【導(dǎo)讀】二氧化碳?xì)怏w具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結(jié)果是形成一種。因此，二氧化碳也被稱(chēng)為溫室氣體。料燃燒后放出大量的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入大氣造成的。由環(huán)境污染引起的溫室效應(yīng)是指地球表面變熱的現(xiàn)象。1)地球上的病蟲(chóng)害和傳染疾病增加；3)氣候反常，海洋風(fēng)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(duì)沿岸低洼地區(qū)及海島會(huì)造成嚴(yán)重的。沿岸沼澤地區(qū)消失肯定會(huì)令魚(yú)類(lèi)，尤其是貝殼類(lèi)的數(shù)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(huì)增加。但是，地區(qū)性降雨量的改變則仍未知道。全球應(yīng)對(duì)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(chēng)2021年我國(guó)CO2排放量已經(jīng)躍居世界第一)。的態(tài)勢(shì),將越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注和壓力。體的最主要排放源,約占我國(guó)CO2排放總量的50%。迅速增多,燃煤電廠CO2排放的絕對(duì)數(shù)量和相對(duì)比例還將進(jìn)一步增加。DEA、TEA吸收CO2的反應(yīng)速率方程可表示為

　　

【正文】 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 1 第一章 前 言 引言 二氧化碳?xì)怏w具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結(jié)果是形成一種無(wú)形的玻璃罩，使太陽(yáng)輻射到地球上的熱量無(wú)法向外層空間發(fā)散，其結(jié)果是地球表面變熱起來(lái)。因此，二氧化碳也被稱(chēng)為溫室 氣體。 溫室效應(yīng)主要是由于現(xiàn)代化工業(yè)社會(huì)過(guò)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?xì)怏w進(jìn)入大氣造成的。 由環(huán)境污染引起的溫室效應(yīng)是指地球表面變熱的現(xiàn)象。 它會(huì)帶來(lái)以下列幾種嚴(yán)重惡果： 1) 地球上的病蟲(chóng)害和傳染疾病增加； 2) 海平面上升； 3) 氣候反常，海洋風(fēng)暴增多； 4) 土地干旱，沙漠化面積增大。 5)經(jīng)濟(jì)的影響 全球有超過(guò)一半人口居住在沿海 100 公里的范圍以?xún)?nèi)，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(duì)沿岸低洼地區(qū)及海島會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng) 濟(jì)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(yuǎn)的內(nèi)陸地方。 6)農(nóng)業(yè)的影響 實(shí)驗(yàn)證明在 CO2高濃度的環(huán)境下，植物會(huì)生長(zhǎng)得更快速和高大。但是， 39。全球變暖 39。的結(jié)果可會(huì)影響大氣環(huán)流，繼而改變?nèi)虻挠炅糠植寂c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(duì)各地區(qū)性氣候的影響，以致對(duì)植物生態(tài)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(huì)令魚(yú)類(lèi)，尤其是貝殼類(lèi)的數(shù)量減少。河口水質(zhì)變咸可會(huì)減少淡水魚(yú)的品種數(shù)目，相反該地區(qū)海洋魚(yú)類(lèi)的 品種也可能相對(duì)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(huì)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(huì)減少。此外 ，溫度的提高會(huì)增加水份的蒸發(fā)，這對(duì)地面上水源的運(yùn)用帶來(lái)壓力。 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 2 科學(xué)家預(yù)測(cè)：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(dǎo)致海平面大大上升，一些島嶼國(guó)家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個(gè)著名的國(guó)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(yīng)引起了 全球的廣泛關(guān)注。已成為國(guó)際能源領(lǐng)域研發(fā)的熱點(diǎn)。全球應(yīng)對(duì)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(fèi)的 CO2排放。根據(jù) EIA (Energy Information Administration)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) , 2021 年我國(guó) 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(guó)。2021— 2021 年 ,我國(guó) CO2 排放的增長(zhǎng)量占世界同期 CO2 排放增長(zhǎng)量的 50%以上 ,預(yù)計(jì) 2021年前我國(guó) CO2排放量就有可能超過(guò)美國(guó)成為世界第一排放大國(guó) (部分外媒宣稱(chēng) 2021 年我國(guó) CO2 排放量已經(jīng)躍居世界第 一 )。我國(guó) CO2排放量較快增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì) ,將越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注和壓力。燃煤電廠 CO2 排放是我國(guó)溫室氣體的最主要排放源 ,約占我國(guó) CO2排放總量的 50%。近年來(lái) ,隨著火電裝機(jī)容量的迅速增多 ,燃煤電廠 CO2排放的絕對(duì)數(shù)量和相對(duì)比例還將進(jìn)一步增加。因此 , CO2的減排將是我國(guó)燃煤發(fā)電未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。由于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主 ,以及今后對(duì)燃煤發(fā)電的長(zhǎng)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(shù)、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(guó)能源結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以燃煤發(fā)電 為主的現(xiàn)狀 ,決定了只有進(jìn)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(jìn)一步大量減少 CO2 排放的唯一手段。目前 ,國(guó)際上 CO2捕集與封存技術(shù)正處于研究開(kāi)發(fā)和示范階段 ,尚未達(dá)到商業(yè)化 ,我國(guó)在此領(lǐng)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(xué)吸收法在工業(yè)上的應(yīng)用尤為廣泛。在傳統(tǒng)的化學(xué)脫碳過(guò)程中，應(yīng)用一乙醇胺 (MEA)法脫除CO2 已進(jìn)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(dá) 34美元 /噸 [2] 二氧化碳的吸收主要是在吸收塔內(nèi)進(jìn)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(shè)計(jì) 3 吸收溶液的選擇 目前 ,普遍認(rèn)為燃燒后捕獲技術(shù)最為可行 ,因該技術(shù)最適合于對(duì)傳統(tǒng)燃燒設(shè)備進(jìn)行以捕獲 CO2 為目的的改進(jìn) ,且其具有節(jié)省設(shè)備投資和技術(shù)成熟程度更接近商業(yè)化的優(yōu)勢(shì) .燃燒后捕獲主要通過(guò)采用物理溶劑、化學(xué)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(xué)溶劑通過(guò)化學(xué)反應(yīng)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(duì) MEA、DEA、 MDEA、 TEA、 DIPA、 DGA 六種溶液在不同濃度下對(duì)二氧化碳的吸收情況進(jìn)行模擬。在吸收過(guò)程中，吸收速率是受到溶解度系數(shù)、液相的分子擴(kuò)散系數(shù)以及溶液的濃度共同影響的。溶液濃度增大可增強(qiáng) CO2 的水解，即增強(qiáng)溶液對(duì)CO2的吸收，但同時(shí)溶液的溶解度系數(shù)和分子擴(kuò)散系數(shù)將隨著溶液的濃度增加而降低，所以每種溶液都有一個(gè)相對(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)吸收能力較強(qiáng)，且所需濃度較低，具有一定經(jīng)濟(jì)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(duì)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(shí) ,吸收系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)所需醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 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(guò)程熱負(fù)荷 Qreb 的大小直接影響到蒸汽消耗量 ,其費(fèi)用接近整個(gè)捕獲流程運(yùn)行費(fèi)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(yīng)用受到嚴(yán)重制約 [5]。 溶劑種類(lèi)、傳質(zhì)設(shè)備類(lèi)型和工藝流程設(shè)置等因素 [5，6]會(huì)影響到溶液吸收 解吸流程的效率和熱消耗 .因此 ,在開(kāi)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(jìn)一步減少胺鹽溶液解吸過(guò)程中的熱能消耗是非常必要的 [7]。 化學(xué)吸收法主要采用堿性溶液等能同 CO2 進(jìn)行快速反應(yīng)的物質(zhì)溶解吸收CO2，然后通過(guò)改變條件分解釋放 CO2 氣體，同時(shí)再生吸收劑。 MEA 具有很好的吸收能力并且工藝簡(jiǎn)單，是較理想的吸收劑。目前，世界上大多數(shù)從電廠煙氣中捕集 CO2的方法都是以 MEA 溶劑為基礎(chǔ)的化學(xué)吸收法 [8]。 根據(jù)理論分析， MEA 與 CO2反應(yīng)生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，在再生過(guò)程中需要較多的能量才能分解，導(dǎo)致再生能耗較大。同時(shí)氨基甲酸鹽對(duì)設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng)，又易形成水垢。 MEA 與 CO2的反應(yīng)式 [9]如下： CO2+HOCH2CH2NH2=HOCH2CH2HNCOO－ +H+（ 1） HOCH2CH2HNCOO－ +H2O=HOCH2CH2NH2+HCO3－ （ 2） HOCH2CH2NH2+H+=HOCH2CH2NH3+（ 3） 反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在加熱作用下，反應(yīng)將會(huì)逆向進(jìn)行，可對(duì)醇胺溶液進(jìn)行再生 。 因?yàn)?MEA 與 CO2 反應(yīng)生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，反應(yīng)式（ 2）比反應(yīng)式（ 1）要快得多，所以總反應(yīng)式可以寫(xiě)為： CO2+2HOCH2CH2NH2+H2O=HOCH2CH2HNCOO－ +HOCH2CH2NH3+ 由總反應(yīng)式可看出，乙醇胺吸收 CO2 時(shí)將會(huì)受到熱力學(xué)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(jié)構(gòu) 吸收塔的定義 吸收塔是實(shí)現(xiàn)吸收操作的設(shè)備。按氣液相接觸形態(tài)分為三類(lèi)。第一類(lèi)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(lèi)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(lèi)為液體以膜狀運(yùn)動(dòng)醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 5 與氣相進(jìn)行接觸的填料吸收塔和降膜吸收塔。 塔內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)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(dòng)，與從下向上流動(dòng)的氣體接觸，吸收了吸收質(zhì)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(yīng)具備以下基本要求： (1)塔內(nèi)氣體與液體應(yīng)有足夠的接 觸面積和接觸時(shí)間。 (2)氣液兩相應(yīng)具有強(qiáng)烈擾動(dòng)，減少傳質(zhì)阻力，提高吸收效率。 (3)操作范圍寬，運(yùn)行穩(wěn)定。 (4)設(shè)備阻力小，能耗低。 (5)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力。 (6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造和檢修。 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 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(jìn)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(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)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(rùn)濕性、耐腐蝕、一定的機(jī)械強(qiáng)度、密度小、價(jià)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(jì) 80 年代后開(kāi)發(fā)的新型填料如 QH— 1 型扁環(huán)填料、八四內(nèi)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(jìn)的填料塔設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。 填料塔適用于快速和瞬間反應(yīng)的吸收過(guò)程，多用于氣體的凈化。該塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時(shí)間長(zhǎng)，氣量變化時(shí)塔的適應(yīng)性強(qiáng)，塔阻力小，壓力損失為 300～ 700Pa，與板式塔相比處理風(fēng)量小，空塔氣速通常為 ～ ，氣速過(guò)大會(huì)形成液泛，噴淋密度 6～ 8m3 /(m2， h)以保證填料潤(rùn)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)克服塔內(nèi)氣液分布不均的問(wèn)題。 圖 13 填料塔 (2)湍球塔 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 7 它是填料塔的一種特殊形式，運(yùn)行時(shí)塔內(nèi)填料處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以強(qiáng)化吸收過(guò)程。在塔內(nèi)柵板間放置一定數(shù)量的輕質(zhì)小球填料 (直徑 29～ 38mm)，吸收劑自塔頂噴下，濕潤(rùn)小球表面，氣體從塔底進(jìn)入，小球被吹起湍動(dòng)旋轉(zhuǎn)，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(dòng)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(zhì)量不同的小球改變操作范圍。該塔處理風(fēng)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(diǎn)是塑料小球不能承受高溫，小球易裂 (一般 ～ 1 年 )，需經(jīng)常更換，成本高。 (3)板式塔 板式塔是在塔內(nèi)裝有一層層的塔板，液體從塔頂進(jìn)入。氣體從塔底進(jìn)入，氣液的傳質(zhì)、傳熱過(guò)程是在各個(gè)塔板上進(jìn)行。板式塔種類(lèi)很多。大致可分為二類(lèi)：一類(lèi)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(dòng)噴射塔等；另一類(lèi)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(shè)有溢流堰，液層厚度一般為 40mn 左右，篩板空塔風(fēng)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(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，處理風(fēng)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(yán)格，塔板應(yīng)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(shè)計(jì) 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(zhǎng) 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(cuò)排列，液體經(jīng)溢流堰供至塔板 (堰高 30mm)，與氣流方向垂直流動(dòng)，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(zhì)效果較好，凈化效率高，同時(shí)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(jié)構(gòu)比篩孔板塔復(fù)雜，制造較困難，安裝要求嚴(yán)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(fēng)分離器組成，操作時(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備小、占空間少、氣速高、處理量大、氣液接觸好、傳質(zhì)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(shí)間短，不適合難溶或反應(yīng)速度慢的氣液吸收，而且壓力損失大 (800～ 9000h)，能耗高。 塔設(shè)備的構(gòu)件，除了種類(lèi)繁多的各種內(nèi)件外