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基金项目：内蒙古自然科学基金“新型高效捕集CO2旋转吸收填料装置的试验研究”的支持，基金号（2010ms0620），
通讯作者：何丽娟，内蒙古科技大学，博士，副教授，硕士导师, zdlilyhe@163.com
作者简介：
李洁琼 1989- 女 河北省唐山市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
陈立峰 1990- 男 河北省承德市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
倪艳玲 1990- 女 吉林省长春市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
徐岗义 1989- 男 内蒙古呼和浩特市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
（内蒙古科技大学能源与环境学院 内蒙古包头 014010）
摘要：针对燃煤电厂烟气捕捉CO2的效率低、再生能耗大以及设备体积庞大等缺点，本文设计开发了一种新型高效捕捉CO2的旋转吸收技术，采用醇胺（MDEA）水溶液中加入烯胺（TETA）组成的混胺为吸收剂，在旋转填料塔中强化吸收烟气中的CO2。在定吸收剂温度和气液流量的试验条件下，进行了旋转吸收塔吸收性能的试验研究。试验结果表明，与传统填料塔相比，旋转吸收塔可以显著提高CO2的吸收效率，增强传质效果，且在相同的操作条件下，旋转吸收塔CO2的吸收效率达71.3%。
关键词：旋转吸收装置 二氧化碳 MDEA+TETA混胺溶液 超重力
中图分类号：TQ028.3文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2011)10(b)-0000-00
随着经济的飞速发展，CO2的排放成为人类关注的焦点。哥本哈根协议指出，应当把全球气温的上升限制在不超过工业化时期前2℃的水平[1]。鉴于此，采取措施来解决地球变暖问题是一个人类所面临的严峻课题。
许多专家学者将研究重点放在寻找高效吸收装置和选择吸收剂等方面。为了解决大部分单组分有机胺吸收能力好，但解吸能力相对较差的问题，学者们想到采取混合有机胺作为吸收剂的方法[2] 。吸收装置方面，也在不断的改进和创新，从依靠重力场的气液逆流塔式设备到20世纪80年依靠超重力场和离心力场的旋转填料装置，大大加快了传热、传质过程[3]。
在现有技术的基础上，我们设计研发出一种具有市场开发价值的CO2新型高效旋转吸收塔。
1 新型旋转吸收装置
1.1吸收剂的选取
1.1.1吸收剂的技术背景
二氧化碳分离技术有多种，选择哪一种技术取决于要捕集的二氧化碳浓度、压力和流量等状态特征[4]。针对燃煤电厂烟气中CO2浓度低、分压低、杂质和氧气含量高的特点[5]，大多数富集烟道气中CO2采用胺溶液法。MEA(单乙醇胺)和DEA(二乙醇胺)溶液法虽技术成熟，但具有溶剂易降解，腐蚀性强，再生能耗大等缺点；TEA(三乙醇胺)和MDEA(N-甲基二乙醇胺)溶液法稳定性较好，再生热小，对设备基本无腐蚀，但吸收速率比较小。为加快吸收和再生的速率，我们采用以单组分有机胺为主要溶剂，添加少量能与CO2进行较强化学反应的活化成分的混合有机胺吸收法。
1.1.2吸收机理
有机胺溶液吸收CO2，主要取决于胺类分子中含有的氮原子。胺在水溶液中离解，使溶液变为碱性，易于和CO2这类酸性气体发生反应，达到脱除CO2目的。有机胺分子中的氮原子N上若是有氢原子H，则可以提高胺的反应活性。本装置我们采用醇胺（MDEA）水溶液中添加少量烯胺（TETA）作为吸收剂。该混胺吸收体系兼有化学吸收和物理吸收的特点，反应前期以化学吸收为主，混胺溶液浓度越大，反应速率越快；随着溶液中烯胺（TETA）含量的减少，CO2溶解量的增加，吸收速率减小；后期表现出醇胺（MDEA）物理吸收的特征。
1.1.3混合胺的优越性
MDEA稳定性好，溶解度大，且不易挥发，腐蚀性低，再生能耗小，操作和投资费用低。而作为活化剂的TETA分子结构含有-C2H4-基团(烯烃双键)较其它几种常见胺，分子中有多个伯胺、仲胺氮原子。在相同条件下，预期较常用的烷基醇胺对CO2有较快的吸收速率、较大的吸收量。
1.2 旋转吸收装置原理及流程
1.2.1 吸收装置的技术背景
传统气液逆流接触塔由于泛点低和单位体积内有效接触面积小，故被旋转填料床代替，它利用离心力作用，使液相在填料表面形成液膜，液膜快速向外环流动，液膜厚度急剧减小，载体湿润面积增加，相界面积增加导致了由液相控制的传质、传热和反应过程得到极大的强化[6]。但此技术仍存在如填料润湿不充分，气体流动阻力大，气液接触时间长，效率低等诸多问题。
1.2.2 吸收装置的原理及流程
钢瓶1和2内的CO2和N2气体经过减压阀减压后，经气体玻璃转子流量计4（型号为LZB-25，精度为1.5）配制出体积比为15:85的CO2与N2混合气体，在缓冲瓶3中充分混合后进入旋转吸收塔（塔高531mm，内层塔径100mm，填料高度40mm）。在压力的作用下经均匀布风板（边长为10mm孔径为4mm）进入填满多面塑料球的填料层，转轴内腔（有效喷淋长度为400mm）随转轴转动喷洒在填料层内缘，在离心力的作用下外推至填料外缘，液体在外推过程中，被填料分散破碎成表面积不断更新的液滴。另外，曲折的流道加剧了液体表面更新速度。在塔内形成条件较好的传质与反应条件，液体被转轴抛到外壳汇集后经出液管离开旋转填料床。最终利用化学吸收法测得由塔顶排出的CO2浓度，富液则液体化碳ufen_______________________________填料塔出液口排出。
2 试验步骤
① 检查气密性；
② 使用测量精度为0.1g的托盘天平测定试验前钠石灰的质量M1；
③ 配制20% MDEA+10%TETA+70%H2O的吸收剂，接通转速定值变频电机和潜水泵的电源，调节液体转子流量计的流量，保证吸收剂的流量在32.2L/h；
④ 向塔内充入体积比为85%N2+15%CO2的混合气体；
⑤ 待工况稳定，即在先测得的实验数据保持15分钟不变，记录数据。
3 试验结果及分析
3.1 转速对旋转吸收塔吸收效率的影响
表1和图2是混合胺体积分数配比为:20% MDEA+10% TETA，液体入口温度为20℃，气相流量为16m3/h（其中CO2流量为2.4 m3/h），液相流量为32.2L/h，填料高度为200mm时，CO2吸收效率随旋转塔转速的变化曲线。
试验结果表明，二氧化碳的吸收效率随着旋转填料床转速的增加先增大后减小。从图2可以看出，当旋转速度在1400r/min时，吸收率达到最大值71.2%。
由于浓度较高的混胺液进入旋转塔时，在转轴离心力的作用下被撕碎成细小液滴，平铺在填料上，形成液膜，这样接触表面积增大，气液传质交换更加充分，故在转速1400r/min之前，随转轴转速的增大吸收效率增加。如果转速高于1400r/min，随着转轴离心力的增大，液滴的甩出速率增大，液体在塔内的停留时间较短，不利于热质交换，故吸收率随之下降。
3.2 填料高度对旋转吸收塔吸收效率的影响
表2和图3是混合胺体积分数配比为:20% MDEA+10% TETA，液体入口温度为20℃，气相流量为16m3/h（其中CO2流量为2.4 m3/h），液相流量为32.2L/h，转速为1400r/min 时， CO2吸收效率随填料高度的变化曲线。
试验结果表明，二氧化碳的吸收效率随着填料高度的增加先增大后减小。从图3可以看出，当填料高度为200mm时，吸收效率为最大值71.2%。
如果填料高度过低，二氧化碳在填料中停留的时间太短，使得混胺接触的时间很短，不利于CO2的吸收。若填料高度过高，转轴喷洒管随之增长，在单位时间吸收剂的喷洒量一定时，相应填料最高点管壁处的压力最小，吸收剂在此的喷射速度小，以至于液体沿壁面流下，而且在管壁处无离心力存在，所以该部分吸收剂没有起到吸收作用。
4 结语
(1)自行研制的实验装置能够实现本文的实验研究目标，能满足现阶段的实验要求；
(2)实验结果表明，在相同实验条件下，填料高度为200mm，转速为1400rpm时，新型旋转填料塔对二氧化碳的吸收效率最高达71.3%。与传统填料吸收塔相比，新型旋转吸收塔的吸收效率大幅提高。
参考文献
[1] 洪芳柏,低碳经济与温室气体核算[J].杭州化工,2009,39(1):4-6.
[2] 项菲, 烯胺DETA/TETA溶液富集烟道气CO2的研究[D].浙江大学, 2003,25(4):206-208 .
[3] 李正兴,袁惠新,曹仲文,静态超重力器（旋流器）中吸收过程研究[J].煤矿机械,2006,27(1):24-26.
[4] 孙欣,燃煤电厂二氧化碳捕集与储存技术[J].中国煤炭,2008,34(4):96-97.
[5] 牛红伟,郜时旺,刘练波,黄斌,蔡铭,陶继业.燃煤电厂烟气CO2捕集系统的控制策略[J].动力工程.2009,29(10) :966-968.
[6]邢银全,刘有智,崔磊军.超重力旋转床强化吸收烟道气中CO2试验研究[J].现代化工,2007,增刊(2):470-473.
通讯作者：何丽娟，内蒙古科技大学，博士，副教授，硕士导师, zdlilyhe@163.com
作者简介：
李洁琼 1989- 女 河北省唐山市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
陈立峰 1990- 男 河北省承德市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
倪艳玲 1990- 女 吉林省长春市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
徐岗义 1989- 男 内蒙古呼和浩特市 在读学生 本科 研究方向：建筑环境与设备工程
（内蒙古科技大学能源与环境学院 内蒙古包头 014010）
摘要：针对燃煤电厂烟气捕捉CO2的效率低、再生能耗大以及设备体积庞大等缺点，本文设计开发了一种新型高效捕捉CO2的旋转吸收技术，采用醇胺（MDEA）水溶液中加入烯胺（TETA）组成的混胺为吸收剂，在旋转填料塔中强化吸收烟气中的CO2。在定吸收剂温度和气液流量的试验条件下，进行了旋转吸收塔吸收性能的试验研究。试验结果表明，与传统填料塔相比，旋转吸收塔可以显著提高CO2的吸收效率，增强传质效果，且在相同的操作条件下，旋转吸收塔CO2的吸收效率达71.3%。
关键词：旋转吸收装置 二氧化碳 MDEA+TETA混胺溶液 超重力
中图分类号：TQ028.3文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2011)10(b)-0000-00
随着经济的飞速发展，CO2的排放成为人类关注的焦点。哥本哈根协议指出，应当把全球气温的上升限制在不超过工业化时期前2℃的水平[1]。鉴于此，采取措施来解决地球变暖问题是一个人类所面临的严峻课题。
许多专家学者将研究重点放在寻找高效吸收装置和选择吸收剂等方面。为了解决大部分单组分有机胺吸收能力好，但解吸能力相对较差的问题，学者们想到采取混合有机胺作为吸收剂的方法[2] 。吸收装置方面，也在不断的改进和创新，从依靠重力场的气液逆流塔式设备到20世纪80年依靠超重力场和离心力场的旋转填料装置，大大加快了传热、传质过程[3]。
在现有技术的基础上，我们设计研发出一种具有市场开发价值的CO2新型高效旋转吸收塔。
1 新型旋转吸收装置
1.1吸收剂的选取
1.1.1吸收剂的技术背景
二氧化碳分离技术有多种，选择哪一种技术取决于要捕集的二氧化碳浓度、压力和流量等状态特征[4]。针对燃煤电厂烟气中CO2浓度低、分压低、杂质和氧气含量高的特点[5]，大多数富集烟道气中CO2采用胺溶液法。MEA(单乙醇胺)和DEA(二乙醇胺)溶液法虽技术成熟，但具有溶剂易降解，腐蚀性强，再生能耗大等缺点；TEA(三乙醇胺)和MDEA(N-甲基二乙醇胺)溶液法稳定性较好，再生热小，对设备基本无腐蚀，但吸收速率比较小。为加快吸收和再生的速率，我们采用以单组分有机胺为主要溶剂，添加少量能与CO2进行较强化学反应的活化成分的混合有机胺吸收法。
1.1.2吸收机理
有机胺溶液吸收CO2，主要取决于胺类分子中含有的氮原子。胺在水溶液中离解，使溶液变为碱性，易于和CO2这类酸性气体发生反应，达到脱除CO2目的。有机胺分子中的氮原子N上若是有氢原子H，则可以提高胺的反应活性。本装置我们采用醇胺（MDEA）水溶液中添加少量烯胺（TETA）作为吸收剂。该混胺吸收体系兼有化学吸收和物理吸收的特点，反应前期以化学吸收为主，混胺溶液浓度越大，反应速率越快；随着溶液中烯胺（TETA）含量的减少，CO2溶解量的增加，吸收速率减小；后期表现出醇胺（MDEA）物理吸收的特征。
1.1.3混合胺的优越性
MDEA稳定性好，溶解度大，且不易挥发，腐蚀性低，再生能耗小，操作和投资费用低。而作为活化剂的TETA分子结构含有-C2H4-基团(烯烃双键)较其它几种常见胺，分子中有多个伯胺、仲胺氮原子。在相同条件下，预期较常用的烷基醇胺对CO2有较快的吸收速率、较大的吸收量。
1.2 旋转吸收装置原理及流程
1.2.1 吸收装置的技术背景
传统气液逆流接触塔由于泛点低和单位体积内有效接触面积小，故被旋转填料床代替，它利用离心力作用，使液相在填料表面形成液膜，液膜快速向外环流动，液膜厚度急剧减小，载体湿润面积增加，相界面积增加导致了由液相控制的传质、传热和反应过程得到极大的强化[6]。但此技术仍存在如填料润湿不充分，气体流动阻力大，气液接触时间长，效率低等诸多问题。
1.2.2 吸收装置的原理及流程
钢瓶1和2内的CO2和N2气体经过减压阀减压后，经气体玻璃转子流量计4（型号为LZB-25，精度为1.5）配制出体积比为15:85的CO2与N2混合气体，在缓冲瓶3中充分混合后进入旋转吸收塔（塔高531mm，内层塔径100mm，填料高度40mm）。在压力的作用下经均匀布风板（边长为10mm孔径为4mm）进入填满多面塑料球的填料层，转轴内腔（有效喷淋长度为400mm）随转轴转动喷洒在填料层内缘，在离心力的作用下外推至填料外缘，液体在外推过程中，被填料分散破碎成表面积不断更新的液滴。另外，曲折的流道加剧了液体表面更新速度。在塔内形成条件较好的传质与反应条件，液体被转轴抛到外壳汇集后经出液管离开旋转填料床。最终利用化学吸收法测得由塔顶排出的CO2浓度，富液则液体化碳ufen_______________________________填料塔出液口排出。
2 试验步骤
① 检查气密性；
② 使用测量精度为0.1g的托盘天平测定试验前钠石灰的质量M1；
③ 配制20% MDEA+10%TETA+70%H2O的吸收剂，接通转速定值变频电机和潜水泵的电源，调节液体转子流量计的流量，保证吸收剂的流量在32.2L/h；
④ 向塔内充入体积比为85%N2+15%CO2的混合气体；
⑤ 待工况稳定，即在先测得的实验数据保持15分钟不变，记录数据。
3 试验结果及分析
3.1 转速对旋转吸收塔吸收效率的影响
表1和图2是混合胺体积分数配比为:20% MDEA+10% TETA，液体入口温度为20℃，气相流量为16m3/h（其中CO2流量为2.4 m3/h），液相流量为32.2L/h，填料高度为200mm时，CO2吸收效率随旋转塔转速的变化曲线。
试验结果表明，二氧化碳的吸收效率随着旋转填料床转速的增加先增大后减小。从图2可以看出，当旋转速度在1400r/min时，吸收率达到最大值71.2%。
由于浓度较高的混胺液进入旋转塔时，在转轴离心力的作用下被撕碎成细小液滴，平铺在填料上，形成液膜，这样接触表面积增大，气液传质交换更加充分，故在转速1400r/min之前，随转轴转速的增大吸收效率增加。如果转速高于1400r/min，随着转轴离心力的增大，液滴的甩出速率增大，液体在塔内的停留时间较短，不利于热质交换，故吸收率随之下降。
3.2 填料高度对旋转吸收塔吸收效率的影响
表2和图3是混合胺体积分数配比为:20% MDEA+10% TETA，液体入口温度为20℃，气相流量为16m3/h（其中CO2流量为2.4 m3/h），液相流量为32.2L/h，转速为1400r/min 时， CO2吸收效率随填料高度的变化曲线。
试验结果表明，二氧化碳的吸收效率随着填料高度的增加先增大后减小。从图3可以看出，当填料高度为200mm时，吸收效率为最大值71.2%。
如果填料高度过低，二氧化碳在填料中停留的时间太短，使得混胺接触的时间很短，不利于CO2的吸收。若填料高度过高，转轴喷洒管随之增长，在单位时间吸收剂的喷洒量一定时，相应填料最高点管壁处的压力最小，吸收剂在此的喷射速度小，以至于液体沿壁面流下，而且在管壁处无离心力存在，所以该部分吸收剂没有起到吸收作用。
4 结语
(1)自行研制的实验装置能够实现本文的实验研究目标，能满足现阶段的实验要求；
(2)实验结果表明，在相同实验条件下，填料高度为200mm，转速为1400rpm时，新型旋转填料塔对二氧化碳的吸收效率最高达71.3%。与传统填料吸收塔相比，新型旋转吸收塔的吸收效率大幅提高。
参考文献
[1] 洪芳柏,低碳经济与温室气体核算[J].杭州化工,2009,39(1):4-6.
[2] 项菲, 烯胺DETA/TETA溶液富集烟道气CO2的研究[D].浙江大学, 2003,25(4):206-208 .
[3] 李正兴,袁惠新,曹仲文,静态超重力器（旋流器）中吸收过程研究[J].煤矿机械,2006,27(1):24-26.
[4] 孙欣,燃煤电厂二氧化碳捕集与储存技术[J].中国煤炭,2008,34(4):96-97.
[5] 牛红伟,郜时旺,刘练波,黄斌,蔡铭,陶继业.燃煤电厂烟气CO2捕集系统的控制策略[J].动力工程.2009,29(10) :966-968.
[6]邢银全,刘有智,崔磊军.超重力旋转床强化吸收烟道气中CO2试验研究[J].现代化工,2007,增刊(2):470-473.