一种工业化二氧化碳捕获剂的快速筛选方法

摘要

本发明公开了一种工业化二氧化碳捕获剂的快速筛选方法，包括以下步骤：(1)？先用二氧化碳捕获剂吸收二氧化碳，再使二氧化碳被解吸，得到预处理的二氧化碳捕获剂；(2)？将预处理的二氧化碳捕获剂的温度调至10-50℃，通入模拟烟道气并搅拌0.5-2h使模拟烟道气中的二氧化碳被吸收，得到富液；将富液的温度调至75-100℃，通入并氮气并搅拌0.5-2h使富液中的二氧化碳被解吸，得到贫液；分别测定富液和贫液中的负载；所述负载是指二氧化碳的摩尔数与二氧化碳捕获剂的摩尔数之比；(3)？通过比较循环容量的大小来判断二氧化碳捕获剂的优劣；所述循环容量是指富液和贫液中的负载的差值与二氧化碳捕获剂浓度的乘积。该筛选方法准确性高，成本低，时间短。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业化二氧化碳捕获剂的快速筛选方法，属于二氧化碳捕获技术领域。

背景技术

近年来，温室效应导致的全球气候变化问题日益威胁人类的生存和发展,而二氧化碳则 是公认最主要的温室气体之一。

目前主要存在燃烧前捕获、富氧燃烧捕获和燃烧后捕获这三种碳捕获技术，燃烧后捕获 技术是符合当前经济发展可行的最成熟的技术，燃烧后烟道气脱碳技术主要包括化学吸收 法、物理吸附法和膜分离法等。

化学溶剂吸收法中，有机胺溶剂因其快吸收速率，大吸收容量和可再生等特性被广泛应 用于工业化规模生产过程中。

目前主要存在的有机胺溶剂主要有：单乙醇胺，2-氨基-2-甲基-1-丙醇，二乙醇胺，N- 甲基二乙醇胺，三乙醇胺，哌嗪等，同时一大批潜在的吸收剂正在被研究，如二乙胺基乙 醇，4-二乙胺基-2-丁醇，二乙烯三胺，氨乙基乙醇胺，3-甲氨基丙胺等。

通过研究不同胺溶剂的溶解度、动力学常数、解吸能耗、传质性能和降解腐蚀性能等来 对比筛选更高效性能的溶剂体系有一些缺点，如需要耗费大量的时间和材料，导致高成本； 研究的溶剂常常只是具有某种优异性能，不能判断该溶剂捕获二氧化碳的整体性能是否高 效；因此，开发一种二氧化碳高效捕获剂的快速筛选方法具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种工业化应用二氧化碳高效捕获剂的快速筛选方法，该 方法基于传统二氧化碳捕获剂的筛选方法，结合工业化应用溶液再生循环和塔设备规模，通 过设定贫胺溶液负载和吸收解吸流程时间，快速的得到相同条件下不同捕获剂体系的碳捕获 循环容量来筛选出高效捕获剂，筛选成本大大降低，筛选时间短，且能够在Aspen中进行中 试规模放大。

本发明的技术方案是，提供一种工业化二氧化碳捕获剂的快速筛选方法，包括以下步 骤：

(1)先用二氧化碳捕获剂吸收二氧化碳，再使二氧化碳被解吸，得到预处理的二氧化碳 捕获剂，所述二氧化碳捕获剂为有机胺溶剂；

(2)将预处理的二氧化碳捕获剂的温度调至10-50℃，通入模拟烟道气并搅拌0.5-2h使 模拟烟道气中的二氧化碳被吸收，得到富液；将富液的温度调至75-100℃，通入并氮气并搅 拌0.5-2h使富液中的二氧化碳被解吸，得到贫液；分别测定富液和贫液中的负载；所述负载 是指二氧化碳的摩尔数与二氧化碳捕获剂的摩尔数之比；

(3)通过比较循环容量的大小来判断二氧化碳捕获剂的优劣；所述循环容量是指富液和 贫液中的负载的差值与二氧化碳捕获剂浓度的乘积。

进一步地，所述步骤(1)中，先用温度为10-50℃的二氧化碳捕获剂吸收二氧化碳；再使 二氧化碳捕获剂的温度升高至75-100℃并通入氮气使二氧化碳被解吸，得到预处理的二氧化 碳捕获剂。

进一步地，所述步骤(1)中，二氧化碳捕获剂吸收二氧化碳至饱和的40-80％时，再使二 氧化碳被解吸。因为吸收至接近饱和时，吸收的速率会很慢。饱和是指二氧化碳在二氧化碳 捕获剂中的吸收达到当时条件下的平衡，可理解为吸收为100％，为节省时间，也为接近工 业化的处理情况，不可能等到吸收至饱和才去进行解吸过程。

进一步地，所述步骤(2)中，预处理的二氧化碳捕获剂吸收二氧化碳至饱和的40-80％ 时，得到富液。

进一步地，所述步骤(1)中，二氧化碳被解吸时，通入流量为0.7-1.0L/min的氮气，当从 二氧化碳捕获剂逸出的气体中二氧化碳的浓度为模拟烟道气中二氧化碳浓度的5-20％时，得 到预处理的二氧化碳捕获剂。对于解析过程也是一样，解吸至接近平衡时，解吸的速率也会 很慢。

进一步地，所述步骤(2)中，二氧化碳被解吸时，通入流量为0.7-1.0L/min的氮气，当从 富液逸出的气体中二氧化碳的浓度为模拟烟道气中二氧化碳浓度的5-20％时，得到贫液。

进一步地，所述有机胺溶剂为单乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、二乙醇胺、N-甲基二 乙醇胺、三乙醇胺、哌嗪、二乙胺基乙醇、4-二乙胺基-2-丁醇、二乙烯三胺、氨乙基乙醇 胺、3-甲氨基丙胺。有机胺溶剂可以为单一的一种有机胺溶剂，也可以为多种有机胺溶剂的 混合。此筛选方法可以有效应用于筛选多种有机胺溶剂或者说多种二氧化碳捕获剂的有效组 合。

进一步地，所述模拟烟道气中的二氧化碳浓度为1-50％。

进一步地，所述步骤(1)中，用二氧化碳捕获剂吸收流量为0.2-0.5L/min的二氧化碳。

进一步地，所述步骤(1)中，二氧化碳捕获剂吸收二氧化碳的时间为0.5-1h，二氧化碳被 解吸的时间为0.5-1h。

本发明中使用的模拟烟道气是指模拟实际条件下烟道内的气体成分，为简化实验条件， 可用氮气和二氧化碳代替。本发明中的氮气是为了与二氧化碳相区别，用空气或接近空气的 气体均可，进一步地，可以认为与二氧化碳高效捕获剂不反应，且溶解度接近空气的其他均 可应用。

本发明的步骤(1)即为预处理步骤，是为了使在步骤(2)前得到一种已经含有部分二氧化 碳的溶剂，使其更加接近实际情况。当然，步骤(1)的预处理过程可以进行多次。为了使吸 收和解吸过程中二氧化碳的传质较为均匀，搅拌的速度应不低于1000r/min。

本发明提出一种工业化应用二氧化碳高效捕获剂的快速筛选方法，由于碳捕获工业化流 程中胺溶液的循环再生特性和再沸器能耗所带来的成本考虑，碳捕获筛选过程的贫液负载参 数更接近工业应用；同时，预处理过程能够消除新配胺溶液所带来的不确定误差因素，如溶 液稳定性，浓度分布不均匀等。吸收解吸过程设定的吸收温度，模拟烟道气浓度，气相流量 等都和工业化应用条件相近。而吸收解吸过程的时间则根据工业化应用的塔设备规模来进行 具体设定，时间是根据塔设备基于速率模型进行计算的。

本发明整合传统溶剂筛选特性参数测定方法和工业化应用胺溶液循环特性参数的优势， 与现有技术相比，具有以下优势：本发明的方法通过结合二氧化碳捕获工业化应用流程的循 环特性和塔设备规模设定吸收解吸过程时间参数，能够快速准确的筛选出具有高效捕获性能 的二氧化碳捕获剂，与传统的溶研究剂特性参数测定方法对比，该方法可极大地节约了的时 间和材料的消耗，过程简单，稳定和重复性高，操作成本极低，结果更可靠；该筛选方法可 以筛选单一的有机胺溶剂，也可以筛选多种有机胺溶剂的最佳组合配比。

附图说明

图1为本发明的快速筛选实验的装置示意图；

其中，1是氮气钢瓶，2是二氧化碳钢瓶，3是截止阀，4是质量流量控制器，5是气体 混合器，6是恒温水浴槽，7是温度控制器，8是反应器，9是气体分布器，10是搅拌子， 11是冷凝管，12是冰浴冷却器，13是干燥管，14是气体流量计，15是二氧化碳分析仪。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例的快速筛选实验的装置示意图如图1所示，具体筛选体系为质量分数均为30％ 的单乙醇胺(MEA)、二乙氨基乙醇(DEEA)、N-甲基二乙醇(MDEA)、2-氨基-2-甲基-1- 丙醇(AMP)和二乙醇胺(DEA)五种胺溶液，筛选步骤步骤为：

(1)溶剂预处理：将新配置的300ml胺溶液装入体积为500ml的反应器中，并将反应 器放入恒温水浴槽中加热稳定至40℃，保持液相搅拌速度为1400r/min，二氧化碳气体流量 为0.2L/min。当胺溶液吸收至半饱和时停止吸收反应，此时尾气流量基本恒定。然后将装 有装有上述处理后的溶液的反应器放入加热稳定至80℃的恒温水浴槽中，当溶液温度上升 至65℃后开始进行解吸过程，同时通入流量为0.8L/min的氮气，保持液相搅拌速度为 1400r/min。当尾气浓度低于模拟烟道气浓度(20％)的2kPa时，停止解吸过程，此时得到 的预处理的二氧化碳捕获剂，冷却备用。测得质量分数为30％的MEA、DEEA、MDEA、 AMP和DEA溶液负载分别为0.307、0.096、0.053、0.127和0.147(摩尔/摩尔)。

(2)吸收解吸过程。将预处理的二氧化碳捕获剂放入恒温水浴槽中加热稳定至40℃， 保持液相搅拌速度为1400r/min。通入0.2L/min的二氧化碳和0.8L/min的氮气气体，胺溶液 吸收60min得到富液，富液在80℃和0.8L/min的氮气流量条件下解吸60min时间得到贫 液。富液负载和贫液负载见表1。

表1为质量分数为30％的MEA、DEEA、MDEA、AMP和DEA胺溶液贫液和富液的 负载和循环容量。

表1

3)溶剂对比筛选。五种溶剂的循环容量数值见表1，循环容量的相对顺序为 AMP>DEA>DEEA>MEA>MDEA。筛选得到质量分数为30％的AMP具有最高的碳捕获效 率。通过Aspen7.2模拟软件在中式规模和相同模拟参数条件下得到的回收率相对顺序为 AMP>DEA>MEA>MDEA(该软件目前没有DEEA工艺参数包)，验证了该方法的可靠性。

实施例2

筛选的体系为总浓度为5mol/L的MEA和DEEA水溶液体系，摩尔配比分别为4:1,2:3, 2.5:2.5,3:2和1:4，其它筛选条件和步骤如实施例1。预处理后的溶液负载分别为0.300, 0.251,0.203,0.161和0.087(摩尔/摩尔)。

贫液吸收解吸得到的贫富液负载和循环容量见表2。五种溶剂的循环容量数值见表2， 循环容量的相对顺序为2.5:2.5>3:2>2:3>1:4>4:1。筛选得到总浓度为5mol/L，摩尔配比为 2.5:2.5的MEA和DEEA混合胺溶液具有最高的碳捕获效率。

表2为浓度为5mol/L不同摩尔配比的MEA和DEEA混合胺溶液的贫富液负载和循环 容量。

表2