產物主要成分為碳酸氫銨。

表1 不同反應生成的固體結晶C，H，N含量

3 結 論

（1）利用氨水鼓泡法吸收模擬煙氣中的CO2并副產碳酸氫銨，可以達到永久性脫除CO2的目的。

（2）氨水鼓泡法吸收模擬煙氣中CO2的適宜條件為：氨水質量分數8%～10%，CO2體積分數10%，入口氣體體積流量0.6L/min。

（3）在氨水中添加少量的沸石可明顯提高CO2的脫除率。

（4）不同反應條件下氨水鼓泡法吸收模擬煙氣中CO2后生成晶體的主要成分為碳酸氫銨。

［1］ 張志明，畢庶春，李繼云，等.長效碳酸氫銨理化特性及增產機理的研究［J］.中國科學（B輯），1996，26（5）：453－459

［2］ Lee J W，Li Rongfu.Integration of fossil energy systems with CO2sequestration through NH4HCO3production［J］.Energy Conversion and Management，2004，43（9）：1535－1546

［3］ Diao Yongfa，Zheng Xianyu，Chen Changhe.Experimental study on capturing CO2greenhouse gas by ammonia scrubbing［J］.Energy Conversion and Management，2004，45（13/14）：2283－2296

［4］ Liu Jinzhao，Wang Shujuan，Zhao Bo，et al.Absorption of carbon dioxide in aqueous ammonia［J］.Energy Procedia，2009，1（1）：933－940