・94・材料导报A:综述篇2014年11月(上)第28卷第11期
相变溶剂吸收C02研究进展。
张政,刘彪,覃显业,农洁静,李艳红,赵文波
(昆明理工大学化学工程学院,昆明650500)
摘要二氧化碳捕集是应对全球变暖的有效途径,溶剂吸收法是目前最为成熟的二氧化碳燃烧后捕集技术,
但过高的二氧化碳解吸能耗是限制其进一步推广的瓶颈。相变溶剂吸收COz由于有再生能耗低的优点,受到了越
来越多研究者的关注。综述了有机胺溶剂吸收CQ的反应机理,并介绍了传统溶剂吸收C02的装置和吸收C02的
各种方法。重点阐述了热致相变溶剂吸收c02的热力学计算方法、临界溶解温度、热致相变原理和其溶剂选择标
准,在此基础上,综述了热致相变溶剂的研究现状。最后概述了近年来国内外其他相变溶剂吸收C02的研究进展。
关键词二氧化碳捕集溶剂吸收相变
中图分类号:TQ028.8文献标识码:A
DOI:10.11896/j.issn.1005—023)(.2014.21.018
Progress
in
C02
CaptureUsingPhase-changing
Solvents
ZHANG
Zheng,LIUBiao,QINXianye,NONGJiejing,LIYanhong,ZHAO
Wenbo
(Faculty
ofChemical
Engineering,KunmingUniversity
ofScienceand
Technology,Kunming
650500)
AbstractC02capture
isaneffective
waytodealwith
global
warming,andsolvent
absorption
methodisthe
mostmature
technologyat
present
forthepost-combustioncapture
ofC02,but
highenergyconsumption
ofCQde—
sorptionprocess
willlimit
its
application
in
thefuture.Because
phase-changing
solvents
needlow
regenerationenergy
forC02
desorptionprocess,which
isawonderful
advantage,more
andmoreresearchers
begin
to
pay
attentionto
thesesolvents.ReactionmechanismofaminewithC(his
reviewed,absorption
apparatus
andmethodsforC02
absorp~
tion
using
traditionalsolventsareintroduced.Themethodofthermodynamiccalculation,criticalsolutiontemperature,
principle
ofthermomorphicphasechange
and
criteriaforsolventsselectionaresummarized.Basedonthis,there—
search
progress
ofthermomorphicbiphasic
solventsof
C02
absorption
isreviewed.In
addition,otherathomeand
abroad
phase-changing
solventsfor
C02
absorption
inrecentyearsarealsooutlined.
Key
wordsC02capture,solvents,absorption,phase
change
0引言
全球变暖是当今世界上最前沿、最备受关注的问题。科
学界普遍认为导致全球变暖的主要因素是CO。等温室气体
的过量排放,而C0。捕集与封存(CCS)技术是实现C02减排
和应对全球变暖的有效途径。CCS由捕集、运输和封存3个
环节组成,其中C02的捕集成本约占CCS技术总成本的
70%。因此,降低CCS成本的主要方法是有效降低C0:的
捕集成本[1]。目前,CO:的捕集方式主要有3种:燃烧前捕
集、富氧燃烧和燃烧后捕集。其中,燃烧后捕集技术不需要
对现有火电厂进行改造,具有适应范围广、继承性强等优点,
已成为当前CO:捕集的研究热点。燃烧后捕集CO:的方法
可分为溶剂吸收法、吸附法、膜分离法和深冷分离法等几大
类口。]。化石燃料燃烧排放的烟气温度高、气量大、成分复
杂、CO:压力和含量相对较低,使用吸附法、深冷分离法和膜
分离法都不太经济,目前相对成熟的主要是溶剂吸收法,常
用的化学溶剂为有机胺,并已在中试规模[4_6]和实际工业[71
中有较成熟的应用。传统有机胺溶剂存在再生能耗高的问
题,研究发现相变溶剂可降低再生能耗,因此本文分析和总
结了热致相变溶剂吸收CO:的研究现状,同时也综述了国内
外其他相变溶剂吸收CO。的研究进展。由于相变溶剂吸收
C0。是基于传统有机胺溶剂研究的延生,本文首先总结了有
机胺溶剂吸收C02的机理,并介绍了传统溶剂吸收C02的
装置和吸收COz的各种方法。
1溶剂吸收法
溶剂吸收法是通过化学反应有选择性地吸收易溶于溶
液的气体。有机胺溶液吸收CO:的原理是利用碱性吸收剂
与C02接触并发生化学反应,形成不稳定的盐类,其在一定
条件下逆向解吸出CO:,于是将烟道气中的CO。分离提纯脱
除。依据氮原子上取代基的空间结构可将有机胺分为链状
取代胺和空间位阻胺,同时依据氮原子上氢原子的个数,取
*清华大学化学工程联合国家重点实验室开放基金(SKL-CHE-12A03);国家青年自然科学基金(21306071)
张政:男,1990年生,硕士生,研究方向为o。2的捕集E-mail:zhengzhan9616@163.corn赵文波:通讯作者,男,1982年生,博
士,副教授,研究方向为COz的捕集、封存与利用E-mail:wenshuixing@126.com
万方数据
相变溶剂吸收COz研究进展/张政等・95・
代胺可分为伯胺、仲胺和叔胺。下面简要概述伯胺、仲胺和
叔胺吸收CO:的反应机理,空间位阻胺吸收CO:的特性以
及传统吸收剂吸收C0:的研究现状。
1.1伯胺、仲胺和叔胺吸收C02的机理
有机胺吸收C02的情况可以分为有水参与和无水参与
两种,无水或有水情况下,伯胺和仲胺都能与CO:反应。无
水时,叔胺无法与CO:反应,所以叔胺在无水时不能吸收
COz,而伯胺和仲胺易于和CO:生成氨基甲酸盐,伯胺和仲
胺无水吸收C0。的反应方程式为’8J:
RNH2+C02;aRNHfC00一(1)
R2NH+C02≠R2NH+C()O一(2)
但有水存在时,叔胺也能和CO:反应,伯胺、仲胺和叔胺
有水吸收CO:的反应方程式如式(3)所示r8]。大量研究表
明,在水的辅助作用下,有机胺能更为有效地吸收二氧化碳。
IT.HP
R,NH,+H20+coti=号言RNHj。HC03(T+y一3)(3)
I-1111』
1.2空间位阻胺吸收c02的特性
空间位阻胺的吸收特性有别于链状取代胺,因为空间位
阻胺的N原子上连有一个巨大的官能团,其产生的空间位阻
效应会阻碍胺与CO:的键结,于是生成的氨基甲酸盐很不稳
定,极易水解还原成胺和碳酸氢根离子,因此它有较低的解
吸温度[9]。空间位阻胺由于有这一特性而在C02捕集领域
一直备受关注,其中2一氨基一2甲基一1一丙醇(AMP)吸收CO。
更是受到广泛的研究。
1.3吸收装置
传统的吸收实验装置如图1所示一8。,常压下烟道气
(10%~15%CO:)从吸收塔的底部进入,在塔内与由塔顶喷
射的有机胺溶液逆向接触。烟气中的CO。与有机胺在低温
(40~60℃)发生化学反应而形成弱联结化合物,脱除了CO。
的烟气从吸收塔上部排出。吸收塔塔底富液通过换热器被
送到解吸塔塔顶,富液在高温(100t150℃)下解吸出C02。
解析塔塔底的贫液通过贫富液换热器与进入解析塔塔顶的
富液换热后送到吸收塔塔顶,进而达到有机胺溶液循环吸收
C0:的目的。
总压为10lkPa含1I
:O,的烟道气
发电
悦钒函门雌卦博
图1CQ吸收解吸工艺流程
Fig.1
Thechemical
absorption
anddesorption
process
for
cyclic
CQ
capture
andrelease
1.4传统溶剂吸收C02概述
醇胺法捕集CO。是非常成熟的工艺,早在1930年就授
权了世界上第一个利用醇胺作为吸收剂捕集酸性气体的专
利[1…。单一有机胺溶液吸收C0:存在负载低、吸收解吸速
率慢等问题,发展受到限制,而混合胺可综合利用伯胺、仲胺
的高吸收速率和叔胺的高吸收负载,所以混合胺是目前研究
比较热门的课题[1“”]。空间位阻胺能与C0:形成弱的氨基
甲酸盐,并同时具有负载高和再生反应焓低等优点,也一直
受到研究者们的关注[13_1…,但其空间位阻效应的存在会影响
吸收速率。有较强碱性的氨水在吸收CO:[16删的同时还能
捕集烟道气中其他的酸性气体口8I,但其对设备腐蚀比较严
重。与此同时,传统溶剂吸收C0:的解吸温度都过高(100t
150oC),使得吸收解吸能耗太高,发展受到制约。
选择将醇胺类溶剂作为燃烧后CO。捕集的有机胺溶剂
有以下原因:首先,醇基的存在可以显著降低有机胺溶剂的
蒸汽压,可以确保不会因溶剂挥发而污染再生后的CO。;其
次,醇基可以调整有机胺的碱性,于是可以调整有机胺和酸
性气体的反应活性;最后,醇基还可以提高溶解度,使得溶液
有较高的介电常数。有机胺和酸性气体反应时可以生成大
量的盐,但高溶解度和介电常数不利于液液相分离或沉淀。
如果不考虑液液相分离,上述醇胺类溶剂是很好的吸收剂,
但吸收剂的再生能耗太高,为了调节溶液的吸收解吸性能,
有效降低吸收解吸能耗,有些研究者提出相变溶剂吸收C02
的新思路。
2相变溶剂吸收法
相变吸收剂比普通醇胺吸收剂好的地方在于,当再生温
度达到使普通醇胺的铵盐分解时,溶液中的醇胺会气化,消
耗大量的相变潜热,而相变吸收剂只是液液分相,不会气化
而节约一部分能量。Svendsen等[1钉提出利用热力学相变溶
剂体系有可能达到相变的目的。传统的溶剂吸收法以有机
胺为主,有机胺的吸收工艺比较成熟,研究者在筛选相变吸
收溶剂时更倾向于选择有机胺。本节旨在综述热致相变溶
剂(TBS)吸收COz的机理和研究现状,并对国内外其他有代
表性的相变吸收工艺做简要概述。
2.1热致相变溶剂吸收c02
2.1.1热力学计算方法
有机胺溶液的混合和相变过程涉及到相应的热力学参
数,以下概述影响溶剂溶解度和混合溶液性质最重要的热力
学参数和相应的热力学计算方法[2…。
AG。为混合过程的吉布斯自由能,它决定了两相化合物
是否形成均相以及形成均相的程度,如式(4)所示。
△G。。一△HmⅨ一丁AS。。(4)
如果吉布斯自由能△G…小于零,那么混合过程将会自
发进行,直到混合过程的吉布斯自由能△Gmi,达到零时,混合
过程才会达到平衡状态。如果吉布斯自由能AGmi大于零,
那么混合物将会分成两相,相变过程将会持续进行到吉布斯
自由能AGm。。变为零。
AH。。为溶质和溶剂的混合过程焓变,其值等于各纯组
万方数据
・96・材料导报A:综述篇2014年11月(上)第28卷第11期
分的焓之和与混合溶液焓的差值,如式(5)所示。
AH。。一H。。+H。一H。(5)
根据式(5),如果各纯组分焓之和大于混合物的焓,那么
混合过程的焓变将大于零,混合过程不易自发进行,为使溶
液混合,需要改变温度从而改变混合物各纯组分的摩尔生成
焓。相反,如果混合过程的焓变小于零,那么混合过程将会
产生热量,混合过程易于自发进行。所以混合过程的焓变大
于零将有利于溶液的分相,而小于零时有利于混合。
△S疵为混合过程的熵变,其值随着两种不同的化学物质
或组分的混合而改变。熵是衡量系统混乱程度的度量,当不
同种类的分子在空间位置混合时,系统的混乱程度将会增
大,所以熵变肯定为正值。
分相与混合的自发进行主要取决于混合吉布斯自由能
△G。i。是大于零还是小于零,而混合熵AS商。一定大于零,因
此,分相与混合的进行主要取决于混合焓△H血。,而它的值主
要取决于温度改变导致其摩尔生成焓的改变。
2.1.2临界溶解温度
临界溶解温度也叫热致相变温度,在高于或低于此温度
时,两部分不相溶的液体将会在任意比例下完全互溶。对二
元系统有如图2所示[2阳的3种临界溶解温度类型。
上临界溶解温度是指在高于临界溶解温度时液体互溶,
如图2(a)所示。下临界溶解温度是指在低于临界溶解温度
时液体互溶,如图2(b)所示。第三种热致相变特性同时具有
上、下临界溶解温度,如图2(c)所示。
在低温时,具有上临界溶解温度的溶液分子运动的强烈
}叮}甲¥}
rrrr’P。r
宁学f罕甲乎
P。P¨N-”P¨‘}”¥-H
h。}m.扣.L”譬mL。
71
哥
P
R
品。H
H
警
r
程度要比在高温时低,同类分子的自聚作用占优势,导致出
现相变。而具有下临界溶解温度的溶液,在高温时会出现相
变,因为在低温条件下溶质溶解于溶剂时,溶质与溶剂间分
子作用力要大于溶质问分子作用力,但升高温度可以减弱溶
质与溶剂间分子作用力,当溶质间分子作用力大于溶质与溶
剂间分子作用力时,就会出现相变。
图2热致相变特性
Fig.2Thermomorphicphase-transition
behaviour
2.1.3热致相变原理
有机胺溶液具有下临界溶解温度,因为有机胺的烷基和
氨基有相反的水溶性作用,并且这种相互作用和温度非常相
关。烷基是疏水基,通过烷基问的自聚作用有利于胺水分
相;氨基是亲水基,因为氨基与水形成的氢键有利于胺的溶
解,并且这种相互作用要远大于烷基问的自聚作用,但是当
温度升高到某一临界值后,氢键非常容易断裂,具有自聚性
的水结合在一起,同时析出有机胺,液一液分相完成。温度升
高导致有机胺分相的原理如图3所示[20’2“。
……分子内氢键~共价键
RRR
r“f-H¥“
HHH
}}}
r“¥-Hr“
HHH
i¥¥
N--HN--HN--H
^A
^
图3热致相变原理(L<L<瓦)
Fig.3Thermomorphicliquid
phaseseparationphenomena(T1<疋<乃)
2.1.4相变溶剂选择标准
合适的相变溶剂要有热致相变特性,还要有可调控的相
变温度,若相变温度太高,则再生过程中需要消耗大量的热
量。同时相变溶剂要有较低的饱和蒸汽压,若蒸汽压太高,
则加热再生过程中会有大量的溶剂挥发,不仅会降低溶剂的
循环利用率,还会污染再生得到的COz。所选相变溶剂的溶
液在低温时应为均相,这将确保CO。吸收过程在均相系统中
进行,从而避免非均相系统传质过程带来的问题。对所选溶
液进一步的要求是在CO:吸收到溶液系统时,热致相变特性
不会消失,或者不会有显著改变,然后是溶液的CO。负载量
要高,CO:的吸收解吸速率要快,有效循环容量的值要高,高
循环容量的有机胺吸收CO:,不仅可以减少有机胺的成本,
还可以节省溶液循环泵的电费,这将有效降低CO:捕集成
本。除了上述提到的重要标准,热致相变有机胺溶剂还应该
具有无毒、热稳定、对设备无腐蚀、在低成本下可商业利用等
特性‘2…。
2.1。5热致相变溶剂吸收C02的研究现状
传统烷醇胺溶剂高温再生不仅会消耗大量能量,而且有
明显的热降解现象。德国多特蒙德工业大学的Agar等[2幻提
出含有吸收剂和活化剂的亲脂性胺热致两相溶剂系统能解
决这一问题,简化的工业流程见图4[23】。Zhang等[24]对环庚
胺(CHpA)、二正丁胺(BDA)和N一乙基哌啶(EPD)等30多
种亲脂性胺的相变温度、负载量、反应动力学和再生性能进
行了研究。筛选试验表明伯胺或仲胺常作为吸收活化剂,叔
胺由于其较低的介电常数和热致液一液相变特性而作为再生
促进剂。通过实验筛选出的混合吸收剂B1(一种烷基胺)+
A1(具体结构式未公布)和DMCA(N,N一二甲基环己胺)+
A1在各方面较传统烷醇胺有更好的性能,尤其是CO。负载
量和溶剂再生性能。升高温度到80℃引起液一液相变可达到
溶剂再生的目的,于是可以用低热值甚至废热来实现二氧化
H
H
H
一
一
一
H,0
一
一
-
m
件
阡
一
一
一
一
一
H
H
H
H
一
一
一
k●,rkLb;k;。h
;嗍扣。
1-
,r,嗍。。h心一HⅥ
H
H
m
k
ik,r
链键氢氢
内问链子子价分分共
一~一
万方数据
相变溶剂吸收CO。研究进展/张政等・97・
碳的解吸。在此基础上,Zhang等[25删对混合吸收剂B1+
A1和DMCA+A1进行了详细的研究。在吸收过程中,由于
A1有很好的水溶性,它很容易与CO:或水接触,于是氨基甲
酸酯的形成、转化和碳酸氢盐的形成可发生在气一液界面,有
机相中,液一液界面和水相中,这使得A1有较高的吸收速率
和负载量。B1和DMCA有低临界溶解温度,适当升高温度
可使其从水中分离出来,因此具有很好的再生性。混合吸收
剂综合了吸收活化剂和再生促进剂的优点。再生过程中,根
据勒夏特列原理,再生出来的胺作为自萃取剂不断地从水相
中萃取出有机胺,反应向氨基甲酸酯和碳酸氢盐分解的方向
进行,则会促使CO:的解吸,推动反应朝着再生方向进行,于
是所得再生溶液上层为有机相,下层为水相。为了进一步降
低解吸能耗,Zhang等[2胡采用了搅拌、超声、溶剂萃取等方法
来强化解吸过程。实验结果表明利用惰性疏水性溶剂萃
取【271可将解吸温度降到40~50℃,并可强化吸收剂的回收,
通过多级萃取再生系统可将90%以上的cO:解吸出来。此
外,Zhang等[zs,z93还对热致两相有机胺溶剂的气液平衡、发
泡、挥发、热降解和氧化降解进行了研究,并提出了减少溶剂
损失的相应解决方法。
图4fBS系统工艺流程简图
Fig.4
Basic
process
flowdiagramof
TBS
system
2.2其他相变溶剂吸收C02的研究现状
法国石油与新能源研究院(IFPEN)的Aleixo等’3叫提出
如果吸收后的吸收液升高到相应温度分为两相,被吸收的
CO。在某一相中得到浓缩,于是只需要将富含C02的富液送
入到再生塔,从而可以减少进入再生塔的液体流量,降低
CO。的再生能耗。为此,他们对胺浓度为O~100%,C02分
压为o~200kPa,温度为20~90℃的300多种胺类试剂
(R。R。R。N)进行了筛选试验,试图找出在室温下能够溶于
水,但在给定的胺浓度范围内因增加负载或提高温度而分成
液一液两相的有机胺试剂。通过大量的实验研究,他们找到了
几种符合要求的试剂(DMXTM试剂)。在此基础上,IFPEN
的Raynal等[31,321开发出了适用于D凇TM试剂的DMXTM过
程。DMX-1试剂由于c02吸收负载量高,液一液分相速度
快,且不存在降解和腐蚀等问题而首先被应用于此过程。
DMX-1吸收后的富液与从再生塔来的贫液经过换热器后送
入到滗析器,分相后的贫液与从换热器来的贫液混合后送入
到吸收塔循环吸收,而富液送入到再生塔再生,此过程可以
减少处理量,降低再生能耗。相对于再生能耗为3.7
GJ/t
C02的30%MEA,DMx-1TM的再生能耗只有2.3
GJ/tC02,
甚至可以在一定条件下降到2.1
GJ/t
CO。。工艺流程简图
如图5所示‘3“。
图5ll・1PEN的I).MX”1工艺流程简图
Fig.5Simplifiedprocess
flow
diagram
ofthe
IFP
energies
nouvellesD1VIXTM
process
清华大学热能工程系的徐志成等[33]对5种具有低l临界
溶解温度的有机胺溶液进行了研究,并通过自建的半连续鼓
泡实验台测试了这些吸收剂对CO:的吸收解吸性能,此吸收
装置可以同时进行40℃时的吸收和80℃时的解吸实验,实
验系统如图6所示[33。。实验结果显示3
mol/L三乙基胺
(TEA)和5mol/L二烯丙基胺(DAA)在吸收后分为两相,很
适合自萃取系统。在此基础上,他们[34-36]通过快速筛选实验
台找到了多种具有相变特性的单胺和混合胺。他们口7-39]还
系统研究了1,4一丁二胺(BDA)和N,N一二乙基乙醇胺
(DEEA)组成的高效两相吸收剂,并确定最佳浓度为2mol/
LBDA+4
mol/LDEEA,其在吸收后会出现分相现象,下层
CO。的量可达到总吸收量的97.4%。溶液分相是由于伯胺
BDA与CO:有很快的反应速率,通入到溶液的C0:首先与
BDA反应,而且DEEA在BDA与c02的反应产物中溶解度
非常低,同时DEEA的密度很小,于是DEEA从溶液中分离
出来而转移到上层,BDA停留在下层。当BDA与C0。反应
达到平衡时,DEEA才开始和Co:反应,其反应产物与BDA
和C02的反应产物互溶,于是该反应产物转移到下层。反应
结束后C0:富集在下层,再生时只需将下层溶液送到再生
塔,减少了解吸时溶液处理量,从而降低解吸能耗。
Rojey等[4明发现具有特殊结构的吸收剂溶液在吸收后
会变成液一液两相。Huo“靶]研究了一种相变吸收剂,其包含
两种组分,并对该吸收剂的吸收和再生性能、吸收剂对设备
的腐蚀进行了研究。此相变吸收剂由20%的活化剂A和
80%的吸收剂B组成,吸收时A与C02反应生成A・C02,
且A・C0:不溶于B,于是形成了新的一相。其优点在于再
生时只需将CO:富液送入到再生塔,减少再生时溶液处理
量,有效降低再生能耗。Bruder等H3]发现5mol/L的DEEA
和2
mol/L的3一甲氨基丙胺(MAPA)混合溶液吸收CO。后
万方数据
・98・材料导报A:综述篇2014年11月(上)第28卷第11期
分相,其循环负载量要高于5mol/LMEA。汪明喜等‘441发
现15%的DMCA和15%的N一甲基环己胺(MCA)组成的混
合胺再生时的相变可促进溶剂再生,与30%的乙醇胺
(MEA)相比,再生率提高69%,循环净负荷从2.67mol/kg
提高到6.57mol/kg,非常具有发展潜力。
N:气瓶
CO,气瓶
3结语
图6快速筛选试验台
Fig.6
Fast
screeningfacility
再生能耗高是溶剂吸收法捕集C0。最大的挑战,相变溶
剂吸收CO。可有效降低吸收解吸能耗,是非常有吸引力的燃
烧后CO:捕集方法。但为了寻找合适的相变吸收剂,研究者
大多从数量众多的吸收剂中筛选,工作量非常庞大,为后续
的研究甚至工业化应用带来了很大的困难。未来的发展方
向是找出一种胺类物质,有目的性并且较容易地调整其结
构,从而可以调控这种胺类物质的解吸温度,在确保吸收解
吸性能很好的前提下有效降低再生能耗。同时,研究者大多
关注液一液相变吸收剂吸收CO。,很少有人研究液一固相变吸
收剂吸收C02。文献报道的有Perry等[45]研究的氨基有机
硅材料,其在吸收CO:后会由低粘度的液体转变为固体,再
生时仅将反应后得到的固体送到再生操作单元,于是只需从
液一固混合物中分离出固体。这种操作相对于液一液分离来说
非常简单,且很有效地降低再生能耗,也是未来发展的一个
重要研究方向。
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万方数据
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