苛性堿吸收模擬燃煤電廠煙氣CO2性能研究

王 亮， 劉 飛， 厲宸希， 祁志福，5，翁建明， 楊 睿， 劉 羽， 申 震，5

（1.浙江浙能嘉華發電有限公司，浙江嘉興 314201；2.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121；3.工業新水源技術浙江省工程研究中心，杭州 311121；4.浙江大學清潔能源利用國家重點實驗室，杭州 310027；5.浙江省太陽能利用及節能技術重點實驗室，杭州 311121）

隨著CO2排放對全球氣候變化的影響逐步加劇，世界各國紛紛倡導低碳發展。我國更是提出了2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的目標［1］。2019年煤炭占我國一次能源消費的58%［2］，其CO2排放量占全國CO2排放總量的80%［3］。而燃煤電廠碳捕集是當前碳減排的有效措施［4-5］，碳捕集技術分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒技術［6］。其中，燃燒后捕集因對電廠現有系統改造最少而受到廣泛關注［7］，其捕集方法主要包括化學吸收法、固體吸附法以及膜分離法等［8-9］。

目前，燃煤煙氣CO2捕集應用最成熟的技術是基于醇胺溶液的化學吸收法［10-12］，其利用醇胺吸收液在低溫（～40℃）下與CO2發生化學反應，并利用電廠低壓蒸汽加熱吸收了CO2的富液，使CO2在高溫（100～120℃）下被解吸，同時醇胺吸收液得以再生。該技術具有CO2捕集率高（＞90%）、CO2回收純度高（＞99%）、煙氣適應性好等優點，但目前由于吸收液再生能耗高和醇胺易降解、逃逸等問題，使得系統運行成本偏高，限制了該技術的廣泛應用。

雙堿法碳捕集技術以苛性堿作為CO2吸收液，以氫氧化鈣為再生劑使苛性堿吸收液再生，實現吸收液的循環利用，同時產生具有經濟附加值的碳酸鈣，是較有前景的碳捕集技術。其中，苛性堿具有與CO2反應速率快、CO2捕集效率高、不降解、難揮發和成本低等優點，可大幅提高吸收效率，降低吸收液損耗，同時不對環境造成二次污染。且該技術的吸收塔使用效率更高，占地面積更小，更有利于現有電廠的改造。筆者基于雙堿法碳捕集技術，對苛性堿CO2吸收過程進行研究，并對其進行優化設計。

1 實驗方法

1.1 化學試劑與氣體

吸收液為NaOH溶液，由NaOH（純度≥98.0%）與H2O配置得到。

鹽酸（HCl）標準滴定溶液通過GB／T 601—2016《化學試劑標準滴定溶液的制備》［13］中鹽酸標準滴定溶液配制方法配制得到，標定濃度為0.203 7 mol／L。

實驗模擬煙氣由CO2氣體（純度99.999%）與空氣混合得到，其中CO2體積分數為15%，接近燃煤電廠煙氣中的CO2體積分數。

1.2 CO2捕集實驗

圖1為CO2吸收塔示意圖，模擬煙氣從散堆填料吸收塔（以下簡稱吸收塔）的下部進入，自下而上由塔頂排出。吸收液從吸收塔的上部進入，自上而下與煙氣在塔內逆流接觸，吸收了CO2的富液從塔底排出。吸收塔內徑為60 mm，每段填料高度為40 cm。填料選用直徑4 mm、高度4 mm不銹鋼材質的狄克松環，比表面積為0.004 3 m2／g。吸收塔位置1～位置5分別代表吸收塔自上而下4段填料的首尾處。

圖1 CO2吸收塔示意圖Fig.1 Schematic diagram of CO2 absorber

模擬煙氣體積流量為4 m3／h，煙氣采用伴熱帶加熱，可編程邏輯控制器控制加熱溫度，吸收塔進口溫度控制在30℃，壓力約為103 k Pa，吸收塔采用保溫棉保溫。進出口CO2濃度通過testo 350煙氣分析儀測得，精度為±0.3%+讀數的1%。吸收液中各組分濃度通過瑞士萬通916 TI-TOUCH的電位滴定儀測得。

CO2捕集率ηCO2定義如下：

式中：φin為吸收塔進口煙氣中CO2體積分數，%；φout為吸收塔出口煙氣中CO2體積分數，%；nin為吸收塔進口煙氣摩爾流量，mol／h；nout為吸收塔出口煙氣摩爾流量，mol／h。

假設吸收過程模擬煙氣中只有CO2氣體含量發生變化（煙氣分析儀具有除水功能，可認為吸收塔進出口煙氣中水蒸氣含量未發生變化），CO2以外的其他氣體摩爾流量（nair）不變。

式（2）代入式（1），可得：

1.3 CO2吸收過程模擬

采用Aspen Plus流程模擬平臺模擬CO2吸收過程，并與實驗結果進行對比，通過分析溫度、濃度分布等模擬結果，揭示吸收塔內CO2的吸收傳質機理，也為大規模吸收系統設計提供參考。Aspen模擬條件與實驗條件完全相同，NaOH／H2O／CO2體系的物性參數和化學反應參數選用Aspen自帶的數據庫，液相計算模型選用非隨機雙流體電解質模型（eNRTL），氣相計算模型選用Redlich-Kwong（RK）狀態方程。根據吸收塔進、出口的煙氣流量和CO2體積分數，通過式（3）可計算得到CO2捕集率，吸收塔各位置溫度由模擬結果直接得到。

1.4 單因素實驗

以吸收液進口溫度tin、吸收液中NaOH與煙氣中CO2化學反應當量比（以下簡稱吸收當量比）ε、停留時間和吸收液濃度nabs作為影響因素，研究各影響因素對CO2捕集率的影響。

吸收當量比ε定義如下：

式中：cNaOH為吸收液中NaOH的物質的量濃度，mol／L；q V，abs為吸收液體積流量，L／h。

式（4）中吸收塔進口煙氣摩爾流量根據氣體狀態方程得到：

式中：pin為吸收塔進口煙氣壓力，Pa；qV，in為吸收塔進口煙氣體積流量，m3／h；R為理想氣體常數，J／（mol·K）；Tin為吸收塔進口煙氣溫度，K。

吸收液濃度通過配制不同濃度的NaOH溶液來控制，并以實測濃度作為吸收液濃度；吸收液進口溫度則通過對吸收液配制槽加熱來控制，并以實測溫度作為實際溫度；通過調節吸收液流量與煙氣流量的比值來控制吸收當量比；停留時間可通過改變吸收塔填料層數來控制（煙氣在每層填料中停留時間約為1 s），分別考察填料層數為2、3、4、5時其對吸收效果的影響。

1.5 正交試驗

以CO2捕集率作為評價指標進行正交試驗。正交試驗是通過應用正交表的正交原理和數理統計分析來對多因素進行優化的試驗。根據單因素實驗中各因素對CO2捕集率的影響確定各因素的最佳水平，并在最佳水平附近選取合適的值作為正交試驗各因素水平，按照正交試驗原則選擇正交表。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

各因素的單因素實驗條件如表1所示。

表1 單因素實驗條件Tab.1 Conditions of single-factor experiments

2.1.1 吸收液進口溫度的影響

圖2給出了CO2捕集率隨吸收液進口溫度的變化。由圖2可知，CO2捕集率的實測結果與模擬結果較為吻合，隨著吸收液進口溫度的升高，CO2捕集率不斷升高，達到35℃后逐漸趨于平緩。根據氣-液傳質雙膜理論［14-15］，CO2捕集過程分為氣相CO2擴散至氣液接觸面、氣相CO2溶解至液膜（亨利常數）、液膜中CO2與NaOH反應且產物Na2CO3擴散至液相主體3個過程。CO2擴散至氣液接觸面的推動力由氣相與氣液接觸面CO2的分壓差提供，該氣相擴散速率很快。CO2與NaOH的反應速率由反應速率常數決定，反應生成的Na2CO3由液膜擴散至吸收液主體的速率由液相物理傳質（擴散）系數決定。反應速率常數與擴散系數均與溫度呈正相關，40℃下，2 mol／L NaOH溶液的一階反應速率常數比常規乙醇胺（MEA）吸收劑（5 mol／L，貧液負荷（單位物質的量吸收劑吸收CO2的物質的量）為0.25 mol／mol）高50%［16-17］。氣相CO2溶解至液膜（亨利常數）過程與溫度呈負相關。反應溫度由煙氣溫度和吸收液溫度共同決定，但反應溫度難以準確測量，考慮到吸收反應發生在液相，因此取吸收液溫度作為反應溫度。由圖3可知，吸收塔位置1、位置5處的反應溫度（以吸收液進口溫度來表征）實測結果與模擬結果較為接近，表明模擬反應溫度參考意義較大，考慮到吸收塔中間位置未布置溫度測點，文中吸收液溫度均以模擬結果為準。由圖3還可知，吸收液進口溫度升高后，吸收塔整體溫度升高，CO2與NaOH反應過程和反應生成的Na2CO3由液膜擴散至吸收液主體的過程速率均加快，因此CO2捕集率升高。而當吸收液進口溫度由35℃升高至40℃時，CO2捕集率升高速率變緩（圖2），這是因為CO2的物理溶解度下降，導致總吸收速率提高變緩。綜上所述，吸收液進口溫度在35℃左右時能達到CO2最佳捕集效果。

圖2 CO2捕集率隨吸收液進口溫度的變化Fig.2 Effect of inlet temperature of NaOH solution on CO2 removal efficiency

圖3 不同吸收液進口溫度下吸收塔內反應溫度的分布Fig.3 Reaction temperature distribution in absorber under different inlet temperature of NaOH solution

2.1.2 吸收當量比的影響

圖4給出了CO2捕集率隨吸收當量比的變化。由圖4可知，隨著吸收當量比的增大，CO2捕集率僅在小范圍內波動，未發生明顯變化，實測結果與模擬結果較一致。一方面，吸收當量比增大，液氣比升高（圖5），有利于提高CO2捕集率，這與氨法脫碳規律一致［18］；另一方面，吸收當量比增大，吸收液體積流量增大，吸收塔各填料層溫度逐漸降低（圖6），則CO2吸收速率降低，使得CO2捕集率下降。總體來看，吸收當量比對CO2捕集率基本不產生影響。考慮到提高吸收當量比將增加吸收液輸送泵能耗，而吸收當量比過低則可能導致吸收過程發生式（6）反應而生成Na HCO3（溶解度遠低于Na2CO3），容易產生結晶，從而堵塞吸收塔，因此吸收當量比在100%左右較為合適。

圖4 CO2捕集率隨吸收當量比的變化Fig.4 Effect of equivalence ratio on CO2 removal efficiency

圖5 吸收液體積流量隨吸收當量比的變化Fig.5 Effect of equivalence ratio on volume flow rate of NaOH solution

圖6 不同吸收當量比下吸收塔內溫度分布Fig.6 Temperature distribution in absorber under different equivalence ratios

2.1.3 停留時間的影響

圖7給出了CO2捕集率隨停留時間的變化。由圖7可知，實測結果與模擬結果變化趨勢一致，但當停留時間較短時，二者偏差較大。主要原因是填料堆積隨機性導致填料層存在局部不均勻現象，氣體在吸收塔內的流速存在局部高速區［18］，停留時間較短時填料塔填料堆積高度較低，局部高速區對捕集過程產生不利影響，導致CO2捕集率降低，隨著停留時間的增加，填料堆積高度增加，這種局部不均勻性對捕集過程的不利影響逐漸減弱，實測結果與模擬結果逐漸接近。隨著停留時間的增加（即填料層數增加），CO2捕集率不斷升高，但升高幅度逐漸趨于平緩。填料層數（高度）增加，氣液接觸面積增大，則CO2吸收速率升高，CO2捕集率也升高。然而，當停留時間增加時，相同填料層的溫度逐漸降低，末級填料層溫度逐漸升高，如圖8所示，吸收塔內吸收液平均溫度（吸收塔各位置處吸收液溫度的算術平均值）先升高后降低（圖9），使得CO2捕集率升高速率逐漸減緩。因此，停留時間在4 s左右時CO2捕集效果最佳。

圖7 CO2捕集率隨停留時間的變化Fig.7 Effect of residence time on CO2 removal efficiency

圖8 不同停留時間下吸收塔內溫度分布Fig.8 Temperature distribution in absorber under different residence time

圖9 不同停留時間下吸收塔內吸收液平均溫度Fig.9 Average temperature of absorbent under different residence time

2.1.4 吸收液濃度的影響

圖10給出了CO2捕集率隨吸收液濃度的變化。由圖10可知，當吸收液濃度較高時，實測結果與模擬結果偏差較大，這是因為吸收液濃度較高時，吸收液體積流量較小，其在吸收塔內的分布均勻性降低，因此對CO2捕集率的影響顯著升高。隨著吸收液濃度繼續升高，CO2捕集率基本不發生變化。一方面，吸收液濃度升高，在相同吸收當量比下，吸收液體積流量減小（圖11），液氣比降低，導致CO2吸收速率下降，CO2捕集率降低。冉景煜等［19］在研究濕法脫硫塔均勻性對吸收效果的影響時發現，液氣比與流場均勻性呈正相關，液氣比降低，吸收塔均勻性變差，影響氣液接觸效果，從而影響CO2捕集率；另一方面，吸收液濃度升高，吸收液體積流量減小，捕集過程放出的熱量使吸收液溫度顯著升高（圖12），有利于提高CO2吸收速率，CO2捕集率升高。考慮到Na2CO3在10℃時的溶解度約為1.1 mol／L，吸收液濃度過高時，冬季氣溫較低的情況下，吸收初始階段吸收液溫度較低，產物Na2CO3容易發生結晶，導致吸收塔堵塞；而吸收液濃度過低時，吸收液體積流量增大，需要增加輸送泵額外電耗。綜合分析，吸收液濃度在2.0 mol／L左右較為合適。

圖10 CO2捕集率隨吸收液濃度的變化Fig.10 Effect of concentration of NaOH solution on CO2 removal efficiency

圖11 吸收液體積流量隨吸收液濃度的變化Fig.11 Relationship between flow rate and concentration of NaOH solution

圖12 不同吸收液濃度下吸收塔內溫度分布Fig.12 Temperature distribution in absorber under different concentrations of NaOH solution

2.2 正交試驗結果與分析

根據單因素實驗結果可知，當吸收液進口溫度為35℃，吸收當量比為100%，停留時間為4 s，吸收液濃度為2.0 mol／L時，CO2捕集效果較優。為進一步研究各因素協同作用下的最佳參數組合，繼續進行正交試驗，分別選擇以上各因素的3個水平進行研究，選取四因素三水平正交試驗表，采用極差分析法［20］進行分析，結果見表2。其中K ij為每一列相同位級（水平）評價指標數值之和，下標i代表位級數，j代表列數，Rj為每一列相同位級評價指標之和的極差。

表2 正交試驗表L9（34）Tab.2 Orthogonal test design L9（34）

根據正交試驗極差值Rj可知，各因素對CO2捕集率影響的主次順序為吸收液進口溫度、停留時間、吸收當量比和吸收液濃度。吸收液進口溫度和停留時間對CO2捕集率影響顯著，且影響程度相當，吸收當量比和吸收液濃度對CO2捕集率影響較小。從經濟性角度來看，提高吸收液進口溫度主要影響設備運行費用，延長停留時間主要影響設備投資費用，可根據實際情況選擇參數組合。由表中K ij值可知，各因素最佳工況組合為：吸收液進口溫度為40℃，停留時間為5 s，吸收當量比為100%，吸收液濃度為2.0 mol／L。

3 結 論

（1）吸收液進口溫度主要影響氣液傳質速率和吸收反應速率。氣相CO2溶解至液膜過程與溫度呈負相關，CO2與NaOH反應過程和反應生成的Na2CO3由液膜擴散至吸收液主體過程的速率與溫度均呈正相關。總體來看，吸收液進口溫度升高，CO2捕集率不斷升高，但升高幅度逐漸趨于平緩。吸收液進口溫度在35℃左右可實現CO2最佳捕集效果。

（2）吸收當量比主要影響液氣比和吸收液進口溫度。吸收當量比增大，使得液氣比升高，這有利于CO2捕集，但同時吸收液溫度降低，又不利于CO2捕集。總體來說，吸收當量比對CO2捕集率影響較小，取值在100%左右時較為合適。

（3）停留時間主要影響氣液接觸面積和反應溫度。停留時間增加（即填料層數增加），氣液接觸面積就增大，有利于CO2捕集，而隨著停留時間的增加，吸收塔內平均溫度先升高后降低，導致CO2捕集率升高速率逐漸變緩。因此，隨著停留時間增加，CO2捕集率不斷升高，但升高速率逐漸減緩。當停留時間在4 s左右時，CO2捕集效果最佳。

（4）吸收液濃度主要影響液氣比和吸收液溫度。吸收液濃度升高，吸收液體積流量減小，液氣比降低，不利于CO2捕集，但同時吸收液溫度升高更顯著，又有利于CO2捕集。因此，吸收液濃度對CO2捕集率影響較小，取值在2.0 mol／L左右時較為合適。

（5）各因素對CO2捕集影響由大到小依次為吸收液進口溫度、停留時間、吸收當量比和吸收液濃度，由正交試驗得出，各因素最佳工況組合為：吸收液進口溫度為40℃，停留時間為5 s，吸收當量比為100%，吸收液濃度為2.0 mol／L。