CN105013308A

CN105013308A - 高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气co2的装置及方法

Info

Publication number: CN105013308A
Application number: CN201510344446.0A
Authority: CN
Inventors: 赵兵涛
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2015-11-04

Abstract

本发明涉及一种高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置及方法，模拟气瓶通过流量计与旋流反应器系统的气相进口相连接，液相供给系统包括吸收剂和流量计，吸收剂通过流量计与旋流反应器系统的气液进口相连接；旋流反应器系统为一种高速旋撞流反应器，高速旋撞流反应器上部具有多个气液进口，顶部具有气相出口，底部具有液相出口。本发明采用一类高速旋撞流的极端物理条件，使得氨(胺)基吸收剂被旋转撞击流弥散成微细液滴，极大的增强了吸收剂的比表面积，同时使得气体与吸收剂雾化颗粒液湍流强度及混合性能增强，并使与气体接触的吸收剂雾化颗粒有效接触混合，在增大气液接触面积的同时剪切缩小液滴其边界层厚度，从而有效增强了CO₂的传质系数与脱碳效率。

Description

高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO2的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧烟气CO₂排放控制方法及装置，具体涉及一种高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的方法及装置。

背景技术

由化石燃料燃烧产生的燃烧烟气CO₂（Post-combustion CO₂）排放被主流科学家认为是人为造成温室效应的重要诱因。高效、经济、环保的燃烧烟气CO₂捕捉与封存（Carbon dioxide Capture & Storage, CCS）已经成为世界各国当前研究的热点和重点科学问题之一，其中CO₂的捕捉（脱除）是封存的前提和基础，尤为关键和重要。

目前对燃烧后烟气CO₂的脱除按机制划分主要包括物理法（如物理吸附、冷凝）、化学法（如化学吸附和吸收、化学链燃烧及膜分离）和生物法如微藻生物固碳等。相对而言，化学吸收法脱碳具有效率高、成本低、技术工艺成熟等优点。但是，强碱溶液如NaOH、Ca(OH)₂等由于其对设备的强腐蚀性、循环性差和产物资源化利用率低，适用性有限。因此，研发CO2吸收效率高、吸收容量大、再生能耗低或产物可资源化利用的吸收剂是氨(胺)法烟气脱碳的重要发展方向。

近年来氨(胺)基吸收剂包括氨水和有机胺吸收剂例如单乙醇胺(MEA), 二乙醇胺(DEA), 三乙醇胺(TEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)广泛应用于烟气脱碳。它们具有高吸收能力、高负载容量、低循环再生能耗和来源丰富等广泛优点，其产物亦可用来改良土壤，并且可以联合脱除燃烧烟气中SO₂、NO_x、Hg₂ ⁺等其它污染物。目前，氨(胺)基吸收剂捕捉CO₂已经成为燃烧烟气CO2排放控制和资源化利用的重要方式之一, 由于其相对于其它CO₂捕捉方式的独特优势, 正日益受到关注。基于氨(胺)法的湿法燃烧烟气CO₂捕捉的方法和技术研发，十分必要和紧迫。

氨(胺)法烟气脱碳的过程存在均相和非均相相互共同作用，是伴随着一系列复杂的与浓度、温度、压力、时间和湍流状态等关联的物理化学反应。以氨水为例，研究表明NH₃–CO₂–H₂O反应是5步可逆综合反应的加和，中间产物包括NH₂COO^-, CO₃ ^2-以及主要产物HCO₃ ^-共存于氨碳反应体系中。XRD、SEM、FT-IR、13C NMR和拉曼光谱的实验研究和基于双方程、八方程、两性离子或三分子机制模型的理论研究表明，氨碳化以及NH₂COO^-和CO₃ ^2-进一步碳化为HCO₃ ^-过程的化学反应动力学速率常数均对反应时间和反应条件如浓度、温度、压力、相物性等因素敏感。因此，湿法氨(胺)碳反应科学问题的实质可以概括为气液两相的物理化学特性、两相动力学特性以及化学反应特性的问题。

为了强化氨(胺)法烟气脱碳的性能，就要求从上述三个关键的物理化学过程加以强化改善。近年来，随着一类特殊物理条件如高压、超重、超临界等环境在强化流动、传热、传质以及化学反应等科学研究中的成功应用，其优势也逐渐显现。因此，探索特殊条件下实现氨(胺)法高效燃烧烟气CO₂的脱除强化方法及其机理，进而实现脱碳操作条件的最优化控制，将会对燃烧烟气CO₂控制理论和工程应用产生积极意义。

为实现氨(胺)法烟气脱碳多重物理化学过程的强化，研究者从化学机制的角度分进行了探索研究。化学强化方法主要是使用功能性化学添加剂，如哌蓁(PZ)和烷烃醇胺(MEA, DEA, TEA, MDEA, AMP, AMPD, AEPD, THAM)等。研究表明，添加剂对溶液吸收的主要影响表现在对其表面张力的影响上，适当浓度的添加剂可有效降低氨水的表面张力达20%，从而促进氨碳反应的进行。但添加剂的作用有限，且其存在可使吸收剂氨的化学成分变得复杂，一定程度上影响了氨的再生循环利用。

近十年来，有别于传统气液接触和传质方式，如滴滤式(k _la=7×10^-2 s^-1)、气泡式(k _la=24×10^-2 s^-1)、文丘里(k_la=25×10^-2 s^-1)和膜面式(kla=40×10^-2 s^-1)，若干特殊物理条件强化方式在烟气脱碳领域逐渐显现（图1）。如采用静态气相旋流增加湍流脉动包括旋流喷淋(VS)和旋流叶片(VV)气液两相接触原理和方法，可使得气液的接触和传质时间延长或使液体薄膜化，同时增强三维强旋湍流气液的相互掺混效果，从而使传质过程强化。Javed et al. 报道在50-800L/min的气相流量下对低浓度CO2 (2.5%,v/v) 吸收的气相总体积传质系数KGa增幅可达10%-20%。此外研究表明相基于多级旋流机制的碳化反应体积总传质系数可达4.53×10^-5-9.22×10^-5 kmol·m^-3·s^-1·kPa，基于醇胺MEA的吸收效率可达90%以上。但由于气流通常为单股有限空间射流且入射速度通常<15m/s，液滴破碎和分散效果有限导致强化效果受限。另外，上述研究集中于低浓度CO₂(<5%, v/v)、或适用于液气比较大场合(L/Gmax=1:4, v/v)，且尚未见对大跨度燃烧烟气CO₂ (5%-20%)简易成熟的方法报道。

研究者还采用动态超重力 (Higee或RPB)的机制来实现过程强化。实验和数值模拟研究结果表明由动力旋转部件形成的超重力场可产生200-1000倍的重力因子，该条件可使流经介质载体表面的液相可被拉伸或剪切为比常规液滴小到10-2级别的液膜、液丝和液滴，从而有效提高传质系数。实验结果表明在错流旋转碟式气液接触方式下，600-1200r/min的旋转速度形成的超重力场可使氨碳吸收效率相比于常规重力场最高可提高33%。由于该方式有旋转部件，需要消耗额外能量，加之吸收性能参数与转速间非线性关系，其最佳工况条件差异性较大。

此外，近年来发展起来基于撞击流（IS）机理的方式也被用来进行气液混合传质与反应的强化改善。研究表明对置式气液撞击流具有显著强化相问传递、结构简单、流体阻力小等优点，可使氨(胺)法脱硫效率达到96%。一类T型及其改形式的撞击流可以促进微通道内的微观混合，撞击流微观混合液相传质系数kl较常规气液接触机制提高约1-2个数量级，且微观混合时间在1ms级。撞击流强化混合传质的基本思路是由两股等量多相流沿同轴相向流动，在中点处形成一个高度湍动的多相撞击区，在增加相界比表面积的同时缩短溶质渗透时间，还可使气液相因分子聚集状态完全不同，表现出具有重大差异的物理性质，从而强化了气液传质过程，但其在烟气脱碳领域的方法尚鲜见报道。

综上所述，从流动和混合等新的角度对常规原理、方法和技术方向进行探索创新，以实现气液强化传质与反应从而提高基于化学吸收法的烟气大跨度浓度CO2捕集性能，并同时降低系统能耗，是十分必要和迫切的。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置及方法，旨在解决基于化学吸收法的CO₂减排技术在大流量烟气、大跨度CO₂浓度下的强化传质与反应问题，具有CO₂减排效率高、工艺流程简单、投资成本低廉、运行稳定等优点。

本发明是通过以下具体技术方案实现的：

一种高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO2的装置，包括气相供给系统、液相供给系统、旋流反应器、气体辅助净化系统及测试系统，所述的气相供给系统包括模拟气瓶及流量计，所述模拟气瓶通过流量计与旋流反应器系统的气相进口相连接，所述的液相供给系统包括吸收剂和流量计，吸收剂通过流量计与旋流反应器系统的气液进口相连接；所述的旋流反应器系统为一种高速旋撞流反应器，高速旋撞流反应器上部具有多个气液进口，顶部具有气相出口，底部具有液相出口。

所述气液进口与气体辅助净化系统中的吸收剂夹带脱除系统相连接；所述液相出口与储液容器相连；所述的气体辅助净化系统中的吸收剂夹带脱除系统通过气体干燥器连接所述的测试系统。

所述的测试系统为CO₂测试仪。

所述的高速旋撞流反应器包括二元流体旋流喷雾装置以及与之相连的用于在反应器中形成高速旋撞流场的文丘里式引射通道。

所述高速旋撞流反应器为柱状反应器，其高径比范围为5-10。

一种应用高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的装置脱除燃烧烟气CO₂的方法，将含有CO₂的烟气和氨吸收剂进口前端由高压两相形成旋流喷雾，经过高速旋撞流反应器中的文丘里式引射通道引射进入高速旋撞流反应器内，在高速旋撞流反应器内部形成多股旋撞流；再利用高速旋撞流反应器内部的高速三维强旋湍流进行分离，分离到边壁的液滴形成液膜后下流至集液口流至储液容器，然后定期回收或循环；反应后的烟气经过中心管内旋流上升排出反应器。

所述CO₂烟气的浓度范围为0.038%-20%。所述氨吸收剂为氨水或有机胺溶液或碱性吸收剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)合理地提出和设计了一种高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的方法及装置，以气液二元旋流喷雾、经文丘里加速、以及上部多个切向多相流进入的方式，形成复合旋撞流，极大的改善和强化了基于传统的气液接触方式，包括轴向喷淋、填料、板式等方法，有效剪切减小了气液接触面积、边界层厚度，提高了微观混合、传质与反应能力并进行一体化分离，从而有效提高反应器的脱除效率，可实现减排烟气中65-99%的CO₂。

(2)本发明可同时实现烟气中其它污染物包括SO₂、NO₂及Hg²⁺与CO₂的联合脱除。

(3)本发明不但可以吸收空气中的CO2以实现分离过程，更重要的是可以实现大跨度浓度范围的CO₂捕捉，且具有操作条件适应性广的优点（例如反应温度窗口范围大）。此外，由于方法系统为静态，可以克服诸如动态超重力等强化方式产生的旋动部件耗能问题。

(4)经过捕捉后的氨(胺)吸收剂可以多次反复进行再生，可以实现高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂技术方法的可持续性。

(5)本发明可以使用并联模块的形式，有效解决具有大容量高参数CO₂的捕捉问题，具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的装置示意图；

图2为本发明的高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的反应器示意图；

图3是图2的俯视图；

图4为本发明在处理大流量烟气CO₂脱除时采用的并联模式图；

图5为使用本发明所获得的CO₂吸收效率和吸收容量图；

其中：(a) 吸收效率, (b) 吸收容量。

具体实施方式

下面结合具体实施案例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置，包括气相供给系统1、液相供给系统2、旋流反应器3、气体辅助净化系统4及测试系统5。

气相供给系统1包括模拟气瓶11及流量计12，并与旋流反应器系统3的气相进口31相连接。液相供给系统2包括吸收剂21和流量计22，并与旋流反应器系统3的气液进口31相连接。旋流反应器系统3为一种高速旋撞流反应器，反应器上部具有多个气液进口31，包括二元流体旋流喷雾装置311以及与之相连的文丘里式引射通道 312以便在反应器中形成高速旋撞流场；反应器顶部具有气相出口32，反应器底部具有液相出口33并与储液容器相连。气体辅助净化系统4包含吸收剂夹带脱除系统41和气体干燥器42；测试系统5为CO₂测试仪。

如图2，3所示，本实施例所用的高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的旋流反应器3，由有机玻璃构成。该装置主体由多节内径为2 cm的筒体。模拟烟气为CO₂与N2的混合气，由已知CO₂浓度的高压气瓶提供（浓度精度为±0.1%）并经流量计控制；一定质量浓度的吸收剂溶液由压力泵供给并经流量计控制；气液两相经过反应器前端的二元流体旋流喷雾、再经文丘里进口通道引射加速后从上部进入反应器本体形成旋撞流，并进行微观混合、传质与反应以及分离。净化后的烟气从顶部排除，吸收剂废液从底部排出。反应器外壁均缠绕有加热保温带，由温控仪控制温度。

一种高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的方法，通过使用一种一类极端物理条件旋转撞击流（旋撞流）的方法来强化和提高大跨度浓度CO₂的吸收性能。根据气液两相传质的基础理论，气液吸收传质的快慢取决于传质推动力和总传质系数的大小。反应器的型式或多相流体力学条件对其性能影响甚大。因此，通过改进反应器的形式改善反应器中流体的力学条件可以强化喷雾式反应器气液吸收的传质过程。本发明最重要的思想是以多相流体力学条件改善来实现促进和强化气液的微观混合与传质过程，最终实现CO₂的湿法高效经济捕获。

在反应器上部设计多个切向气液两相喷射进口，含有CO₂的烟气和氨(胺)吸收剂进口前端由高压两相形成旋流喷雾，在经过文丘里引射进入反应器主体，在反应器内部形成多股高速旋转撞击流即旋撞流。该过程可使气液两相形成径向压力梯度以及撞击形成的液滴颗粒弥散，不仅增大了湍流扩散系数使得气液的微观混合与传质过程得到强化，同时可以有效的提高气液的接触与湍流混合性能。此外其高速旋撞形成的剪切作用可以使吸收剂雾滴被剪切成丝、成膜、成滴，能有效减小分界层厚度、以及快速更新吸收剂滴表面特性从而促进化学反应进行，从而使传质过程得到极大强化。经过高速旋撞流CO₂与氨(胺)吸收剂经过微观混合、传质与反应后，可再利用反应器内部的高速三维强旋湍流进行分离，分离到边壁的液滴形成液膜后下流至集液口，在经过液相出口流至储液容器，然后定期回收或循环。反应后的烟气经过中心管内旋流上升排出反应器本体。气液两相喷射为二元流体旋流喷雾装置；二元旋流喷雾经过具有文丘里引射的切向进口加速至高速后进入反应器本体。多个切向气液两相喷射进口，可以为四个或以上。烟气的大跨度浓度CO₂的浓度范围为0.038%-20%不等。氨(胺)吸收剂分别为氨水（NH₃ ^.H₂O）或有机胺溶液（如MEA，DEA及TEA等）或其他碱性吸收剂。反应器为柱状反应器，其高径比范围为5-10。

应用以上方法和装置进行强化吸收大跨度浓度CO₂时，其CO₂捕集性能采用如下性能参数进行表征：CO₂捕获效率η：，，式中η为CO2脱除效率，%；c _i为入口气体中CO₂浓度，%；c _o为出口气体CO₂浓度，%。或者气相体积总传质系数KGa来表征其传质性能，，式中：K _Ga 为气相体积总传质系数，kmol/m3.h.kPa；c _i为入口气体中CO2浓度，%；c _o为出口气体CO2浓度，%。Z为反应器高度，m；P为操作压强，Pa。

如图4所示，本发明可以使用并联模块的形式，有效解决具有大容量高参数CO2的捕捉问题。

图5为采用本发明的以有机胺DEA溶液作为吸收剂吸收10%CO₂的实施例。基于DEA-CO₂的一类旋撞流胺碳反应性能：对一类基于胺基吸收剂（DEA）旋撞流的燃烧烟气CO₂捕获吸收进行了初步实验研究，基于一类有机胺基溶剂DEA旋撞流烟气CO₂捕获性能（CO₂浓度(v/v)=10%, DEA浓度(w/w)=15%, 操作压力=620KPa）：发现在气相50L/min下DEA的CO₂捕获效率可达87%，最高k _la可达122×10^-2 s^-1。

Claims

1.一种高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置，包括气相供给系统(1)、液相供给系统(2)、旋流反应器(3)、气体辅助净化系统(4)及测试系统(5)，其特征在于：所述的气相供给系统(1)包括模拟气瓶(11)及流量计(12)，所述模拟气瓶(11)通过流量计(12)与旋流反应器系统(3)的气相进口(31)相连接，所述的液相供给系统(2)包括吸收剂(21)和流量计(22)，吸收剂(21)通过流量计(22)与旋流反应器系统(3)的气液进口(31)相连接；所述的旋流反应器系统(3)为一种高速旋撞流反应器，高速旋撞流反应器上部具有多个气液进口(31)，顶部具有气相出口(32)，底部具有液相出口(33)。

2.根据权利要求1所述的高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置，其特征在于：所述气液进口(31)与气体辅助净化系统(4) 中的吸收剂夹带脱除系统(41)相连接；所述液相出口(33)与储液容器相连；所述的气体辅助净化系统(4)中的吸收剂夹带脱除系统(41)通过气体干燥器(42)连接所述的测试系统(5)。

3.根据权利要求1所述的高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置，其特征在于：所述的测试系统(5)为CO₂测试仪。

4.根据权利要求1所述的高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置，其特征在于：所述的高速旋撞流反应器包括二元流体旋流喷雾装置(311)以及与之相连的用于在反应器中形成高速旋撞流场的文丘里式引射通道 (312)。

5.根据权利要求1所述的高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置，其特征在于：所述高速旋撞流反应器为柱状反应器，其高径比范围为5-10。

6.一种应用权利要求1-5任一项所述的高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO₂的装置脱除燃烧烟气CO₂的方法，其特征在于：将含有CO₂的烟气和氨吸收剂进口前端由高压两相形成旋流喷雾，经过高速旋撞流反应器中的文丘里式引射通道 (312)引射进入高速旋撞流反应器内，在高速旋撞流反应器内部形成多股旋撞流；再利用高速旋撞流反应器内部的高速三维强旋湍流进行分离，分离到边壁的液滴形成液膜后下流至集液口流至储液容器，然后定期回收或循环；反应后的烟气经过中心管内旋流上升排出反应器。

7.根据权利要求6所述的脱除燃烧烟气CO₂的方法，其特征在于：所述CO₂烟气的浓度范围为0.038%-20%。

8.根据权利要求6所述的脱除燃烧烟气CO₂的方法，其特征在于：所述氨吸收剂为氨水或有机胺溶液或碱性吸收剂。