液体吸附剂的吸附特征及过程

2.2.1 基本原理

这个过程是将废气与液体吸附剂在一个固定包装里面不断逆向流动接触。溶剂通过加热和（或）低压汽提塔来再生，同时释放出纯度很高的二氧化碳。这些溶剂可能是化学或者物理类型（见表18.1）。对于化学溶剂（通常是胺），会发生可逆反应（弱酸/弱碱），但是对于物理溶剂，二氧化碳的吸收是通过溶解实现^[2]。

表18.1 溶剂吸收过程的一些特征

对于胺溶剂吸收过程，图18.3给出了典型的流程图。以下描述主要集中在处理由煤或石油燃烧生成的废气的胺工艺，指出了与其他状况下的差异。

●废气预处理（图中没有显示）——采用静电除尘器消除粒子；采用de-NO_x和de-SO_x来避免溶剂的不可逆反应。

●冷却——必须把气体温度降到40～60℃范围内。预处理可能足够满足这个要求，否则需要额外的水冷却器。

●溶剂条件——化学溶剂溶于水的重量是15%～30%。这种浓度影响了过程的容量和规模，并且受胺溶解度和SO_x数量的限制。另一方面，要用纯的物理溶剂。

●压力——胺吸附过程在大气压力附近情况下发生。采用物理溶剂的吸附在低于大气压力（例如20bar）情况下发生，但是由于降压可能会发生解吸效应，因此可以免除加热步骤。

●水洗——在吸收塔顶部的水洗是为了阻止遗留的溶剂进入废气中以及并保持水平衡。

图18.3 胺吸收过程的典型流程图

●汽提——化学溶剂的再生是通过蒸汽提来实现的，温度范围必须在120～150℃。

●回收和净化——回收率基本上能达到80%～95%，且经济收支平衡；若有必要，浓度可以达到非常高（＞99.5%），如果是针对存储，可能也是一个平衡问题。

●MEA（单乙醇胺）——这是最常见的溶剂；它具有很高的选择性、很快的反应速度和很高汽化热以及最小的溶剂蒸发。其他的胺溶剂的优势可能在于具有更高的二氧化碳装载吸附能力和更简单的再生过程（较低的反应热），但是通常具有较慢的动力学、需要更长的接触时间，因此所需的设备更大。MEA和MDEA的速度常数不同，差好几个数量级。(www.xing528.com)

●废水和损失——胺由于热和化学原因（氧化，与SO_x发生反应）会发生分解，可能生成氨和热稳定的盐类。每回收1t二氧化碳，平均损失的胺是0.2～1.5kg，对于大型捕获工厂来说，这是一个相当大的缺点。

2.2.2 能量损耗

这是很重要的一点，需要一些更详细的分析。

在基于化学吸附的捕获方法中，溶剂再生所必需的热量是能量损耗中最大的一部分，这些热量包含几个部分。第一部分能量是用于补偿酸碱反应的反应热（对于MEA大概是70kJ/mol），这部分占总热量的40%以上。第二部分是显热，用于将全部溶剂（因此包括水）加热到合适的温度。第三部分是将部分水汽化（也可能将溶剂汽化）所需的能量。这些需要的能量是通过在加热再生器中的水蒸气或者直接注入水蒸气，或者二者综合采用而得到的。水蒸气也会导致液体中二氧化碳的部分压力降低并作为释放二氧化碳的夹带剂。不论在什么地方生产这些低压水蒸气或者从工厂中撤除它们，都会产生能量损耗，从而降低净效率。一般的平均值（在工业气体净化中）是3GJ/t二氧化碳，这可能占到总热能的30%。

因此降低能量需求显得非常必要。能源整合或许可以实现这个目标，但是其他因素也很重要：

●废气中二氧化碳的浓度——高浓度的气体意味较低的液体流速，因此可以降低热需要量；高浓度（例如30%或者更高）可以使用物理溶剂，这从能量的角度看更有利。

●溶剂性质——这是关键因素，在吸收溶液中增加胺的密度、降低反应热量、用可以承受更大的随温度变化而发生的平衡转移，可以减少所需的溶剂量和解吸能量，从而减少所需的热量。

●停留时间和接触时间——快速的基本过程（例如从气体到液体的大规模转变，反应速率，热量转移）意味着液体在塔中停留很短的时间，因此可以减少所需的溶剂量、增加产量。高效（结构化的）包装改善了这一指标，但是在化学动力学上可能受到限制。

●物理溶剂——溶剂在压力转换循环方式下工作可能会减少能量损失（数值低于给定的1GJ/t），但是因为能量来源于压缩（吸附前的气体），必定与电厂电力有关，而与热能无关。需要的能量与所需处理的气体的总数成比例，需要处理的气体总数又取决于二氧化碳的浓度。因此，当需要处理的气体富含二氧化碳并且是高压^[4]，以及满足增压流化床燃烧条件时，这种工艺过程就会显现出它能量优势，例如在水泥窑中和合成气燃烧前处理中。

在表18.2中对化学吸附与物理吸附进行了定性比较总结。

表18.2 物理溶剂与化学溶剂的比较

（续）