【導讀】二氧化碳氣體具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結果是形成一種。因此，二氧化碳也被稱為溫室氣體。料燃燒后放出大量的二氧化碳氣體進入大氣造成的。由環(huán)境污染引起的溫室效應是指地球表面變熱的現(xiàn)象。1)地球上的病蟲害和傳染疾病增加；3)氣候反常，海洋風暴增多；4)土地干旱，沙漠化面積增大。所以，海平面的顯著上升對沿岸低洼地區(qū)及海島會造成嚴重的。沿岸沼澤地區(qū)消失肯定會令魚類，尤其是貝殼類的數量減少。于整體海洋生態(tài)所受的影響仍未能清楚知道。全球降雨量可能會增加。但是，地區(qū)性降雨量的改變則仍未知道。全球應對氣候變化的核心是減少溫室氣體排放,其中主要是減少能源消。媒宣稱2021年我國CO2排放量已經躍居世界第一)。的態(tài)勢,將越來越受到國際社會的關注和壓力。體的最主要排放源,約占我國CO2排放總量的50%。迅速增多,燃煤電廠CO2排放的絕對數量和相對比例還將進一步增加。DEA、TEA吸收CO2的反應速率方程可表示為

　　

【正文】 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 1 第一章 前 言 引言 二氧化碳氣體具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結果是形成一種無形的玻璃罩，使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間發(fā)散，其結果是地球表面變熱起來。因此，二氧化碳也被稱為溫室 氣體。 溫室效應主要是由于現(xiàn)代化工業(yè)社會過多燃燒煤炭、石油和天然氣，這些燃料燃燒后放出大量的二氧化碳氣體進入大氣造成的。 由環(huán)境污染引起的溫室效應是指地球表面變熱的現(xiàn)象。 它會帶來以下列幾種嚴重惡果： 1) 地球上的病蟲害和傳染疾病增加； 2) 海平面上升； 3) 氣候反常，海洋風暴增多； 4) 土地干旱，沙漠化面積增大。 5)經濟的影響 全球有超過一半人口居住在沿海 100 公里的范圍以內，其中大部份住在海港附近的城市區(qū)域。所以，海平面的顯著上升對沿岸低洼地區(qū)及海島會造成嚴重的經 濟損害，例如：加速沿岸沙灘被海水的沖蝕、地下淡水被上升的海水推向更遠的內陸地方。 6)農業(yè)的影響 實驗證明在 CO2高濃度的環(huán)境下，植物會生長得更快速和高大。但是， 39。全球變暖 39。的結果可會影響大氣環(huán)流，繼而改變全球的雨量分布與及各大洲表面土壤的含水量。由于未能清楚了解 39。全球變暖 39。對各地區(qū)性氣候的影響，以致對植物生態(tài)所產生的轉變亦未能確定。 7)海洋生態(tài)的影響 沿岸沼澤地區(qū)消失肯定會令魚類，尤其是貝殼類的數量減少。河口水質變咸可會減少淡水魚的品種數目，相反該地區(qū)海洋魚類的 品種也可能相對增多。至于整體海洋生態(tài)所受 的影響仍未能清楚知道。 8)水循環(huán)的影響 全球降雨量可能會增加。但是，地區(qū)性降雨量的改變則仍未知道。某些地區(qū)可有更多雨量，但有些地區(qū)的雨量可能會減少。此外 ，溫度的提高會增加水份的蒸發(fā)，這對地面上水源的運用帶來壓力。 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 2 科學家預測：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到 2050 年全球溫度將上升 2－ 4 攝氏度，南北極地冰山將大幅度融化，導致海平面大大上升，一些島嶼國家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個著名的國際大城市：紐約，上海，東京和悉尼。 研究二氧化碳吸收的意義 二氧化碳造成的溫室效應引起了 全球的廣泛關注。已成為國際能源領域研發(fā)的熱點。全球應對氣候變化的核心是減少溫室氣體排放 ,其中主要是減少能源消費的 CO2排放。根據 EIA (Energy Information Administration)的數據統(tǒng)計 , 2021 年我國 CO2 排放總量為 47 億 ,t 約占世界總量的 17%,居世界第二 ,僅次于美國。2021— 2021 年 ,我國 CO2 排放的增長量占世界同期 CO2 排放增長量的 50%以上 ,預計 2021年前我國 CO2排放量就有可能超過美國成為世界第一排放大國 (部分外媒宣稱 2021 年我國 CO2 排放量已經躍居世界第 一 )。我國 CO2排放量較快增長的態(tài)勢 ,將越來越受到國際社會的關注和壓力。燃煤電廠 CO2 排放是我國溫室氣體的最主要排放源 ,約占我國 CO2排放總量的 50%。近年來 ,隨著火電裝機容量的迅速增多 ,燃煤電廠 CO2排放的絕對數量和相對比例還將進一步增加。因此 , CO2的減排將是我國燃煤發(fā)電未來可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。由于我國能源結構以燃煤發(fā)電為主 ,以及今后對燃煤發(fā)電的長期投入 ,從燃煤煙氣中有效的脫除 CO2將刻不容緩。 盡管發(fā)展新型煤電技術、可再生能源、核電與節(jié)能降耗等是可行的 CO2 減排手段 ,但是我國能源結構長期以燃煤發(fā)電 為主的現(xiàn)狀 ,決定了只有進行 CO2的捕集與永久封存才是減少溫室氣體排放的根本手段 ,也是進一步大量減少 CO2 排放的唯一手段。目前 ,國際上 CO2捕集與封存技術正處于研究開發(fā)和示范階段 ,尚未達到商業(yè)化 ,我國在此領域的研發(fā)也剛剛起步 [1]。 現(xiàn)階段 CO2 回收方法主要有吸收法和 吸附 法兩種方法，而化學吸收法在工業(yè)上的應用尤為廣泛。在傳統(tǒng)的化學脫碳過程中，應用一乙醇胺 (MEA)法脫除CO2 已進行了廣泛的研究，并成功地用于化工廠的 CO2 回收，但其成本高達 34美元 /噸 [2] 二氧化碳的吸收主要是在吸收塔內進行，吸收塔的性能直接 影響著二氧化碳的吸收效果。 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 3 吸收溶液的選擇 目前 ,普遍認為燃燒后捕獲技術最為可行 ,因該技術最適合于對傳統(tǒng)燃燒設備進行以捕獲 CO2 為目的的改進 ,且其具有節(jié)省設備投資和技術成熟程度更接近商業(yè)化的優(yōu)勢 .燃燒后捕獲主要通過采用物理溶劑、化學溶劑以及兩者的混合溶劑脫除發(fā)電廠燃放氣中的 CO2的分壓低 ,且含有大量不溶性氣體 ,故采用胺鹽溶液等化學溶劑通過化學反應吸收以分離其中的 CO2 是最有效的手段 [3， 4]。 在胺溶液流量 120 m3/h、吸收溫度 40℃ 、常壓吸收條件下，分別對 MEA、DEA、 MDEA、 TEA、 DIPA、 DGA 六種溶液在不同濃度下對二氧化碳的吸收情況進行模擬。在吸收過程中，吸收速率是受到溶解度系數、液相的分子擴散系數以及溶液的濃度共同影響的。溶液濃度增大可增強 CO2 的水解，即增強溶液對CO2的吸收，但同時溶液的溶解度系數和分子擴散系數將隨著溶液的濃度增加而降低，所以每種溶液都有一個相對理想的吸收濃度范圍，而不是濃度越高越好。如圖 1 所示， MEA 溶液相對來說吸收能力較強，且所需濃度較低，具有一定經濟性，是較為理想的吸收溶液 [2]。 圖 11 各種 溶液在不同濃度下對二氧化碳的吸收 情況 基本的 MEA CO2 溶液吸收 解吸流程被廣泛用于天然氣處理工廠和制氨工廠的 CO2去除 .該流程用于捕獲電站廢氣中的 CO2時 ,吸收系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)所需醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 4 的 CO2脫除效率 ,并為解吸系統(tǒng)提供高濃度 CO2的富胺鹽溶液 .解吸系統(tǒng)必須解吸出一定量的 CO2,以提供合理的 CO2濃度的貧胺鹽溶液返回吸收系統(tǒng)循環(huán)使用 .貧 富胺鹽溶液的熱交換可有效利用貧胺鹽溶液的熱能 ,以減少解吸能耗 .但是 ,該流程能耗仍然較高 ,而解吸過程熱負荷 Qreb 的大小直接影響到蒸汽消耗量 ,其費用接近整個捕獲流程運行費用的 80%,使得基本 MEA流程處理發(fā)電廠 燃放氣中 CO2的商業(yè)應用受到嚴重制約 [5]。 溶劑種類、傳質設備類型和工藝流程設置等因素 [5，6]會影響到溶液吸收 解吸流程的效率和熱消耗 .因此 ,在開展新的流程研究之前 ,綜合優(yōu)化基本的 MEA CO2捕獲流程以進一步減少胺鹽溶液解吸過程中的熱能消耗是非常必要的 [7]。 化學吸收法主要采用堿性溶液等能同 CO2 進行快速反應的物質溶解吸收CO2，然后通過改變條件分解釋放 CO2 氣體，同時再生吸收劑。 MEA 具有很好的吸收能力并且工藝簡單，是較理想的吸收劑。目前，世界上大多數從電廠煙氣中捕集 CO2的方法都是以 MEA 溶劑為基礎的化學吸收法 [8]。 根據理論分析， MEA 與 CO2反應生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，在再生過程中需要較多的能量才能分解，導致再生能耗較大。同時氨基甲酸鹽對設備的腐蝕性較強，又易形成水垢。 MEA 與 CO2的反應式 [9]如下： CO2+HOCH2CH2NH2=HOCH2CH2HNCOO－ +H+（ 1） HOCH2CH2HNCOO－ +H2O=HOCH2CH2NH2+HCO3－ （ 2） HOCH2CH2NH2+H+=HOCH2CH2NH3+（ 3） 反應為放熱反應，在加熱作用下，反應將會逆向進行，可對醇胺溶液進行再生 。 因為 MEA 與 CO2 反應生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，反應式（ 2）比反應式（ 1）要快得多，所以總反應式可以寫為： CO2+2HOCH2CH2NH2+H2O=HOCH2CH2HNCOO－ +HOCH2CH2NH3+ 由總反應式可看出，乙醇胺吸收 CO2 時將會受到熱力學的限制，即 1 mol醇胺最大的吸收能力為 mol 的 CO2。 吸收塔系統(tǒng)及結構 吸收塔的定義 吸收塔是實現(xiàn)吸收操作的設備。按氣液相接觸形態(tài)分為三類。第一類是氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的 板式塔 、鼓泡吸收塔、攪拌鼓泡吸收塔；第二類是液體以液滴狀分散在氣相中的噴射器、文氏管、噴霧塔；第三類為液體以膜狀運動醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 5 與氣相進行接觸的填料吸收塔和降膜吸收塔。 塔內氣液兩相的流動方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收劑以塔頂加入自上而下流動，與從下向上流動的氣體接觸，吸收了吸收質的液體從塔底排出，凈化后的氣體從塔頂排出。 圖 12 吸收塔 工業(yè)吸收塔應具備以下基本要求： (1)塔內氣體與液體應有足夠的接 觸面積和接觸時間。 (2)氣液兩相應具有強烈擾動，減少傳質阻力，提高吸收效率。 (3)操作范圍寬，運行穩(wěn)定。 (4)設備阻力小，能耗低。 (5)具有足夠的機械強度和耐腐蝕能力。 (6)結構簡單、便于制造和檢修。 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 6 幾種常用的吸收塔 (1)填料塔 它由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體進出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。 填料是填料塔的核心，它提供了塔內氣液兩相的接觸面，填料與塔的結構決定了塔的性能。填料必須具備較大的比 表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一定的機械強度、密度小、價格低廉等。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料， 20 世紀 80 年代后開發(fā)的新型填料如 QH— 1 型扁環(huán)填料、八四內弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為先進的填料塔設計提供了基礎。 填料塔適用于快速和瞬間反應的吸收過程，多用于氣體的凈化。該塔結構簡單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時間長，氣量變化時塔的適應性強，塔阻力小，壓力損失為 300～ 700Pa，與板式塔相比處理風量小，空塔氣速通常為 ～ ，氣速過大會形成液泛，噴淋密度 6～ 8m3 /(m2， h)以保證填料潤濕，液氣比控制在 2～ 10L/m3。填料塔不宜處理含塵量較大的煙氣，設計時應克服塔內氣液分布不均的問題。 圖 13 填料塔 (2)湍球塔 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 7 它是填料塔的一種特殊形式，運行時塔內填料處于運動狀態(tài)，以強化吸收過程。在塔內柵板間放置一定數量的輕質小球填料 (直徑 29～ 38mm)，吸收劑自塔頂噴下，濕潤小球表面，氣體從塔底進入，小球被吹起湍動旋轉，由于氣、液、固三相充分接觸，小球表面液膜不斷更新，增加了吸收推動力。提高了吸收效率。 該塔制造、安裝、維修較方便，可以用大小、質量不同的小球改變操作范圍。該塔處理風量較大，空塔氣速 ～ ，噴淋密度 20～ 110 m3/(m2h)，壓力損失 1500～ 3800Pa，而且還可處理含塵氣體。其缺點是塑料小球不能承受高溫，小球易裂 (一般 ～ 1 年 )，需經常更換，成本高。 (3)板式塔 板式塔是在塔內裝有一層層的塔板，液體從塔頂進入。氣體從塔底進入，氣液的傳質、傳熱過程是在各個塔板上進行。板式塔種類很多。大致可分為二類：一類是降液管式，如泡罩塔、篩孔板塔、浮閥塔、 S 形單向流板塔 、舌形板塔、浮動噴射塔等；另一類是穿流式板塔，如穿流柵孔板塔 (淋降板塔 )、波紋穿流板塔、菱形斜孔板塔、短管穿流板塔等。 1篩孔板塔 篩孔直徑一般取 5～ 10mm，篩孔總面積占篩板面積的 10％～ 18％。為使篩板上液層厚度保持均勻，篩板上設有溢流堰，液層厚度一般為 40mn 左右，篩板空塔風速約為 ～ ，篩板小孔氣速 6～ 13m/s，每層篩板阻力 300～ 600Pa。篩孔板塔主要優(yōu)點是構造簡單，處理風量大，并能處理含塵氣體。不足之處是篩孔堵塞清理較麻煩，塔的安裝要求嚴格，塔板應保持水平；操作彈性較小 。 圖 14 篩板精餾塔 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設計 8 2斜孔板塔 斜孔板塔是篩孔板塔的另一形式。斜孔寬 10～ 20m，長 10～ 15mm，高6mm。空塔氣流速度一般取 1～ ，篩孔氣流速度取 10～ 15m/s。氣體從斜孔水平噴出，相鄰兩孔的孔口方向相反，交錯排列，液體經溢流堰供至塔板 (堰高 30mm)，與氣流方向垂直流動，造成氣液的高度湍流，使氣液表面不斷更新，氣液充分接觸，傳質效果較好，凈化效率高，同時可以處理含塵氣體，不易堵塞，每層篩板阻力約為 400～ 600Pa。該塔結構比篩孔板塔復雜，制造較困難，安裝要求嚴格，容易發(fā)生 偏流。 3文氏管吸收器 文氏管吸收器通常由文氏管、噴霧器和旋風分離器組成，操作時將液體霧化噴射到文氏喉管的氣流中，氣流速度為 60～ 100m/s，處理 100m3/min的廢氣需液體霧化噴人量為 40L/min。文氏管吸收器結構簡單、設備小、占空間少、氣速高、處理量大、氣液接觸好、傳質較容易，特別適用于捕集氣流中的微小顆粒物。但因氣液并流，氣液接觸時間短，不適合難溶或反應速度慢的氣液吸收，而且壓力損失大 (800～ 9000h)，能耗高。 塔設備的構件，除了種類繁多的各種內件外