二氧化碳脱除方法的分析与比较Word格式.docx

1、与其它组分透过膜材料的速度不同而实现CO?与其它组分的分离。相比 之下，吸收膜技术只是在薄膜的另一侧有化学吸收液，并依靠吸收液来对分离气 体进行选择，而微孔薄膜材料只起到隔离气体与吸收液的作用冋。其技术原理分 别如图1所示分离膜技术图1：膜分离法分离CO2的示意图口前膜分离法用于分离烟气中的CO2面临以下问题:烟气中CO2浓度太低, 烟气处理量巨大;烟气必须冷却到100C之下以防止高温对膜的破坏；需提前除 掉烟气中的化学物质或对膜进行化学处理，以防止膜受到烟气中的化学物质破坏; 膜处理烟气前后需要压差，需要耗费额外的能量。新发展的多种分离膜有碳膜、 二氧化硅膜、沸石膜、促进传递膜、混合膜10。

2、低温蒸镭法废气排放 液化CC）2图2：低温蒸镭法分离CO2的过程示意图CO?临界温度为30.98C,临界压力为，易于液化。低温蒸憎法是通过低温冷凝 分离CO2的一种物理过程。低温蒸镭法利用天然二氧化碳气源中主要组份甲烷 和二氧化碳间沸点的差异，以蒸谓方法将二氧化碳分离出来，主要应用于一些富含 60%90%的天然二氧化碳气源中回收二氧化碳，供二次采油用。因此，此法具有 一定的局限性。该方法设备庞大、能耗较高、分离效果较差，因而成本较高， 一般情况下不大采用，只有在特殊情况下使用或同其他方法联用。低温蒸懈法的 优点在于能够产生高纯、液态的CO2，以便于管道输送。在未来的IGCC或者 O2/CO2烟

3、气循环系统中，由于烟气中具有高浓度的CO2,低温法就显得比较有 前景了山】。吸附法吸附技术利用吸附剂对混合气体中的不同组分具有不同吸附容量的特性。吸 附法是利用固态吸附剂对原料混合气中的CO2的选择性可逆吸附作用来分离回 收CO2的g。吸附法乂分为变温吸附法（TSA）和变爪吸附法（PSA）,吸附剂在高温（或高压） 时吸附CO2,降温（或降压）后将CO2解析出来，通过周期性的温度（或压力）变化, 从而使CO2分离出来。PSA法的再生时间比TSA法短很多，且TSA法的能耗是PSA法的23倍卩叫 因此，工业上普遍采用的是PSA法。该方法主要是通过加压吸附过程和减压脱附过程反复进行实现的，为了连续地分

4、离回收CO?至少要两个吸收塔来 交义的进行吸附和脱附。其工作原理如图3所示。原料吒压堀机图3：变压吸附（PSA）法的示意图常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和活性炭等。吸附法 工艺过程简单、能耗低，但吸附剂容量有限，需大量吸附剂，且吸附解吸频繁， 要求自动化程度高。3化学法化学循环燃烧法化学循环燃烧法（CLC）最早是在20世纪80年代初期提出的，当时的主要U的 是提高电厂热效率卩讥Ishida等第一次提出可以应用CLC从根本上解决分离 CO2的问题。CLC不直接使用空气中的氧分子，而是采用载氧剂（金属氧化物）来促 进燃烧过程。最基本的CLC系统包括吊联的空气反应器和燃料反应器。金

5、属在 空气反应器中与空气中的氧气发生氧化反应（1）,成为金属氧化物形式的携氧状态, 接着燃料和金属氧化物在燃料反应器中发生还原反应（2）,生成CO?、H2O,以此循 环使用I。空气反应器里的反应：Ma+丄 O.MeO （1）2燃料反应器里的反应：MeO+Me+H2O+ CO2 （2）CLC的主要优点在于:该技术基于两步化学反应，实现了化学能梯级利用，具 有更高的能量利用效率;空气反应器排放的主要是N2,不会污染空气;燃料在载氧 剂的催进下燃烧，温度较低（6001 200C）,不会生成氮氧化物;燃料反应器排放的 气体主要为CO2和蒸汽，只需要简单的冷凝就可以分离出高纯度的CO2,而无需消 耗过多

6、的能量。Ishida估算该技术可使电厂热效率提高到50%60%,而CO2排放 率降低到 0.33 kg/kWhI，5,o电化学法Winnick等”】首先利用熔融碳酸盐燃料电池膜（MCFC）从太空飞行舱的空 气中分离出CO2 ,并进行了 MCFC膜分离烟气中CO2的实验研究,此后日本大阪 研究社、英国石油（British Petroleum ,简称BP）公司和意大利Ansaldo公司也对 用熔融碳酸盐电化学系统分离捕集烟道气中CO2进行了实验研究I，8-201 o熔融碳酸盐燃料电池是在闭合电路（应用一个外部电动势）下通过膜传CO；-,其反应原理如下12儿阴极：02+2 CO2+4e=2CO（3）

7、阳极：H2+2CO- =2CO2+2H2O+4e（4）总反应:O2+2H2=2H2O（5）熔融碳酸盐电化学电池分离CO2有儿个优点：（1）熔融碳酸盐在燃料电池方面的应用有广泛的技术基础;（2） 随着温度的升高，约100%的熔融碳酸盐对CO；进行了传输；（3） 在600C显示了高约lS/cm的电导率，CO,的扩散率相当于10%化；（4） 从电厂烟道气中分离CO2的附加电力费用较低。但是，熔融碳酸盐电化学电池在电厂烟道气分离CO2的应用中也有缺点：熔 融碳酸盐是一种糊状腐蚀剂，其制作和操作都很困难，烟道气中的SO2也会毒化 电池,在高温烟道气环境下，电解质隔离和电极退化也是严重的问题。而固态电解

8、质比熔融碳酸盐电池的操作温度低，容易处理，腐蚀问题大大减少，比熔融碳酸盐 具有更长的使用寿命。因此，使用固态电解质膜联合熔融碳酸盐从烟道气中分离 CO2是具有前景的方向之一 122 1 O 胺法脱碳技术3.3.1乙醇胺法（MEA法）MEA法回收CO2工艺流程：烟道气经洗涤冷却后由引风机送入吸收塔，其大部分CO2被溶剂吸收，尾 气山塔顶排入大气。吸收CO2后的富液从塔底流出，山塔底经泵送至冷凝器和 贫富液换热器，回收热量后送入再生塔。再生出的CO2经冷凝后分离除去其中 的水分，即得到纯度大于的（302产品气，送入后续工序。再生气中被冷凝分离 岀来的冷凝液送入地下槽，再用泵送至吸收塔顶洗涤段和再生

9、塔作回流液使用。 部分解吸了 CO2的溶液进入再沸器，使其中的CO2进一步再生。山再生塔底部 出来的贫液经贫富液换热器后，用泵送至水冷器，最后进入吸收塔顶部。此溶液 往返循环构成连续吸收和再生CO2的工艺过程】。MEA法回收CO2流程图见图4o图4： MEA法回收CO2流程图1 冷却塔2风机3吸收塔4富液泵5冷凝器6换热器7再生塔&贫液泵 9,10.水冷器11 再沸器12 分离器13 地下槽,回流泵14 胺回收加热器15 过滤 器MEA水溶液吸收CO?的效果很好，与CO?反应生成碳酸盐化合物，加热就 可使CO2分解出来，其优点是在一个非常简单的装置中就能将合成气中CO2脱 除到左右，但因MEA

10、碱性较强，乂能与CO2进一步生成比较稳定的碳酸盐I叫MEA法回收CO2的反应原理elMEA与CO2的反应式如下：CO2 + HOCH2CH2NH2 t HOCH2CH2HNCOO + H+ （6）IT + HOCH2CH2NH2 t HOCH2CH2NH； （7）总反应式如下：CO2 + 2HOCH2CH2NH2 - HOCH2CH2HNCOO + HOCH2CH2NH； （8）MEA水溶液的缺点是容易发泡及降解变质。同时，反应（8）生成的氨基屮 酸盐的腐蚀性很强,MEA的再生温度较高（约125C）,导致再生系统腐蚀严重, 在高酸气负荷下则更甚。MEA技术有很大的不足之处：成本较高、吸收率慢、

11、吸收容量小、吸收剂 用量大、有高的设备腐蚀率、胺类会被其他烟气成分降解、同时吸收剂再生时能 耗高等，因此有必要对该技术进行改进，以降低成本，提高吸收剂的利用效率【2叽MEA法的主要缺点系再生热耗较高。为了降低过程的热耗，减少系统的腐 蚀，加入一定量的有机溶剂，如N, N-二甲基甲酰胺、N, N-二甲基乙酰胺、 B-毗咯烷酮、N-屮基毗咯烷酮、屮基3吗咻酮、环丁飒、屮醇及某些多元醇 或其衍生物，可使再生热耗和腐蚀状况得到好转|旳。332二乙醇胺（DEA）法a】DEA水溶液与CO2的反应机理与MEA水溶液与CO2反应机理类似QEA作 为CO?化学吸收剂得到了广泛应用，其原因是它的沸点较MEA髙，因

12、此可以在 较高的温度下进行吸收，不易降解。改良DEA （DEA-SNPA）法，可在压力下, 使DEA溶液的碳化度达mol CO2/ mol DEAo改良DEA法与DEA法的差别在于 DEA的浓度可增加到25%30%,碳化度亦可提高。虽然DEA溶液表面上的CO2 分压高于MEA溶液表面上的CO2分压，用DEA溶液净化时不象用MEA溶液 净化时那样高的净化度，且DEA溶液的吸收能力乂比MEA低，价格乂较MEA 贵，但由于DEA沸点较高、蒸发损失少、乂相应较MEA易于再生，消耗于汽 提的热量较小，肖饱和溶液中CO2浓度相同时采用DEA溶液净化比采用MEA 溶液净化热耗少26%左右，建厂费用与生产费用

13、均较MEA溶液低。333活化MDEA （N甲基二乙醇胺法）1261活化MDEA法脱除CO2是70年代德国BASF公司开发出来的一种低能耗新 方法，成功地应用在30万吨/年合成氨厂中，80年代末至90年代初，我国南京 化工研究院、华东理工大学.川化研究院先后推出具有自己特色的活化MDEA 脱碳工艺。山于该工艺具有吸收能力大、反应速度快、适应范围广、再生能耗低、 净化度高.溶液基本不腐蚀，大部分设备及填料可用碳钢制作、操作简化等优点, 因此在较短的时间里被国内20来家中小型合成氨厂采用，收到了不同程度的经 济效益，尤其是降低再生热耗方面更为明显。曲于MDEA是一种叔胺，在水溶 液中不能像伯胺、仲胺

14、那样易与CCh生成稳定的氨基甲酸盐，必须经水解后才 能与CO2按下述过程缓慢反应生成亚稳定的碳酸氢盐：CO2+H2O=H+HCO （9）H+MDEAUMDEAH + （10）式（9）受液膜控制，反应极慢，式（10）则为瞬间可逆反应。ECO2技术最近儿年，用氨水洗涤烟道气脱除CO2的技术得到了世界范围的广泛关注。 美国Powerspan公司开发了ECO?捕集工艺，可使用氨水从电厂烟气中捕集CO?。 这是该公司与DOE国家能源技术实验室（NETL）共同研究的结果。BP替代能源 公司与Powerspan公司正在开发和验证Powerspan公司称为ECO?的基于氨水的 CO2捕集技术，下一步将把该技术

15、商业化应用于燃煤电厂127】。3.4.1 ECO2技术吸收CO2的反应原理【绚：CO2与氨水可以在不同温度条件下进行化学反应，在室温、一个大气压、无 水参与的情况下，主要生成NH2COONH4,而NH2COONH4很容易溶解于水，产 物是（NH4）2CO“反应式如下：CO2 + 2NHm = NH2COONH4 （11）NH2COONH4 + H2O = （NH4）2CO3 （12）此干式反应本来也可考虑应用于氨法脱碳，只是通常电厂烟道气体中CO2含 量很高，最大可达16%,这样脱除过程中所需的氨气浓度必然会很高，而氨气的 爆炸极限是15%8%,如设计不合理的话，很容易引起爆炸，因此不推荐采用

16、 干法脱碳。一般都采用氨水喷淋的方法来达到脱碳目的，总反应如式下：CO2 + NH3 + H1O = NH4HCO3 （13）当然实际反应比较复杂，可视为分步反应，首先生成NH2COONH4：CO2 + NH3 = NH2COONH4 （14）NH2COONH4接着遇水合成：NH2COONH4 + HiO = NH4HCO3 + NH3 同时发生：NH + H2O = NH4OH产物NHsHCCh与产物NH4OH发生反应：NH4HCO3 + NH4OH = （NHJ 2CO3 + h2o 最后（NHACCh吸收CO2合成NMHCCh：（NHJ2CO3+CO2 + H2O = 2NH4HCO3（

17、15）（16）（17）（18）3.4.2 ECO2工艺流程见图5：343ECO2技术的优点：根据NETL等对使用氨水吸收CO?进行的研究表明，传统的MEA艺用于 CO2脱除，CO2负荷能力低，有高的设备腐蚀率，胺类会被其他烟气成分降解， 同时吸收剂再生时能耗高。比较而言，氨水吸收CO2有较高的负荷能力，无腐蚀 问题，在烟气环境下不会降解，可使吸收剂补充量减少到最小，再生所需能量很 少，而且成本大大低于MEAoNETL釆用Powerspan公司开发的ECO2工艺和MEA工艺相比，有四方面优点：（1） 蒸汽负荷小；（2） 产生较浓缩的CO?携带物；（3） 较低的化学品成本；（4） 产生可供销售的副

18、产品实现多污染物控制。在该ECO?工艺中，CO?通过用氨水洗涤从烟气中被捕集，氨水通过形成二 碳酸钱盐吸收CO2o得到的NMHCO詔容液可被热法再生，释放出CO2和NH3。 NHs被分离并返回洗涤器，得到浓缩的CO2流尤其适用于回收。使用氨水脱碳时 脱除效率可达95-99%,棋至100%,而常规的MEA法效率为90%左右。氨水脱 碳的副产品为NMHCO可作为肥料使用；其热稳定性较差，热解可得到氨水 和CO2,氨水可循环使用，CO2可作为工业原料。从吸收能力看，氨水溶液为 MEA溶液的倍，而成本为MEA溶液的1/6（工业级）。因此，氨水溶液远优于 MEA溶液。研究表明，脱除烟气中的CO2时，氨水

19、优于MEA溶液：氨水吸收CO2的反 应不是纯放热反应；吸收能力可以高达/kg氨以上；氨水的再生容易，并且可以 得到高纯度的CO2;所得到的副产品NMHCOs是我国农业上广泛应用的氮肥， 具有一定的经济价值。同时因为许多电厂用氨水来除NO” 所以该法占用设备 及场地很少，十分经济1291 o 5J外，还有人提出连续协同脱除烟气中NOx、SO2 和CO2的概念从而实现燃煤发电的近零排放。氨水土壤混合物法I利用氨水土壤混合物来脱除CO2,即结合了物理吸附和化学吸收。该方法不 仅能大大提高CO?脱除率，而且得到的主要产物NHjHCCX是一种氮肥，能提高土 壤的肥力。所以该方法不仅能有效去除CO2温室气

20、体，而且在经济指标方面较传 统方法有较大的提高。3.5.1理论依据任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德华力作用下，被 固体吸附。山于土壤中存在大量带有电荷的无机和有机胶体，能对溶液中的离子 产生吸附作用，同时，山于范徳华力、氢键、离子键和质子化等作用,土壤固相乂可 吸附一些分子态物质。所以土壤是利用土壤表面的范德华力和土壤中的胶体以及 空隙结构来吸附CO2o而且土壤中存在钙、镁等化合物，会与CO2在潮湿的条件 下发生反应，生成碳酸盐沉淀，达到永久固碳的U的。氨水吸收CO2是一个酸碱中 和反应，是一个自发的过程。所以用氨水吸收CO2是一个极容易的过程。其中气 相的反应极易发生，

21、并生成不稳定的氨基屮酸鞍（NH2COONH4）,氨基屮酸镀极易 溶解于水,以至在潮湿的气氛下都会吸水溶解生成碳酸鞍（NH4）2 COh溶于水后生 成碳酸氢鞍（NH4HCO3）。反应如下：CO2（g）+2NH3（g） =NH2COONH4（s） （19）NH2 COONH4（s）+H2 O（g） = （NH4）2 CO3（s） （20）NH2 COONH4（s）+H2O（I） =NH4HCO3（s）+NH3（g） （21）3.5.2实验方法实验装置图如图6所示,其主要是山钢瓶气、流量控制系统、温度控制系统、 反应器和气体洗涤系统组成。钢瓶气为CO2气体，其纯度达到99199%o流量控制 系统山质

22、量流量讣和流量积算仪组成,通过质量流量计控制CO2初始流量和出口 流量,并利用进出口流量来判定反应是否结束;通过流量积算仪来记录进出口 CO2 累积流量，计算出CO2脱除率和脱除量。温度控制系统是山温度计、绝缘加热带 和电压调节器组成，通过调节电圧来加热绝缘加热带，得到预定温度。反应器为有 机玻璃组成，直径分别为30、40和80 mm。气体洗涤系统是用来吸收反应器中挥 发岀的NH%防止腐蚀质量流量计而且在洗涤系统中，挥发出来的NM也能与CO2 继续反应,更能减小实验误差。实验时，在反应器中加入一定量的土壤和氨水，将温度升高到预定温度，然后 开始通入CO2并同时开始计时，气体先山质量流量计计量后

23、再从反应器底部进入 后开始反应,然后再从顶部出来后进入气体洗瓶，最后经过出口流量计讣量后排 空。当进出口流量一致时仮应结束，记录CO2进出口总量，计算出CO2脱除率和脱 除量。反应器直径为30、40和80 mm。土壤粒径为、mm3种。实验 土壤的比重为，比表面积为m2/g,pH为。土壤粒径是山标准筛确定,标准筛是山上海宝蓝试验仪器制造有限公司提供。CO2初始流量为L/mino氨水质量浓度为 5%25%,温度为2240Co反应器co側瓶气 温度计图6：实验装置图3.53结论（1） 利用氨水土壤混合物脱除CO2的量较土壤物理吸附量和氨水化学吸收 量的总和提高了大约15%,而且对其产物进行分析，可知

24、NHHC03是其主要产物, 说明该方法可行。（2） 该方法是一个快速的反应过程;随着反应的进行，土壤中的温度先是快速 上升，然后再缓慢下降;CO2脱除率可达。（3） 随着土壤颗粒粒径和CO2初始流量的增大,CO?脱除率都缓慢减小;随着 氨水浓度的增加,CO2的脱除率升高,CO2脱除量基本上呈线形增加;当温度从22C 上升到3rc,co2脱除率显著增加，当温度继续增加到40C,CO2脱除率随之减小。4结语温室效应的严重性迫使越来越多的国家和国际机构表示出对CO2排放问题 的关切。CO2减排是一个全球性问题，CO2排放问题的最终解决需要依幕技术创 新。除调整能源结构，重点开发低碳无碳能源（生物质能

25、、核能、太阳能、风能等） 与提高能源利用效率外，当前控制CO2排放的主要对策是积极发展CO2的分离 捕捉封存技术。许多国家开始通过广泛的国际合作，开展了许多政府组织，研究 机构和企业参与的CO2捕集项LI,随着更多项H的开展，CO2捕集技术将逐渐成 熟并被普遍接受，成为电力行业减少碳排放最重要的技术。同时co?作为燃烧的 副产物，对其进行综合利用，不仅可提高原料总利用率，降低捕集成本，提高产 品市场竞争力，而且可以为社会提供优质而丰富的co?产品，具有良好的社会效 益和经济效益。参考文献1Robert Watson, John Houghton. Climate Change 2001: Th

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