CO2液相吸收設備的應用現狀與進展

楊靜怡，高姣麗，曹麗瓊，成懷剛，薛芳斌

(山西大學 資源與環境工程研究所 CO2減排與資源化利用教育部工程研究中心，山西 太原 030006)

為了緩解溫室效應對全球氣候的影響，對溫室氣體CO2吸收過程的研究得到了廣泛關注[1]。CO2吸收劑種類很多，主要包括固態金屬氧化物、液體有機醇胺等。在CO2的吸收劑中，液相吸收劑對CO2的吸收率比較高，其中除醇胺溶液以外還可以使用氨水及熱鉀堿溶液等堿性溶液。目前利用液相吸收劑對CO2進行吸收的反應體系已經相對成熟，由此也催生了多種反應設備，而選擇合適的吸收設備型式是進行CO2吸收工藝的關鍵環節之一。

據已有關于CO2吸收的研究，吸收過程可以通過多種設備完成，最常見的主要有釜式設備、塔式設備、膜反應器及超重力反應器等。根據工藝目的和設備型式的差異，吸收設備的工作能力一般按照CO2的吸收率或去除率來予以表征。釜式設備通過控制釜內的溫度來促進吸收劑對CO2的吸收或去除[2]。塔式設備包括噴淋塔、填料塔和鼓泡塔等多種形式，且不同形式的吸收塔對應不同的氣液接觸形式，通過控制氣液流量等操作條件實現對CO2的高效吸收。膜反應器通過膜組件將CO2與吸收劑分隔開，可以克服傳統反應器中的鼓泡、溢流等現象[3]，提高了CO2的吸收率。超重力反應器通過填料和轉子來強化吸收過程，填料加大了吸收劑與CO2的接觸面積，而轉子使氣液接觸面不斷更新，兩者共同作用進一步提高了CO2的吸收率或去除率[4]。本文綜述了上述四種吸收設備的裝置型式與使用效果，為CO2吸收設備的選型提供參考。

1 釜式設備

釜式設備是應用最廣泛的CO2吸收設備，其耐熱和耐壓性能較好，且可以根據具體的反應條件來選擇不同的攪拌及加熱方式。

釜式設備常用的攪拌裝置為磁力間接攪拌，通過攪拌作用增大吸收劑的湍流程度，以減小氣液兩相的傳質阻力，從而提高CO2的吸收率。陽濤等[5]使用磁力攪拌槳，以1-氨丙基-3-甲基溶液為吸收劑對CO2進行吸收，結果表明，當溫度為5 ℃時，CO2的吸收率約為94%。除此之外，反應釜常用的攪拌裝置還有機械直接攪拌[6]和超聲外場強化等方式。

釜式設備的加熱方式多樣，如熱夾套加熱、內盤管加熱、電磁加熱等。加熱裝置可以調節反應釜內的溫度，以達到最佳吸收條件。Ramezani等[7]利用一乙醇胺和裂解鉀的混合溶液對CO2進行吸收時，用熱夾套控制反應釜內的溫度。研究結果表明，當反應溫度為30 ℃時，每摩爾吸收劑對CO2的吸收量最高為0.64摩爾。但是，熱夾套傳熱性能差，導致CO2的吸收量較低。因此，Azhgan等[8]以1，5-二氨基-2-甲基戊烷水溶液為吸收劑在反應釜中對CO2進行小型吸收實驗時，利用了恒溫水循環器將溫度控制在設定點。研究結果表明，當實驗溫度為30 ℃時，每摩爾吸收劑對CO2的吸收量最高為 1.21 mol。

在實際生產過程中，釜式設備操作簡便，攪拌及加熱方式多樣，溫度適用范圍廣，能滿足多種反應條件。

2 塔式設備

塔式設備有填料塔、噴淋塔和鼓泡塔等多種形式，其氣液接觸方式多樣，因其操作靈活而得到了廣泛的應用。

填料塔適用于吸收劑以膜狀與CO2進行接觸的反應，填料是其重要裝置，包含散堆和規整兩種填料形式[9]，其作用是加大吸收劑與CO2的接觸面積，從而促進CO2的吸收。馬雙忱等[10]在立式填料塔中用散堆陶瓷垃西環作為填料，利用氨水脫除煙氣中的CO2，結果表明在最佳條件下，CO2在1 min內的吸收率或去除率為90%以上。但是，散堆填料會引起溝流及壁流現象，為避免這些現象，Tan等[11]使用波紋板規整填料進行CO2的脫除反應，結果表明當塔內壓力為1 MPa時，CO2的去除率可以達到95%。

噴淋塔適用于吸收劑以液滴狀與CO2進行接觸的反應，與填料塔相比，噴淋塔結構更簡單，只需在塔頂安裝噴嘴即可提高吸收劑的霧化程度，進而提高噴淋塔對CO2的吸收率。Xu等[12]以氨水作為吸收劑在噴淋塔中進行CO2的吸收實驗，通過壓力旋流噴嘴將氨水霧化，在溫度為30 ℃時，CO2去除率為56%。壓力旋流噴嘴結構簡單、制作成本低，但這種噴嘴易堵塞，影響了噴淋塔對CO2的吸收效果。為改善壓力旋流噴嘴的這一缺點，吳彬[13]在噴淋塔內利用單乙醇胺對CO2進行吸收時，用離心式噴嘴對單乙醇胺進行霧化，研究結果表明當溫度為40 ℃，氣體進口流速為2 m/s時，CO2的吸收率為96%左右。

鼓泡塔適用于吸收劑以氣泡狀與CO2接觸的反應。氣體分散器作為核心裝置，通過將CO2氣流分散成微小的CO2氣泡，加大氣液接觸面積，從而提高鼓泡塔對CO2的去除率[14]。氣體分散器的孔徑大小是影響CO2吸收的重要因素。Pashaei等[15]在鼓泡塔中，研究單乙醇胺對CO2的吸收效果時，采用孔徑為1 000 μm的六孔不銹鋼氣泡分散板對CO2進行分散，結果表明當CO2分壓為0.3 kPa時，CO2的去除率為56%。但是，這種氣泡分散器的孔徑過大，導致CO2與吸收劑的接觸不充分，從而影響了鼓泡塔對CO2的吸收。馬雙忱等[16]利用氨水為吸收劑吸收CO2時，在鼓泡塔中將孔徑為30～ 50 μm 的玻璃砂芯漏斗作為氣體分散器，研究證實，當溫度為45 ℃時，CO2的去除率約為98%。

填料塔和噴淋塔結構多樣，適用于處理量大，需要控制液氣比的反應。鼓泡反應塔結構簡單，氣泡分散器多樣，體積較小，一般適用于小型吸收過程。

3 膜反應器

膜反應器是新興的吸收設備，氣液兩相逆流進入膜反應器內進行反應[17]，不同的膜接觸器具有不同的高度及膜組件結構。

膜組件作為膜反應器中的核心裝置，其作用是將吸收劑與氣體分隔開，防止產生鼓泡、溢流等現象。膜組件具有平直形、螺旋形和編織形等多種結構[18]，不同的結構傳質面積不同，對CO2的去除率也不同。Mejia[19]分別用螺旋形和平直形膜組件在膜反應器中對CO2的傳質性能進行研究，結果發現膜組件為螺旋形的反應器對CO2的傳質系數比平直形的高3～4倍。傳質過程得以顯著增強的原因在于螺旋形的膜組件具有彎曲的幾何結構，與平直形膜組件相比，其氣液傳質面積更大，因此對CO2的吸收率更高。但是，螺旋形的膜組件制作工藝復雜，為克服這個缺點，Wang[20]在膜反應器內使用編織形膜組件進行研究，結果證實CO2的去除率可達到96%左右。

膜反應器的高度對CO2的吸收或去除也有影響，Gao等[21]利用甘氨酸和一乙醇胺的混合溶液為吸收劑，考察了膜組件高度對CO2去除率的影響，研究發現，當液體速度約為0.09 m/s，膜反應器的高度從0.2 m增加到0.6 m時，CO2的去除率從30%增加到68%左右。這是由于隨著膜組件高度的增加，氣體的傳質面積增大。

膜反應器設備占地面積小、能耗低、操作方便，但膜反應器投資成本普遍較高[22]。通過改進膜組件的結構和穩定性從而降低膜反應器的成本，是促進其不斷推廣的前提。

4 超重力反應器

超重力反應器也稱旋轉填料床，是一種新型化工強化設備，主要通過轉子高速旋轉產生穩定的離心力來強化CO2與吸收劑的傳質過程。

超重力反應器常用的填料有不銹鋼絲網填料和多孔波紋板規整填料等形式，填料的存在可以加大吸收劑與CO2的接觸面積，從而提高吸收率。趙晨希等[23]以甘氨酸鈉溶液作為吸收劑，在旋轉填料床中進行CO2的吸收實驗，通過不銹鋼絲網將吸收劑切割成更小的液膜，在溫度為85 ℃時，CO2的吸收率約為70%。但是，不銹鋼絲網填料存在氣阻大、易堵塞等問題，會降低旋轉填料床對CO2的吸收率。為了解決這些問題，邢銀全等[24]利用N-甲基二乙醇胺和烯胺三乙烯四胺組成的混合溶液為吸收劑對CO2進行吸收時，在旋轉填料床中使用多孔波紋板規整填料。研究結果表明，當溫度為40 ℃時，CO2的吸收率可達到85%左右。

轉子是超重力反應器的另一核心部件，其通過高速旋轉產生的離心力使CO2與吸收劑的接觸面不斷更新，從而提高CO2的去除率。Ma等[25]在利用單乙醇胺、2-甲基氨基乙醇及哌嗪等有機胺溶液對CO2進行吸收的過程中，通過改變轉子的轉速來改變旋轉填料床對CO2的吸收率。結果表明，當轉子轉速從600 r/min提高至1 800 r/min時，CO2的去除率可以從76%增加到95%左右。

與其他吸收設備相比，超重力反應器具有設備占地面積小、投資成本低及易于移動等優勢[26]，因此在工業中的應用越來越廣泛。

5 結束語

CO2吸收是一項重要的化工過程，吸收設備也隨著研究的深入而不斷更新，釜式設備、塔式設備、膜反應器及超重力反應器已經能適應多種吸收工藝。在實際生產中，反應釜的攪拌及加熱方式多樣，溫度變化范圍廣，通常適用于對操作溫度要求較高的反應，對CO2的吸收率可達到95%左右。與釜式設備相比，塔式吸收設備結構多樣，適用范圍廣，其中填料塔和噴淋塔適用于生產規模大，需要控制液氣比的過程，對CO2的吸收率或去除率高達98%左右；鼓泡反應塔結構較簡單，占地面積小，適用于小型反應。與傳統吸收設備相比，膜反應器內的吸收劑與CO2不直接接觸，不會產生鼓泡、溢流等現象，其對CO2的去除率可達到96%左右。超重力反應器主要借助高速旋轉產生的離心力以強化對CO2的吸收，填料和轉子的雙重強化作用可以使CO2的去除率達到95%左右，且超重力反應器占地面積小，易于靈活操作。

CO2吸收設備種類多樣，在實際生產過程中，要考慮工業化應用與實驗研究階段的有效銜接。對于實驗室進行的吸收反應，要實現這些設備的大規模應用，還需要對設備型式不斷地進行改進。