旋转式和静态式填料塔脱碳性能实验研究

何丽娟，王淑旭，黄艳伟，魏士钦，潘 鹏

（内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010）

燃煤电厂作为我国CO2主要排放源，占总排放量的50%[1]。通常电厂烟道气成分为CO2、氧气和水蒸气等，具有温度高、压力低、杂质和氧气含量高等特点[2]。烟道气中CO2捕集效率与吸收剂种类及吸收装置结构密切相关，混合胺液吸收剂因效率高、耗能低、价格便宜等被普遍使用[3-5]。

近年来，国内外学者对混合胺液吸收CO2性能开展了大量探索。2011年上海师范大学高涵[6]对混合有机胺吸收烟道气中的CO2进行了实验研究，结果表明比例为1.38mol/L MDEA+0.12mol/L TETA时吸收效果最好，烟道气中CO2物质的量分数可由3.49%降至0.05%。2012年Stefania等[7-8]也提到MDEA及TETA是捕集烟道气中CO2的高效吸收剂，CO2体积分数可降低至5%。2013年中国石油大学郭清[9]采用体积组成为20%MDEA+10%TETA+70%H2O的胺混合液吸收CO2并通过实验研究其吸收特性，结果表明吸收速率可达0.044mol/(L·min)。

填料塔结构形式也是影响烟道气中CO2吸收的一个重要方面。早在1999年，杨晓东就研究了填料塔结构对吸收特性的影响，实验结果表明液体分布器及折流挡板的合理使用可使喷淋量均匀从而提升设备的传质性能[10]。2012年张亮亮[11]提到超重力作用型旋转床是一种混合多相流发生器，可加强气液转化过程。2013年马双晨等[12]研究发现吸收装置的设计在碳捕获过程中起着重要作用，使用旋转喷雾塔在CO2分压15kPa、气体温度30～40℃时可得到最高的体积传质系数。2015年北京化工大学李宗祥等[13-14]提出一种静态导流板式旋转床，其脱碳率比传统填料塔高5%～10%。2010年沈洪士等[15]对填料塔中CO2吸收进行实验研究，设定CO2体积分数10%，气体流量2.4m3/h，循环液体量25L/h，结果表明吸收CO2效率高达80%。2012年天津大学赵行健等[16]应用CFD和CMT知识及相关湍流理论模型，利用Fluent软件对填料塔内CO2流动和传质过程模拟，结果表明填料塔吸收CO2效率受气体及液体流速、液体浓度等因素影响。

本文在实验验证基础上，选择吸收效率高的20%MDEA+10%TETA+70%H2O混合胺液为吸收剂，在旋转吸收填料塔和静态折流板式吸收填料塔内模拟烟道气中CO2的吸收过程，通过对比实验，为CO2捕集装置的选择提供基础。

1 工作原理

1.1 旋转吸收填料塔工作原理

旋转吸收填料塔依靠重力型喷淋式液体分布器作用达到液体面分布，具有布液均匀，气体通量大等特点。在旋转力作用下，填料润湿覆盖率比排管式高。因此，本实验把吸收填料塔与重力型喷淋式液体分布器结合，组成旋转吸收填料塔。在电机作用下，通过液体分布器实现液体面分布，提高喷淋点液体密度，增强旋转吸收填料塔传质效果。20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液从进液口7进入，在喷淋式液体分布器3及电机8作用均匀分布于填料层中；从进气口1进入的气体，在填料塔4内与混合胺液进行作用。液封装置5可防泄漏提高反应吸收效率。反应后气体从出气口2流出填料塔，液体从出液口6流回至储液箱继续循环。

图1 旋转吸收填料塔原理图

1.2 静态折流板式吸收填料塔工作原理

图2 静态折流板式吸收填料塔原理图

静态折流板式吸收填料塔通过轴向液体分布器及塔内加装的位置左右错开、间隔为80mm的一字型折流挡板进行液体分布。流体在轴向液体分布器作用下被撕成微小的颗粒或膜状，产生大量快速更新的表面积，在错流作用下，布液面积和气液流程均增加，从而增强传质效果提高吸收效率。20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液从进液口7进入填料塔2，在电机5作用下通过折流挡板9和轴向液体分布器10均布于填料塔2内填料层中；从进气口1进入的气体，在填料塔2内与混合胺液进行作用。液封装置3可防泄漏，平衡螺杆4防内筒倾斜。反应后气体从出气口6流出填料塔，液体从出液口8流至储液箱继续循环。

2 实验结果及分析

以电厂烟道气为基础，按体积比3:17配制CO2和N2混合气作模拟烟气，体积组成为20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液作吸收剂。在烟气流量0.5m3/h，混合胺液入口温度40℃的条件下，测定两种填料塔内CO2吸收效率。

2.1 混合胺液流量对CO2吸收效率的影响

当液体分布器转速900r/min，填料高度300mm，混合胺液流量在10～40L/h范围内变化时，得到混合胺液流量对CO2吸收效率影响规律如图3所示。

图3 混合胺液流量对CO2吸收效率影响

由图3可知，混合胺液流量变化时CO2吸收效率均出现先升高后降低的趋势。混合胺液流量较低时，出液量不足，混合胺液在填料表面液膜形成及更新速度较慢，模拟烟气中CO2未被液膜充分吸收就被后续气体裹带出填料塔，此时吸收效率较低。当混合胺液流量不断增加时，液膜形成与更新速度均加快，在吸收CO2时更易达到相平衡及化学平衡，混合胺液和CO2反应充分，壁流效应及端效应得到有效解决，此时吸收效率逐渐提升。随胺液流量进一步增加，液膜更新速度超过化学反应速度，相平衡、化学平衡被新液破坏，部分液体反应不够充分就被冲出塔体，吸收效率下降。静态折流板式吸收填料塔采用轴向液体分布器及静态折流挡板共同布液，因此吸收效率高于旋转吸收填料塔。在相同工况下，混合胺液流量变化范围在10～40L/h时，静态折流板式吸收填料塔在20L/h吸收效率达最高值88.7%，旋转吸收填料塔在30L/h吸收效率达最高值85.6%，由此可知静态折流板式吸收填料塔比旋转吸收填料塔充液量小，在试剂用量上更具优势。

2.2 液体分布器转速对CO2吸收效率的影响

当混合胺液流量25L/h，填料高度300mm，液体分布器转速在300～1500r/min范围内变化时，得到液体分布器转速对CO2吸收效率影响规律如图4所示。

图4 液体分布器转速对CO2吸收效率影响

由图4可知，随液体分布器转速变化CO2吸收效率均出现先升高后降低的趋势。由传热传质原理知，在液体分布器作用下破碎的液滴在填料上平铺开，使得表面液膜逐步更新。转速较低时，出液速度慢，产生的离心力不足以使液滴形成连续液膜及克服填料阻力，模拟烟气中CO2不能被完全吸收，效率降低。随液体分布器转速增加，出液量得到调整，产生的离心力可使液滴均布在填料上，形成连续液膜，增大CO2与混合胺液接触相界面积，强化热质交换过程，吸收效率升高。当转速增加为900r/min时，在充分润湿的填料下，表面液膜被有效更新，解决了端效应和壁流效应，加强了相界面上转化过程，吸收CO2效率达极高值。液体分布器转速进一步增加时，离心力增大，使大量吸收剂被甩在塔壁上破坏连续液膜的形成，减小有效吸收CO2的液体量，混合胺液与CO2接触时间变短，CO2吸收效率降低。转速小于900r/min时液体分布器转速是出液量主要影响因素，因此静态折流板式吸收填料塔效率高于旋转吸收填料塔。当转速超过900r/min时，随转速增加填料塔内平衡被破坏，故吸收效率降低，此时因折流挡板的阻挡作用旋转吸收填料塔吸收效率较高。

2.3 填料高度对CO2吸收效率的影响

当混合胺液流量25L/h，液体分布器转速900r/min，填料高度在200～400mm范围内变化时，得填料高度对CO2吸收效率影响规律如图5所示。

图5 填料高度对CO2吸收效率影响

由图5可知，随填料高度增加CO2吸收效率均出现先升高后降低的趋势。由传质学及流体力学相关原理可得，填料高度影响混合胺液与CO2间的接触情况。当填料高度较低时，CO2及混合胺液与填料接触时间短，接触面积不充分，混合胺液未能发挥有效作用吸收CO2，导致效率较低。随填料高度增加，气液接触过程逐渐增长，接触面积不断增大，气液作用时间充足，可进行有效的热质交换，提升CO2吸收效率。当填料高度大于某一定值后，随填料高度增加，气体流动时填料所给阻力增大，流动受影响，同时液滴出液过程中，液膜所受阻力也逐渐增大，部分液体由塔壁直接到达塔底没有参加反应，导致CO2与混合胺液的接触受阻，不能进行有效作用，故CO2吸收效率降低。因填料高度影响液体在填料中分布情况，故布液均匀的静态折流板式吸收填料塔吸收效果更好。

3 结论

本文提出两种不同结构的CO2吸收填料塔，自建实验台并进行CO2吸收效率实验研究。经对比分析实验结果，得到如下主要结论：

(1)在模拟烟气V(CO2):V(N2)=3:17、吸收剂为体积组成为20%MDEA+10%TETA+70%H2O的混合胺液、烟气流量0.5m3/h、混合胺液入口温度40℃的条件下，两种吸收填料塔CO2的吸收随液体分布器转速、填料高度及混合胺液流量变化具有相同规律。

(2)在液体分布器转速900r/min、填料高度300mm、混合胺液流量20L/h时，静态折流板式吸收填料塔比旋转吸收填料塔具有更高的CO2吸收效果，最高吸收效率高达88.7%。

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