CN110152454A - 一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系的应用,该吸收体系由2‑氨基‑2‑甲基‑1‑丙醇(AMP)、羟乙基乙二胺(AAEA)以及n‑甲基吡咯烷酮(NMP)三者混合而成。本三元体系使用的高沸点有机溶剂具有较低的比热容和蒸发焓,能有效降低再生能耗,将具有较大的节能潜力;且本三元体系因引入AMP的位阻效应降低了体系的粘度,从而使体系吸收CO2前后保持均一透明液体状,且因多级胺含有多个氨基,体系具有超高的CO2吸收负荷与吸收速率。总而言之,本申请的三元体系不仅保留了非水相吸收剂低再生能耗的优势,同时还具有高CO2吸收速率和吸收负荷以及低溶剂损失率的优点,具有广泛的应用前景。

Description

一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系及其应用
技术领域
本发明属于二氧化碳减排去控制技术领域,具体涉及一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系及其应用。
背景技术
随着工业的发展,大量的人为二氧化碳(CO2)排放导致大气中CO2浓度持续升高,由此引发的全球气候变暖已成为当今世界所面临的重大环境问题之一。遏制全球气候变暖,关键在于CO2的控制和减排。基于有机胺的化学吸收法是目前发展较为成熟的CO2捕集方法,但传统有机胺吸收法再生能耗高,以质量分数30%的一乙醇胺溶液(30wt%MEA)为例,其热解吸能耗高达3.7GJ/ton CO2。过高的再生能耗将大幅增加碳捕集成本,这也是有机胺吸收法目前发展的瓶颈。同水相比,有机溶剂具有较低的比热容和蒸发焓,在显热和潜热方面有较大的节能优势。因此,为了降低CO2捕集的再生能耗,研究者们试图用有机试剂代替水作为溶剂以构建非水相有机胺体系用于CO2捕集。
目前已有的非水相体系的研究,一方面采用低沸点的醇因蒸汽压高,易挥发损失,使用过程中需安装回收装置,增加了操作复杂性同时增加了设备成本,不利于工业化应用;另一方面,已有的有机胺/醇非水相体系中的胺大多为单级胺(含1个氨基),较低的CO2吸收负荷限制了吸收剂的CO2循环吸收容量,不利于最大幅度降低再生能耗。因此,如何保留非水相吸收剂低再生能耗的优势,同时提高其CO2吸收负荷并克服溶剂易挥发损失的问题,是该类吸收剂推广和应用的关键所在。
由上述可知,非水相吸收剂用于CO2捕集有利于降低吸收剂再生时的显热和潜热,在节省再生能耗方面有显著的优势。但已有的体系存在基于单级胺和醇构建,这些体系存在溶剂易挥发且CO2负荷较低的缺陷,不利于最大幅度降低再生能耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处,提供了一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系及其应用,解决了上述背景技术中单级胺/醇体系吸收后高粘度的问题,还解决了吸收过程中低效、高耗能的问题。
本发明以高沸点、低蒸气压的有机试剂作为溶剂,并借助多级胺调控,构建基于多级胺的新型低能耗非水相吸收体系,以突破现有单级胺/醇体系所面临的困境。本发明具有较大的节能潜力,可为高效低能耗的CO2捕集技术的开发提供新思路,且通过本发明也可为非水相吸收剂的工业化推广和应用提供理论基础和关键数据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,为由2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、羟乙基乙二胺(AAEA)以及n-甲基吡咯烷酮(NMP)组成的三元体系,用于吸收纯CO2或混合气体中体积分数为5~20%的CO2;所述三元体系中,2-氨基-2-甲基-1-丙醇与羟乙基乙二胺的摩尔比(mol/kg)为4~6:1,余量为n-甲基吡咯烷酮,且2-氨基-2-甲基-1-丙醇的浓度为1~3mol/L。
醇胺AMP作为调控剂可使CO2产物稳定地溶解在溶剂中;含多个氨基的多级胺AAEA作为CO2吸收促进剂,保证体系的高CO2吸收速率和吸收负荷;高沸点、低挥发性的有机溶剂NMP保证吸收剂的低再生显热和潜热,从而保证体系的低再生能耗。
在本发明一较佳实施例中,所述三元体系中,2-氨基-2-甲基-1-丙醇与羟乙基乙二胺的摩尔比为5:1。
在本发明一较佳实施例中,所述三元体系在吸收CO2前、后,为均一透明液体溶液,无分相也无沉淀物产生。现有技术中,其他多级胺强化的AMP-NMP混合溶液吸收CO2饱和后无法保持透明液体溶液,呈胶状或者浑浊甚至沉淀状态。
在本发明一较佳实施例中,所述三元体系吸收CO2的吸收温度为30~60℃,吸收负荷为1.4-1.8mol CO2/kg吸收剂。
在本发明一较佳实施例中,所述三元体系在吸收CO2后通过热解吸方式再生。
在本发明一较佳实施例中,所述再生的温度为100~120℃,再生时间为80~100min,再生效率为85%~97%,且再生能耗2.0~2.5GJ/Ton CO2,远低于传统水溶液的再生能耗(3.8~4.8GJ/Ton CO2)。
本发明还提供了上述一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系的应用。
在本发明一较佳实施例中,上述应用包括如下步骤:
(1)以2-氨基-2-甲基-1-丙醇为主吸收剂,羟乙基乙二胺为CO2吸收促进剂,n-甲基吡咯烷酮为溶剂,按照2-氨基-2-甲基-1-丙醇与羟乙基乙二胺的摩尔比为4~6:1,且2-氨基-2-甲基-1-丙醇的浓度为1~3mol/L配比组成三元体系;
(2)将步骤(1)所述三元体系置于纯CO2或混合气体中体积分数为5~20%的CO2境中,30~60℃下进行吸收,吸收负荷为1.4~1.8mol CO2/kg吸收剂,得到粘度为5.0~8.0mPas、无分相也无沉淀物且均一透明的CO2饱和溶液;
(3)将CO2饱和溶液在100~120℃温度下,通过热解吸方式再生,再生时间为80~100min,得到再生后的三元体系和捕集的CO2
本技术方案与背景技术相比,它具有如下优点:
与传统的有机胺吸收剂相比,所使用的高沸点有机溶剂具有较低的比热容和蒸发焓,能有效降低再生能耗,将具有较大的节能潜力;而与目前已报道的有机胺非水相吸收剂吸收饱和后粘度急剧增大甚至产物粘稠的特征相比(20-100mPas),该三元体系因引入AMP的位阻效应降低了体系的粘度(1.2-3.0mPas),从而使体系吸收CO2前后保持均一透明液体状(5.0-8.0mPas),且因多级胺含有多个氨基,体系具有超高的CO2吸收负荷与吸收速率。总而言之,本申请的三元体系不仅保留了非水相吸收剂低再生能耗的优势,同时还具有高CO2吸收速率和吸收负荷以及低溶剂损失率的优点,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1和对比例1~5的三元非水相吸收体系捕集CO2后的溶液状态效果图;
图2为实施例1的三元非水相吸收体系系对CO2的吸收能力对比;
图3为实施例2的三元非水相吸收体系系采用热解吸方式的再生性能示意图;
图4为实施例2的三元非水相吸收体系系再生能耗对比图。
具体实施方式
实施例1
一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,该体系中主吸收剂AMP的总浓度为2.5mol/kg,且AMP与AEEA的摩尔配比为5:1,溶剂为NMP组成三元相变吸收体系;二氧化碳与氮气混合气体中的比例为0-20%,吸收温度为30-60℃。吸收CO2前后均为均一透明液体溶液。
实施例2
本实施例将实施例1的三元非水相吸收体系吸收CO2后的二氧化碳富集的水相,通过热解吸方式再生,再生温度为100~120℃,再生时间为80~100min,再生效率为85%-97%。
对比例1~5
对比例1~5与实施例1的区别在于将AEEA换为其他多级胺,分别为MEA、PZ、MAPA、DETA、TETA,其余与实施例1相同。
对比例6
本对比例采用现有技术的吸收体系:采用3mol/kg MEA水溶液。
一、吸收CO2性能测试
在40℃下,检测实施例1的三元非水相吸收体系2.5mol/kg AMP、0.5mol/kg AEEA的NMP溶液与对比例1~5的2.5mol/kg AMP、0.5mol/kg其他多级胺的NMP溶液mol/L吸附CO2的性能及饱和状态情况。
方法:按照实施1和对比例1~5配制相应的三元非水相溶液。分别取25mL,各自倒入鼓泡吸收瓶中,放置于40℃的水浴中保温至恒温后,通入CO2开始吸收测试直到吸收剂饱和。通过本实验,可获得不同三元非水相体系吸收CO2的速率随时间的变化情况。对吸收速率与时间关系积分,可获得不同时间吸收剂吸收CO2的负荷情况。
结果:
图1展示了不同多级胺调控下,AMP+多级胺+NMP的三元非水相吸收体系吸收CO2饱和后溶液的状态。从图上可以看出,本发明所述的AMP+AEEA+NMP三元非水相吸收体系,以及AMP+MEA+NMP和AMP+MAPA+NMP这三类混合溶液吸收CO2饱和后保持澄清状态,而而其他胺,例如与PZ、DETA、TETA,与AMP+NMP混合溶液吸收CO2饱和后出现浑浊甚至沉淀状态(20~100.0mPas)。虽然AEEA、MEA、MAPA与AMP+NMP混合后饱和CO2溶液均为澄清状,但由于MEA与MAPA均为单氨基有机胺,混合后三元体系的吸收负荷接近1.0mol CO2/kg吸收剂,远低于AMP+AEEA+NMP吸收负荷(1.4-1.8mol CO2/kg吸收剂)。本发明所述的三元非水相吸收体系吸收CO2饱和后粘度仅为5.0~8.0mPas,具有粘度低的优势。
如图2所示,不同溶液体系吸收CO2的能力有明显的差异。AMP+NMP非水体系,由于AMP吸附能力有效,其吸收CO2负荷最低;而单胺MEA与AMP+NMP组成的三元体系,因MEA只含有1个氨基,对体系负荷的促进很低,仅略高于AMP和NMP二元吸收体系。从结果可以看出,多级胺调控的三元体系,如AMP+MAPA+NMP、AMP+AEEA+NMP都能明显提高体系的负荷,只略低于MEA水溶液。但MAPA调控的溶液吸收CO2饱和有呈胶状,而AEEA三元体系为均一液体。虽然MEA负荷最高,但其溶剂水比热容远高于有机溶剂,因而会加大再生能耗。
本发明的三元非水相吸收体系,与传统的有机胺吸收剂相比,所使用的高沸点有机溶剂具有较低的比热容和蒸发焓,能有效降低再生能耗,将具有较大的节能潜力;而与目前已报道的有机胺非水相吸收剂吸收饱和后粘度急剧增大甚至产物粘稠的特征相比,该三元体系因引入AMP的位阻效应降低了体系的粘度,从而使体系吸收CO2前后保持均一透明液体状,且因多级胺含有多个氨基,体系具有超高的CO2吸收负荷与吸收速率。
二、再生性能测试
由于工业废气量大,吸收剂的再生循环利用是至关重要的环节,影响着工艺的成本。吸收剂再生方法常见的有热解吸、膜过滤、变压法等。本实验例中采用的再生方法是热解吸,通过对比吸收剂再生前后的吸收负荷,考察吸收剂的再生能力。
方法:取实施例1的AMP+AEEA+NMP溶液,按照上述吸收性能测试实验中在40℃下吸收CO2至饱和。饱和后的吸收剂在120℃再生温度热解吸90min,再生后的吸收剂按照吸收性能测试实验中方法重复吸收实验,考察吸收剂循环再生能力。
结果:
如图3所示,AMP+AEEA+NMP三元非水吸收体系在120℃下均可实现再生,解吸出的气体与吸收负荷相当。随着再生次数的增加,吸收负荷略有下降。当再生4次后,再生效率仍然高达89.1%。说明,实施例1的三元非水相吸收剂具有良好的再生性能。
图4计算了不同温度下,实施例1与对比例6的再生能耗。从结果可以看出,本发明所述的三元非水相吸收剂在120℃的再生能耗仅为2.09 GJ/ton CO2,远低于MEA水溶液在120℃的再生能耗(3.80 GJ/ton CO2),再一次证实本体系低能耗的特性。
以上所述,仅为本发明较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,其特征在于:为由2-氨基-2-甲基-1-丙醇、羟乙基乙二胺以及n-甲基吡咯烷酮组成的三元体系,用于吸收纯CO2或混合气体中体积分数为5~20%的CO2;所述三元体系中,2-氨基-2-甲基-1-丙醇与羟乙基乙二胺的摩尔比为4~6:1,余量为n-甲基吡咯烷酮,且2-氨基-2-甲基-1-丙醇的浓度为1~3mol/L。
2.根据权利要求1所述的一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,其特征在于:所述三元体系中,2-氨基-2-甲基-1-丙醇与羟乙基乙二胺的摩尔比为5:1。
3.根据权利要求1所述的一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,其特征在于:所述三元体系在吸收CO2前、后,为均一透明液体溶液,无分相也无沉淀物产生。
4.根据权利要求1所述的一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,其特征在于:所述三元体系吸收CO2的吸收温度为30~60℃,吸收负荷为1.4-1.8mol CO2/kg吸收剂。
5.根据权利要求1所述的一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,其特征在于:所述三元体系在吸收CO2后通过热解吸方式再生。
6.根据权利要求5所述的一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系,其特征在于:所述再生的温度为100~120℃,再生时间为80~100min,再生效率为85%~97%,且再生能耗2.0~2.5GJ/Ton CO2
7.一种权利要求1~6所述一种用于二氧化碳捕集的三元非水相吸收体系的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,包括如下步骤:
(1)以2-氨基-2-甲基-1-丙醇为主吸收剂,羟乙基乙二胺为CO2吸收促进剂,n-甲基吡咯烷酮为溶剂,按照2-氨基-2-甲基-1-丙醇与羟乙基乙二胺的摩尔比为4~6:1,且2-氨基-2-甲基-1-丙醇的浓度为1~3mol/L配比组成三元体系;
(2)将步骤(1)所述三元体系置于纯CO2或混合气体中体积分数为5~20%的CO2境中,30~60℃下进行吸收,吸收负荷为1.4~1.8mol CO2/kg吸收剂,三元体系新鲜溶液粘度为1.2~3.0mPas,饱和溶液粘度为5.0~8.0mPas,饱和溶液呈无分相也无沉淀物且均一透明溶液状态;
(3)将CO2饱和溶液在100~120℃温度下,通过热解吸方式再生,再生时间为80~100min,得到再生后的三元体系和捕集的CO2
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