火力发电厂化学吸收法捕获二氧化碳研究现状及展望

1 化学吸收法基本原理

化学吸收法是利用CO2与吸收剂在吸收塔内进行化学反应而形成一种弱联结的中间体化合物, 然后在还原塔内加热富CO2吸收液使CO2解吸出来, 同时吸收剂得以再生的方法。

在吸收CO2过程中, 溶液中的水分子和游离的OH-会与CO2结合, 发生下列反应:

2 化学吸收法分类

在化学吸收法中, 吸收剂性能的优劣是决定吸收效果好坏的关键因素。根据吸收剂种类的不同, 化学吸收法可分为热钾碱法、氨水法、醇胺法。

2.1 热钾碱法

热钾碱法是以K2CO3为吸收剂, 高温下吸收CO2。K2CO3吸收CO2生成KHCO3-, 在减压加热时放出CO2, 又形成K2CO3。K2CO3溶液吸收CO2的速度比较慢, 吸收和再生反应都在液相的主体完成, 如此循环, 完成富集CO2的过程。

由于K2CO3吸收CO2速率较慢, 且溶液对设备的腐蚀性较大, 因此工业上应用较多的是改良的热碳酸钾法, 即向溶液中添。加氨基乙酸、硼酸、DEA以及空间位阻胺等活化剂。按照添加的活化剂的不同, 热钾碱法又分为G~V法、Flexsoth法、SCC~A法、Benfield (苯菲尔法) 等。G~V法起初使用As2O3活化, 但因具有As2O3毒性, 无法广泛应用, 现采用无毒的氨基乙酸活化;Flexsoth工艺采用空间位阻胺作为活化剂;S C C~A法是采用二乙烯三胺 (D E T A) 活化;Benfield法是近年来应用较多的方法, 由新的活化剂ACT~1代替原来的二乙醇胺 (DE A) , 含量为1%~3%, 可以使净化气中CO2含量降低28%~85%, 溶液循环量降低5%~25%, 再生热耗降低5%~15%, 通气能力增加5%~25%[3]。

2.2 氨水法

氨水法即以氨水为吸收剂, 该法脱碳吸收效率高。同时, 能够吸收绝大部分乃至全部的HCl、HF、SO2等酸性污染物。氨容易再生, 并可得到高纯度的CO2, 成本仅为一乙醇胺 (MEA) 溶液的1/6 (工业级) ;所得副产品NH4HCO3是我国农业上广泛应用的氮肥, 具有一定的经济效益。王阳[4]等利用氨水作为吸收剂, 进行燃煤烟气中CO2的捕集, 研究指出在温度为30℃可以减排90%以上的CO2, 单位质量吸收剂吸收CO2的量达到1.2kg CO2/1 k g N H3;在温度为4 0℃的条件下, 可以减排77%以上的CO2。该研究为今后大规模的氨法捕集燃煤电站CO2工程应用提供了依据。

但氨水脱碳工艺中常常存在一些问题如NH4HCO3稳定性较差, 作为肥料施加到土壤里以后, 很快就会分解释放CO2, 使其重新返回到大气中。

2.3 醇胺法

醇胺法以其吸收速率快、吸收效率高等优点在近几十年得到了广泛的研究和应用, 发展迅速。该工艺始于20世纪30年, 最初主要以MEA为吸收剂。20世纪50年代后期, 二异丙醇胺 (DIPA) 开始应用于天然气和炼油厂气体净化。MEA和DEA溶液回收二氧化碳工艺起步早, 已经比较成熟, 但这两种溶剂容易降解, 腐蚀性强, 且再生能耗大。

20世纪80年代, 甲基二乙醇胺 (MDEA) 回收二氧化碳得到了广泛应用。Jou等[5]最早报道了有关MDEA溶液吸收CO2的平衡数据。MDEA溶液法稳定性较好, 再生热小, 对设备基本无腐蚀。但吸收剂黏度较高, 反应器内湍流程度小, 不能与气体充分混和, 吸收速率较小。为进一步提高CO2吸收效率, 近年来, 配方型醇胺吸收剂受到了广泛的关注, 如采用哌嗪 (PZ) 活化MDEA脱碳体系逐渐成为研究的焦点。Dong等[6]在温度40℃~60℃和PZ浓度0~1.2mol.L~1的条件下测定了CO2在MDEA~PZ水溶液系统中的溶解度和吸收速率, 为实现MDEA~PZ法的工业化应用奠定了基础。

3 火电厂化学吸收法应用现状

化学吸收法因其工艺简单、技术较为成熟, 近几十年在国外得到了广泛的研究和应用, 南非电力公司于2005年在Esbjerg电厂3号机 (400MW) 的烟气系统上建设24t C O2/d的小型装置;A l s t o m和A E P公司于2008年在Motuaineer电厂1300MW机组中抽出30MW的烟气作为试验, 分离出10万t/a CO2, 并在Northeastern电厂450MW机组上建设200MW容量的CO2分离系统, 计划于2010年投产, 预计可分离出150万t/a CO2。目前, 国内火电厂对CO2捕获技术的研究和应用尚处于起步阶段。2007年底, 国内首个“燃煤发电厂年捕集二氧化碳3, 000t试验示范工程项目”在中国华能集团公司所属北京热电厂开工建设, 并于2008年正式投产运行。该项目使用醇胺吸收法, 二氧化碳回收率大于85%, 年回收二氧化碳能力为3, 000t, 分离、提纯后的二氧化碳纯度达到99.5%以上, 可用于食品行业[7]。该项目的实施表明了, 化学吸收法捕获火电厂烟气中CO2具有极大的实际应用价值和广阔的应用前景。

4 前景展望

综上所述, 化学吸收法捕获CO2是一项高效、节能、环保的新兴技术, 对于火力发电厂CO2的减排具有广阔的应用前景。但在实际应用中, 富集CO2的胺溶液再生时所需的CO2解吸压力比较低, CO2的压缩能也较高, 增大了回收CO2的成本。因此, CO2在胺溶液中的解吸机理和动力学是今后的研究方向之一。

目前化学吸收法捕获CO2工艺中还存在吸收剂对CO2吸收效率不高、吸收剂运行中损失大、吸收剂对系统的腐蚀和发泡现象, 以及投资和运作成本偏高等问题。因此, 需要研制新型的化学吸收剂, 开发能耗更低、效率更高的新工艺。

此外将化学吸收技术与其他分离过程相结合, 发展新一代集成分离技术, 也是今后化学吸收法捕获CO2的又一重要研究方向。

摘要：本文阐述了化学吸收法捕获CO2的原理、分类及其在火电厂CO2捕获中的应用现状, 并对化学吸收法捕获CO2的发展方向进行了展望。

关键词：火力发电厂,二氧化碳,捕获,化学吸收

参考文献

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[4] 王阳, 贾莹光, 李振中, 郭波, 王智, 高冠帅.燃煤烟气氨法CO2减排技术的研究[J].电力设备, 2008, 9 (5) :17～20.

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[6] Dong Hong yi, Rochelle Gary T.CO2absorption rate and solubility in monoethanolamine/piperazine/water[J].Separation Science and Technology, 2003, 38 (2) :337～357.

[7] 刘练波, 黄斌, 郜时旺, 许世森.燃煤电站3000～5000t/a CO2捕集示范装置工艺及关键设备[J].电力设备, 2008, 9 (5) :21～24.