鼓泡式反應(yīng)器高徑比對氨法煙氣脫碳性能的影響

彭遠昌，趙兵濤，李蕾蕾，陶雯雯

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

由化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2引起的溫室效應(yīng)已成為全球關(guān)注的環(huán)境、科學(xué)、經(jīng)濟問題［1-2］。高效、清潔、經(jīng)濟的CO2捕捉與封存（CCS）技術(shù)已成為當前研究的熱點。國內(nèi)外的CCS技術(shù)主要包括化學(xué)法、物理法和生物法。化學(xué)法包括化學(xué)吸附和吸收法［3］、膜分離法［4］以及化學(xué)鏈燃燒富集法［5］；物理法包含CO2的地下封存與隔離技術(shù)［6］；生物法分為陸生植被生物固定技術(shù)［7］和海洋生物固定技術(shù)［8］等。其中化學(xué)法因操作簡便、吸收效率高、經(jīng)濟價值高、工藝成熟等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用［9］。化學(xué)法常以堿液（強堿或弱堿）作為吸收劑脫除燃燒煙氣中的CO2。強堿主要指的是NaOH或KOH水溶液，弱堿一般為醇胺溶液和氨水溶液。強堿溶液具有腐蝕性強、循環(huán)性差、運營成本高等缺點［10］，弱堿溶液中的醇胺溶液具有再生能耗高、對系統(tǒng)腐蝕性強和易氧化降解等缺點［11］，因此適用性均受到限制。相比之下，氨水具有高吸收能力、高負載容量、低循環(huán)再生能耗和來源豐富等優(yōu)點，產(chǎn)物亦可用于改良土壤［12］，因此得到廣泛應(yīng)用。

鼓泡式反應(yīng)器是一種被廣泛應(yīng)用的吸收反應(yīng)設(shè)備，利用其進行燃燒煙氣氨法脫碳是一種可行的方法和技術(shù)［13-14］。鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)（尤其是高徑比）對其性能的影響較大。相同反應(yīng)條件下，不同高徑比對于氣液接觸面積和接觸時間的影響不同。目前該領(lǐng)域的研究較為欠缺。

本工作研究了鼓泡反應(yīng)器的高徑比以及反應(yīng)條件對氨法煙氣脫碳性能的影響，為氨法煙氣脫碳工藝和工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，因此在CCS技術(shù)中有良好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

氨水：質(zhì)量分數(shù)28%，分析純。

N2和CO2：上海浦江氣體有限公司。實驗用模擬燃燒煙氣由N2和CO2按不同體積比配制而成。

GXH-3010E1型多功能煙氣（CO2）分析儀：北京市華云分析儀器研究所。

1.2 實驗原理

氨水吸收燃燒煙氣中CO2的過程由一系列復(fù)雜的可逆化學(xué)反應(yīng)組成［15-17］，反應(yīng)方程式見式（1）～式（5）。

1.3 實驗流程

實驗裝置示意見圖1，主要包括以下部分：模擬煙氣鋼瓶、氣體流量計、鼓泡式反應(yīng)器、恒溫水浴、洗氣瓶、干燥管以及多功能煙氣（CO2）分析儀。

圖1 實驗裝置示意

設(shè)計了3種高徑比分別為0.93，2.04，3.98的鼓泡式反應(yīng)器。在反應(yīng)器中加入200 mL一定質(zhì)量分數(shù)的氨水作為吸收劑。模擬煙氣從鋼瓶中放出，經(jīng)過減壓閥和氣體流量計進入鼓泡式反應(yīng)器，經(jīng)氨水吸收CO2后的模擬煙氣依次通過洗氣瓶和干燥管，最終進入多功能煙氣（CO2）分析儀。

1.4 分析方法

采用多功能煙氣（CO2）分析儀測定煙氣中CO2體積分數(shù)，計算CO2吸收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨水中氨質(zhì)量分數(shù)對CO2吸收率的影響

在進氣CO2體積分數(shù)為15%、模擬煙氣流量為1.5 L/min、反應(yīng)溫度為20℃的條件下，氨水中氨質(zhì)量分數(shù)對CO2吸收率的影響見圖2。由圖2可見：隨氨質(zhì)量分數(shù)的增加，CO2吸收率逐漸增大；當氨質(zhì)量分數(shù)由7%增至28%時，在高徑比為0.93的條件下，CO2吸收率增加幅度最大，約為6.4%；相同氨質(zhì)量分數(shù)的條件下，隨高徑比的增加，CO2吸收率逐漸增大；在氨質(zhì)量分數(shù)為7%的條件下，CO2吸收率增加幅度最大，約為7.0%。從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)角度分析，增加氨質(zhì)量分數(shù)相當于增加了反應(yīng)物濃度，反應(yīng)會向正方向移動，從而提高反應(yīng)速率，導(dǎo)致CO2吸收率增加。文獻［18］和［19］也得出了相似的結(jié)論。增加高徑比可使氣液兩相在鼓泡塔內(nèi)的停留時間增加，保證了氨水與模擬煙氣間的充分接觸。所以，增加高徑比是提高CO2吸收率的有效措施。

圖2 氨水中氨質(zhì)量分數(shù)對CO2吸收率的影響

2.2 進氣CO2體積分數(shù)對CO2吸收率的影響

在氨水質(zhì)量分數(shù)為14%、模擬煙氣流量為1.5 L/min、反應(yīng)溫度為20 ℃的條件下，進氣CO2體積分數(shù)對CO2吸收率的影響見圖3。由圖3可見：CO2吸收率隨進氣CO2體積分數(shù)的增加而逐漸降低；當高徑比為0.93時，進氣CO2體積分數(shù)由10%增至20%，CO2吸收率由96.3%降至91.4%，下降了4.9%；在相同進氣CO2體積分數(shù)的條件下，CO2吸收率隨高徑比的增加而增加。這主要是因為，CO2體積分數(shù)的增加，雖然在一定程度上增大了氣相傳質(zhì)推動力，但同時減小了氨碳摩爾比，從而導(dǎo)致CO2吸收率下降。

圖3 進氣CO2體積分數(shù)對CO2吸收率的影響

2.3 模擬煙氣流量對CO2吸收率的影響

在氨水質(zhì)量分數(shù)為14%、進氣CO2體積分數(shù)為15%、反應(yīng)溫度為20 ℃的條件下，模擬煙氣流量對CO2吸收率的影響見圖4。由圖4可見：CO2吸收率隨模擬煙氣流量的增加略有下降；當高徑比為0.93時，模擬煙氣流量由1.0 L/min增至2.5 L/min，CO2吸收率由97.2%降至92.5%，下降幅度為4.7%。這是由于，增加模擬煙氣流量導(dǎo)致反應(yīng)物中氨碳摩爾比減小，減小了化學(xué)反應(yīng)推動力，從而使得CO2吸收率下降。并且模擬煙氣流量過大會帶走部分氨水，造成吸收劑損失，進一步減小氨碳摩爾比。

圖4 模擬煙氣流量對CO2吸收率的影響

2.4 反應(yīng)溫度對CO2吸收率的影響

在氨水質(zhì)量分數(shù)為14%、進氣CO2體積分數(shù)為15%、模擬煙氣流量為1.5 L/min的條件下，反應(yīng)溫度對CO2吸收率的影響見圖5。由圖5可見：隨反應(yīng)溫度的升高，CO2吸收率略有增加；反應(yīng)溫度較高時，增幅減小；當高徑比為0.93時，反應(yīng)溫度對CO2吸收率的影響最為明顯，反應(yīng)溫度由10 ℃升至40 ℃，增幅達5.8%。這與文獻［19］所述規(guī)律類似。這是因為：從動力學(xué)角度看，隨反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)活化分子數(shù)量增多，化學(xué)反應(yīng)推動力增強，使得反應(yīng)速率和CO2吸收率增加；從熱力學(xué)角度看，由于CO2的吸收反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，因此隨反應(yīng)溫度的進一步升高，逆反應(yīng)速率的增加快于正反應(yīng)速率，反應(yīng)平衡向反方向移動，同時溫度升高降低了CO2在氨水中的溶解度，增加了CO2的傳質(zhì)阻力，所以導(dǎo)致CO2吸收率的增幅減小。

圖5 反應(yīng)溫度對CO2吸收率的影響

2.5 小結(jié)

在高徑比為3.98、氨水質(zhì)量分數(shù)為28%、進氣CO2體積分數(shù)為10%、模擬煙氣流量為1.0 L/min、反應(yīng)溫度為40 ℃的條件下，采用氨水吸收模擬煙氣中的CO2，CO2吸收率最高可達100%。

3 結(jié)論

a）以N2和CO2混合氣模擬燃燒煙氣，研究了鼓泡反應(yīng)器的高徑比以及反應(yīng)條件對氨法煙氣脫碳性能的影響。CO2吸收率隨高徑比的增加而增大。在高徑比為3.98、氨水質(zhì)量分數(shù)為28%、進氣CO2體積分數(shù)為10%、模擬煙氣流量為1.0 L/min、反應(yīng)溫度為40 ℃的條件下，CO2吸收率最高可達100%。

b）在高徑比為0.93的條件下，氨水質(zhì)量分數(shù)由7%增至28%時，CO2吸收率增幅達6.4%；進氣CO2體積分數(shù)由10%增至20%時，CO2吸收率降幅為4.9%；模擬煙氣流量由1.0 L/min增至2.5 L/min時，CO2吸收率降幅為4.7%；反應(yīng)溫度由10 ℃升至40℃時，CO2吸收率增幅達5.8%。

c）增加高徑比可使氣液兩相在鼓泡塔內(nèi)的停留時間增大，保證了氨水與模擬煙氣間的充分接觸，是提高CO2吸收率的有效措施。

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