添加剂对氨法吸收解吸CO2性能的影响研究

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众所周知,由CO2排放引起的温室效应正不断地威胁着人类生存。我国是全球碳排放最多的国家,其中火电厂CO2排放量约占全国总排放量的60%。在诸多电厂烟气脱碳技术路线中,化学吸收法是最为成熟也是最具前景的一种。针对目前氨法碳捕集技术存在的氨逃逸严重、吸收CO2速率较慢及再生液参数可靠性等问题,本文利用自行设计的常压下半连续吸收与解吸实验系统,开展了添加剂对氨法吸收解吸燃煤电站尾气中CO2性能的影响研究。  本文首先进行了氨水溶液吸收CO2、氨逃逸以及再生性能的基准工况实验研究,同时对实验系统做了重复性验证和误差分析。结果表明,在实验条件下,3w%氨水溶液对CO2的最大脱除效率可达80%以上,累计CO2负荷为0.59mol CO2/mol NH3;吸收剂与CO2反应过程中,系统出口氨逃逸峰值为26391ppm,氨逃逸总量为0.0599mol;再生实验中,采用完成吸收CO2穿透实验后的氨水富液进行再生,再生CO2总量为0.277mol,再生程度达84.0%;系统两次相同工况采集的数据重复性较好,上下偏差不超过5%;采用滴定法验证了实验数据及计算结果的误差不超过±4%。  其次,开展了有机添加剂对氨水溶液吸收、解吸CO2及氨逃逸性能的影响研究。基于混合吸收剂的思路,选择将乙醇胺(MEA)、哌嗪(PZ)、氨甲基丙醇(AMP)、甲基二乙醇胺(MDEA)与氨水溶液混合,研究发现该类添加剂与氨水在吸收性能上相互促进,提高了氨水对CO2的脱除效率和负载能力。离子液中选择具有氨基官能团的[N1111][Gly]和含有-OH、阴离子PF6-的[HOENMe3][PF6]、[HOEtMIm][PF6]对氨水溶液进行改性,从活化作用、氢键及CO2溶解度等方面解释了改性后氨水的脱碳性能、氨逃逸和再生性能的变化规律。丙三醇具有多羟基的结构特性,与NH3通过氢键作用,可以较好地抑制脱碳过程中的氨逃逸,且随着添加丙三醇量的增加,氨逃逸的总量呈近似线性减少;加入适量的丙三醇时,氨水溶液对CO2的脱除效率和负载能力略有提高。  然后,引入Cu2+、Ni2+和硼酸,开展了无机添加剂对氨水溶液吸收、解吸CO2及氨逃逸性能的影响研究,并进行横向比较。阳离子Cu2+、Ni2+可以与NH3生成[Cu(NH3)4]2+、[Ni(NH3)6]2+络合物,有效地抑制了脱碳过程中的氨逃逸,且添加Cu2+、Ni2+的量越多,抑制氨逃逸效果越好;当添加少量的Cu2+、Ni2+时,氨水溶液对CO2的脱除效率没有明显降低,反而负载能力均有所提高。综合分析比较,与Cu2+相比,Ni2+加入到氨水溶液中对氨逃逸抑制效果更好,且对氨水吸收、再生CO2性能的抑制作用较小。对于硼酸,当添加的量低于某临界时,其通过穿梭机理显著地提高了氨水对CO2的脱除效率和负载能力;同时,穿梭机理和电离平衡共同作用,有效地抑制了氨水吸收CO2过程中的氨逃逸,且随着加入硼酸量的增多,氨逃逸总量呈线性降低。  最后,总结各添加剂在解决氨法脱碳技术难题时体现出的优势与劣势,以及主要官能团或基团的作用。研究结果对进一步开展氨法捕集CO2研究有较大的参考价值。
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