CN116328498A - 二氧化碳吸收剂及其应用和处理烟气中二氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合气体分离和净化技术领域，公开了一种二氧化碳吸收剂及其应用和处理烟气中二氧化碳的方法。所述吸收剂包括叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物、抗降解剂和水；叔胺类化合物的含量为20‑30重量％，伯胺类化合物的含量为10‑15重量％，哌嗪类化合物的含量为2‑10重量％，抗降解剂的含量为0.1‑1.5重量％，水的含量为52‑63重量％。所述二氧化碳吸收剂的吸收容量大、再生速率快，并且本发明所述的二氧化碳吸收剂的再生能耗低，且所述吸收剂抗降解剂性能优异，具备很大的应用前景。

Description

二氧化碳吸收剂及其应用和处理烟气中二氧化碳的方法
技术领域
本发明涉及混合气体分离和净化技术领域，具体涉及一种二氧化碳吸收剂及其应用和处理烟气中二氧化碳的方法。
背景技术
随着经济的快速发展，人类社会对能源的需求越来越大，化石燃料作为主要的一次能源，其巨大的消耗量导致各种污染物排放量不断增加，由此引发的气候环境问题日趋严重。近年来频发的极端气候现象引起了世界各国的广泛关注，全球气候变暖是极端天气形成根源的说法获得了广泛认同。因此，要减缓温室效应的影响，必须首先控制CO2的排放并解决CO2回收利用的问题。
目前，能够实现CO2减排的主流技术路线为CCUS技术，该技术主要包括燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧。其中，燃烧后捕集技术是从燃煤电厂除尘和脱硫后的尾部烟气中分离和回收CO2，该技术工艺相对简单，只需要在现有系统中改增CO2捕集装置，对现有电厂影响小，具有较高的灵活性，现已具成熟的示范工程及应用示例，广泛应用于多个工业领域，被认为是最成熟的CO2捕集技术之一，但是由于吸收剂所作用的烟气成分复杂，导致使用的吸收剂极易中毒，导致性能下降。
并且在实际的工艺过程中，由于烟道气中常含有烟尘、H2O、O2、SOx等可使胺液中毒的杂质，且捕集系统的吸收塔通常在较高温度下运行，醇胺溶液在捕集二氧化碳的过程中与烟气中杂质分子发生不可逆的化学反应，同时生成稳定性物质的过程称为吸收剂的降解，吸收剂的降解会造成吸收剂的损失，吸收CO2能力的退化，导致系统需要不时补充新的吸收剂，提升运行成本；同时，降解产物会导致设备腐蚀、溶液发泡等一系列现象，降低系统寿命，挥发性的降解产物也会造成环境污染。因此，吸收剂的降解性能是决定吸收剂能否长期使用，最终投入工业运行的重要因素之一。且目前吸收剂的再生速率慢，吸收容量小，且再生能耗高等限制了其进一步的应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的二氧化碳吸收剂的吸收容量小、再生速率慢以及降解速率快等问题，提供一种二氧化碳吸收剂及其应用和处理烟气中二氧化碳的方法，该二氧化碳吸收剂的吸收容量大、再生速率快，并且本发明所述的二氧化碳吸收剂抗降解剂性能优异，具备很大的应用前景。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种所述吸收剂包括叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物、抗降解剂和水；
所述叔胺类化合物的含量为20-30重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-15重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-10重量％，所述抗降解剂的含量为0.1-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％。
优选地，所述叔胺类化合物、所述伯胺类化合物和所述哌嗪类化合物的总含量为40-50重量％。
优选地，所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种或两种以上。
优选地，所述抗降解剂为乙二胺四乙酸二钠。
优选地，所述叔胺类化合物选自N-甲基二乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺和二异丙醇胺中的一种或两种以上。
优选地，所述伯胺类化合物为一乙醇胺。
优选地，所述哌嗪类化合物为哌嗪和/或N-氨乙基哌嗪。
优选地，所述吸收剂的溶剂为水。
本发明第二方面提供一种上述二氧化碳吸收剂在吸收烟气中二氧化碳的应用。
本发明第三方面提供一种处理烟气中二氧化碳的方法，所述方法包括上述二氧化碳吸收剂与烟气进行混合。
优选地，所述混合的温度为20-100℃，混合的时间为1-4h。
优选地，所述烟气中二氧化碳的含量为10-20体积％。
本发明所述的吸收剂通过使用的叔胺类化合物可以加速所述吸收剂的再生速率，还能降低吸收剂的再生能耗，另外再通过加入伯胺类化合物和哌嗪类化合物进行复配进一步提升所述吸收剂循环容量和再生速率，使其具备优异的再生性能，可重复使用。另外本发明所述的吸收剂中所选取的叔胺类化合物和哌嗪类化合物具备优异的稳定性，不易被降解，另外再通过加入抗降解剂可以进一步提升所述吸收剂的抗降解性能。本发明所述的吸收剂的降解率可低至16.2％，远好于现有技术中胺吸收剂的降解率，并且本发明所述的吸收剂还具备优异的吸收性能，其最高再生速率可达到3.21L/min/kg，循环容量可达到1.85mol/kg，可以很好的应用于处理烟气中二氧化碳。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供一种二氧化碳吸收剂，所述吸收剂包括叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物、抗降解剂和水；所述叔胺类化合物的含量为20-30重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-15重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-10重量％，所述抗降解剂的含量为0.1-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％。
在优选的实施方式中，所述叔胺类化合物的含量为21-26重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-14重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-8重量％，所述抗降解剂的含量为0.5-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％。
在更加优选的实施方式中，所述叔胺类化合物的含量为21-25重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-13重量％，所述哌嗪类化合物的含量为4-8重量％，所述抗降解剂的含量为1-1.5重量％，所述水的含量为54-60重量％。
在具体的实施方式中，所述叔胺类化合物的含量可以为20重量％、22重量％、25重量％、27重量％、29重量％或30重量％；所述伯胺类化合物的含量为10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％或15重量％；所述哌嗪类化合物的含量为2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％或10重量％；所述抗降解剂的含量为0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％或1重量％；所述水的含量可以为52重量％、55重量％、58重量％、60重量％或62重量％。
在本发明中，所述叔胺类化合物选自N-甲基二乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺和二异丙醇胺中的一种或两种以上。
在优选的实施方式中，所述叔胺类化合物选自N-甲基二乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺和二异丙醇胺中的一种。
在本发明中，所选用的叔胺类化合物具备优异的吸附速率，并且针对二氧化碳的吸收容量大，且具备优异的稳定性，可提升吸收剂的抗降解性能。
在本发明中，所述伯胺类化合物为一乙醇胺。
在本发明中，所选用的伯胺类化合物可以提升所述吸收剂的吸收速率，加快对烟气中二氧化碳的吸收处理。
在本发明中，所述哌嗪类化合物选自哌嗪和/或N-氨乙基哌嗪。
在本发明中，所述哌嗪类化合物由于其分子内部具备稳定性能良好的环状结构，因此同样可以提升所述吸收剂的抗降解性能。
在本发明中，所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种或两种以上。
在优选的实施方式中，所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种。
在更优选的实施方式中，所述抗降解剂为乙二胺四乙酸二钠。
在本发明中，通过选用叔胺类化合物与伯胺类化合物还有环状胺三种有机胺的复配，可以使所述吸收剂具备优异的吸收速率以及大的吸附容量，同时还赋予了吸收剂优异的抗降解性能，从而提升所述吸收剂的寿命，降低工艺损耗。
在本发明中，所述叔胺类化合物、所述伯胺类化合物和所述哌嗪类化合物的总含量为40-50重量％，优选为42重量％-48重量％。具体地，所述叔胺类化合物、所述伯胺类化合物和所述哌嗪类化合物总的含量可以为42重量％、43重量％、44重量％、45重量％、46重量％、47重量％或48重量％。
在本发明中，所述吸收剂的粘度更低，在现有技术中，所采用的抗降解剂一般不溶于呈中性的水溶液而易溶于碱性溶液，因此为了增加抗降解剂在所述吸收剂中的溶解度，通常选择增加更多的有机胺类物质来增加溶液的碱性，但是同时由于吸收剂中有机胺类化合物含量的增多导致所述吸收剂的粘度增加，从而导致吸收剂在应用时更易造成设备腐蚀，造成更为严重的后果。在本发明中，通过选用特定的叔胺类化合物、伯胺类化合物以及有机环状胺的复配可以使得所制备的吸收剂的粘度更低，同时还能溶解更多的抗降解剂，从而使本发明所述的吸收剂具备更优异的抗降解性能。
在本发明中，所述吸收剂的再生条件包括：温度为100-120℃，时间为30-120min。
根据本发明所述的二氧化碳吸收剂的第一种具体实施方式，所述吸收剂包括叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物和抗降解剂；所述叔胺类化合物的含量为20-30重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-15重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-10重量％，所述抗降解剂的含量为0.1-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％；所述叔胺类化合物、所述伯胺类化合物和所述哌嗪类化合物总的含量为40-50重量％；所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种或两种以上。所述二氧化碳吸收剂具备高的吸收速率和解吸速率，并且循环容量大，具备广阔的应用前景。
根据本发明所述的二氧化碳吸收剂的另一种具体实施方式，所述吸收剂包括叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物和抗降解剂；所述叔胺类化合物的含量为20-30重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-15重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-10重量％，所述抗降解剂的含量为0.1-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％；所述叔胺类化合物、伯胺类化合物和哌嗪类化合物总的含量为40-50重量％；所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种或两种以上；所述叔胺类化合物选自N-甲基二乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺和二异丙醇胺中的一种或两种以上。所述二氧化碳吸收剂具备高的吸收速率和解吸速率，并且循环容量大，具备广阔的应用前景。
根据本发明所述的二氧化碳吸收剂的另一种具体实施方式，所述吸收剂包括叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物和抗降解剂；所述叔胺类化合物的含量为20-30重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-15重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-10重量％，所述抗降解剂的含量为0.1-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％；所述叔胺类化合物、伯胺类化合物和哌嗪类化合物总的含量为40-50重量％；所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种或两种以上；所述叔胺类化合物选自N-甲基二乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺和二异丙醇胺中的一种或两种以上，所述伯胺类化合物为一乙醇胺。所述二氧化碳吸收剂具备高的吸收速率和解吸速率，并且循环容量大，具备广阔的应用前景。
根据本发明所述的二氧化碳吸收剂的另一种具体实施方式，所述吸收剂包括叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物和抗降解剂；所述叔胺类化合物的含量为20-30重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-15重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-10重量％，所述抗降解剂的含量为0.1-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％；所述叔胺类化合物、伯胺类化合物和哌嗪类化合物总的含量为40-50重量％；所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种或两种以上；所述叔胺类化合物选自N-甲基二乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺和二异丙醇胺中的一种或两种以上，所述伯胺类化合物为一乙醇胺，所述哌嗪类化合物选自哌嗪和/或N-氨乙基哌嗪。所述二氧化碳吸收剂具备高的吸收速率和解吸速率，并且循环容量大，具备广阔的应用前景。
本发明还提供一种上述二氧化碳吸收剂在吸收烟气中二氧化碳的应用。
本发明进一步提供一种处理烟气中二氧化碳的方法，所述方法包括上述的二氧化碳吸收剂与烟气进行混合。
在优选的实施方式中，所述混合的温度为20-100℃，混合的时间为0.5-4h；所述烟气中二氧化碳的含量为10-20体积％。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
在以下实施例和对比例中，所采用的N-甲基二乙醇胺、一乙醇胺和哌嗪购于国药集团有限公司。
实施例1
将101.3g的N-甲基二乙醇胺(含量为24.9重量％)、50.7g的一乙醇胺(含量为12.5重量％)、8g的哌嗪(含量为2重量％)、6g的Na2SO3(含量为1.4重量％)和240g的水(含量为59.11重量％)混合均匀得到二氧化碳吸收剂。
实施例2
将96g的N-甲基二乙醇胺(含量为23.6重量％)、48g的一乙醇胺(含量为11.8重量％)、16g的哌嗪(含量为3.9重量％)、6g的Na2SO3(含量为1.47重量％)和240g的水(含量为59.11重量％)混合均匀得到二氧化碳吸收剂。
实施例3
将85.3g的N-甲基二乙醇胺(含量为21重量％)、42.6g的一乙醇胺(含量为10.5重量％)、32g的哌嗪(含量为7.8重量％)、6g的EDTA(含量为1.4重量％)和240g的水(含量为59.11重量％)混合均匀得到二氧化碳吸收剂。
对比例1
将120g的一乙醇胺(含量为30重量％)和280g的水混合均匀得到产品。
对比例2
按照实施例1的方式进行实施，与之不同的是，将所述N-甲基二乙醇胺更换为等重量的2-氨基-2-甲基-1-丙醇，将EDTA更换为等重量的水进行实施。
对比例3
按照实施例1的方式进行实施，与之不同的是，将EDTA更换为等重量的水进行实施。
对比例4
按照实施例1的方式进行实施，与之不同的是，将哌嗪更换为等重量的水进行实施。
测试例
测试吸收剂对于烟气中二氧化碳的吸收性能。
循环容量：将实施例1-3的吸收剂以及对比例1-4的产品加入至吸收瓶中进行水浴，保持吸收温度为40℃，通入二氧化碳气体进行吸收，吸收时间为2.5h。接着进行解吸，将反应的温度升至120℃，每隔一分钟记录一次吸收瓶出口的气流量，至再生气体流量低于20ml/min时实验结束，然后分析计算吸收剂的循环容量，结果如表1所示；
最高再生速率：将实施例1-3的吸收剂以及对比例1-4的产品加入至吸收瓶中进行水浴，保持吸收温度为40℃，通入二氧化碳气体进行吸收，吸收时间为2.5h。接着进行解吸，将反应的温度升至120℃，每隔一分钟记录一次吸收瓶出口的气流量，至再生气体流量低于20ml/min时实验结束，然后分析计算吸收剂的再生速率，结果如表1所示；
降解率：将实施例1-3的吸收剂以及对比例1-4的产品加入至强氧化降解反应装置中，采用电加热保持吸收剂温度为65℃，通入0.6MP纯氧气氛进行实验，实验时间为28天，实验结束后采用阳离子色谱分析实验前后吸收剂中各物质含量，并计算得到总降解率，结果如表1所示；
其中，再生速率为：1g吸收剂在单位时间内(s)所解吸CO2的量(mol)；
循环容量定义为：所述吸收剂吸收完CO2后，单位物质的量的吸收剂所吸收CO2的量与所述吸收剂在解吸后单位物质的量的吸收剂中未被解吸的CO2的量的差值。
表1
Figure BDA0004095274050000101
通过表1的结果可以看出，本发明所述的吸收剂具备更优异的吸收性能，其再生速率和循环容量性能优异，说明本发明所述的吸收剂可以重复使用，并且重复使用时依旧具备优异的吸附性能。并且本发明所述的吸收剂具备优异的抗降解性能，降解率低至16.2％，保证了所述二氧化碳吸收剂长期使用的稳定性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述吸收剂含有叔胺类化合物、伯胺类化合物、哌嗪类化合物、抗降解剂和水；
以所述吸收剂的总重量为基准，所述叔胺类化合物的含量为20-30重量％，所述伯胺类化合物的含量为10-15重量％，所述哌嗪类化合物的含量为2-10重量％，所述抗降解剂的含量为0.1-1.5重量％，所述水的含量为52-63重量％。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述叔胺类化合物、所述伯胺类化合物和所述哌嗪类化合物的总含量为40-50重量％。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述抗降解剂选自乙二胺四乙酸二钠、偏钒酸钠和亚硫酸钠中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述抗降解剂为乙二胺四乙酸二钠。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述叔胺类化合物选自N-甲基二乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺和二异丙醇胺中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述伯胺类化合物为一乙醇胺。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述哌嗪类化合物为哌嗪和/或N-氨乙基哌嗪。
8.权利要求1-7中任意一项所述的二氧化碳吸收剂在吸收烟气中二氧化碳的应用。
9.一种处理烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法包括将权利要求1-7中任意一项所述的二氧化碳吸收剂与烟气进行混合。
10.根据权利要求9所述的吸收烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述混合的温度为20-100℃，混合的时间为0.5-4h；
优选地，所述烟气中二氧化碳的含量为10-20体积％。
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