尹龍?zhí)?李秀金 張 良* 常燕青

(1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 北京 100029； 2.維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司， 常州 213125)

引 言

沼氣是可再生清潔能源的一種，開發(fā)沼氣的多種應(yīng)用可有效解決我國面臨的環(huán)境污染和能源危機(jī)等問題[1-3]。然而沼氣中大量存在的CO2導(dǎo)致其熱值偏低，限制了其應(yīng)用，因此非常有必要對沼氣進(jìn)行脫碳處理以提高其熱值。

目前應(yīng)用較為廣泛的沼氣脫碳方法主要有高壓水洗法、化學(xué)吸收法、膜分離法及變壓吸附法等[4-7]。其中乙醇胺(MEA)化學(xué)吸收法以其脫碳率高、可常壓操作、CH4損失極低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，但存在解吸過程能耗高的缺陷[8-10]。MEA- 乙醇溶液具有良好的解吸性能，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，MEA- 乙醇的最佳解吸溫度比MEA- 水溶液低20 ℃左右，因此引入MEA- 乙醇溶液可以有效降低解吸能耗。MEA化學(xué)吸收法脫碳的解吸技術(shù)多以汽提法為主，但該技術(shù)工藝復(fù)雜，會導(dǎo)致吸收劑濃度的變化以及MEA的高溫降解，且由于富液在反應(yīng)器中的停留時(shí)間較短從而導(dǎo)致解吸不徹底。批式解吸工藝則可以自由控制解吸時(shí)間，解吸時(shí)間的延長能夠有效地提高解吸程度，從而降低吸收過程的溶液用量。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，實(shí)際沼氣脫碳應(yīng)用中必須做到MEA的循環(huán)利用，因此富液解吸過程是極為重要的環(huán)節(jié)，而目前大部分的化學(xué)吸收脫碳研究都集中在吸收方面，針對解吸的研究較少。

用于MEA化學(xué)吸收脫碳的吸收傳質(zhì)設(shè)備以傳統(tǒng)塔器為主，但傳統(tǒng)塔器占據(jù)空間大、投資成本高、傳質(zhì)效率不高。超重力反應(yīng)器(RPB)是一種強(qiáng)化傳質(zhì)的反應(yīng)設(shè)備，通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生數(shù)百倍重力場的離心力場，在強(qiáng)大的離心力場中液相流體被切割為微米級的微粒以極大的速度通過填料，增大氣液傳質(zhì)面積從而提高了傳質(zhì)效率[12-14]。在沼氣脫碳中引入超重力反應(yīng)器可以有效減少工程實(shí)踐中的設(shè)備投資和設(shè)備占地面積，還可以提高傳質(zhì)效率，減少吸收劑的循環(huán)量。但將超重力反應(yīng)器用于沼氣脫碳的研究目前并不多見。

本文旨在研究將超重力反應(yīng)器吸收和批式解吸工藝結(jié)合用于沼氣脫碳的效果。在中試規(guī)模下進(jìn)行超重力反應(yīng)器用于脫碳的吸收傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了操作參數(shù)變化對傳質(zhì)性能的影響，發(fā)現(xiàn)超重力反應(yīng)器具有良好的脫碳效果，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)塔器，大幅減少工程上的設(shè)備占地和設(shè)備投資；首次將批式解吸工藝應(yīng)用于沼氣脫碳，重點(diǎn)研究了中試規(guī)模下加熱器用于MEA- 乙醇溶液的批式解吸性能，發(fā)現(xiàn)MEA- 乙醇溶液的批式解吸性能良好，采用批式解吸工藝長期運(yùn)行不會改變?nèi)芤旱男再|(zhì)，且可以使溶液解吸得更加徹底，減少溶液用量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

MEA化學(xué)吸收法通過MEA與CO2進(jìn)行反應(yīng)將沼氣中的CO2脫除[15-16]。MEA與CO2的反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，總反應(yīng)式可寫作

(1)

該反應(yīng)可以分為兩步，第一步是兩性離子的生成反應(yīng)，反應(yīng)式如下。

(2)

接下來是兩性離子的去質(zhì)子化反應(yīng)，反應(yīng)式如下。

(3)

在高溫下，發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

N2、CO2，純度均為99.99%，南京特種氣體廠；乙醇胺、無水乙醇，分析純，上海麥克林生化科技有限公司。

逆流填充式超重力反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)，南京亨格水處理有限公司生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；加熱器，實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)，安徽天馬環(huán)保裝備有限公司生產(chǎn)；浮子流量計(jì)，H250型，科隆公司；在線沼氣分析儀，H9010型，武漢四方光電有限公司。

1—電機(jī)； 2—?dú)怏w進(jìn)口； 3—液體分布管； 4—填料； 5—轉(zhuǎn)子； 6—外殼； 7—液體出口； 8—液體進(jìn)口； 9—?dú)怏w出口； 10—密封。圖1 超重力反應(yīng)器示意圖Fig.1 Structure of the counter-current RPB reactor

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

沼氣中含有大量甲烷，屬危險(xiǎn)氣體，本文實(shí)驗(yàn)以N2和CO2配制模擬沼氣來代替真實(shí)沼氣，由于N2無法與MEA發(fā)生反應(yīng)，可以作為CH4的替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本文實(shí)驗(yàn)分為吸收實(shí)驗(yàn)、解吸實(shí)驗(yàn)和吸收解吸循環(huán)實(shí)驗(yàn)3個(gè)部分，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖2，實(shí)物圖見圖3、4。吸收實(shí)驗(yàn)在超重力反應(yīng)器中進(jìn)行。通過調(diào)節(jié)CO2和N2的流量配制成不同CO2濃度的模擬沼氣，模擬沼氣先進(jìn)入緩沖罐進(jìn)行穩(wěn)壓和混勻，然后經(jīng)過進(jìn)氣流量計(jì)進(jìn)入超重力反應(yīng)器；溶液存放在貧液罐，由泵經(jīng)過進(jìn)液流量計(jì)輸送入超重力反應(yīng)器，氣體和液體在超重力反應(yīng)器中逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)；完成傳質(zhì)后，富液依靠重力流入富液罐，氣體則進(jìn)入在線沼氣分析儀進(jìn)行成分測定。吸收實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)氣量、進(jìn)氣CO2含量、進(jìn)液量、進(jìn)液MEA含量及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)效果的影響，傳質(zhì)效果則通過產(chǎn)品氣CO2含量、CO2去除率和富液CO2負(fù)荷來反映，實(shí)驗(yàn)條件為常溫常壓(25 ℃，0.1 MPa)。

1—CO2氣體； 2—N2氣體； 3—CO2流量計(jì)； 4—N2流量計(jì)； 5—緩沖罐； 6—進(jìn)氣流量計(jì)； 7—變頻電機(jī)； 8—超重力反應(yīng)器； 9—富液罐； 10—貧液罐； 11，14，18—泵； 12—進(jìn)液流量計(jì)； 13—在線沼氣分析儀； 15—冷卻水箱； 16—冷凝器； 17—加熱器。圖2 MEA- 乙醇化學(xué)吸收法用于沼氣脫碳的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 示意圖Fig.2 Experimental system schematic diagram of MEA- ethanol chemical absorption for biogas CO2 removal

圖3 超重力反應(yīng)器實(shí)物圖Fig.3 View of the RPB

圖4 加熱器裝置實(shí)物圖Fig.4 View of the heater

解吸實(shí)驗(yàn)采用批式解吸工藝，在加熱器中進(jìn)行。批式解吸工藝是指吸收、解吸分開進(jìn)行的工藝。將一定量的吸收劑先進(jìn)行CO2的吸收，待全部吸收劑完成吸收后再進(jìn)入反應(yīng)器中解吸，解吸完成后再次進(jìn)行吸收，吸收、解吸過程輪流進(jìn)行。與連續(xù)式解吸工藝相比，批式解吸工藝可以自由控制解吸時(shí)間，克服連續(xù)式解吸工藝由于富液在反應(yīng)器中停留時(shí)間短而解吸不徹底的缺點(diǎn)，并且可以通過引入多組貧、富液罐實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。解吸工藝中，最初的富液存放在富液罐中，利用泵將富液全部打入加熱器，設(shè)定加熱溫度，對富液進(jìn)行加熱，解吸過程中釋放的CO2經(jīng)過冷凝器排出，冷凝器將部分汽化的溶液冷凝回流到加熱器。解吸實(shí)驗(yàn)研究溶液MEA含量和解吸時(shí)間對解吸性能的影響，解吸對象為CO2負(fù)荷0.44～0.46 mol/mol的富液。已知最佳解吸溫度是溶液的沸騰溫度[11]，因此本文實(shí)驗(yàn)的解吸溫度固定為80 ℃。

富液CO2負(fù)荷表示為單位MEA吸收的CO2量(mol/mol)，其測定系統(tǒng)如圖5所示，實(shí)物圖見圖6。測定時(shí)，將燒瓶置于天平上，取質(zhì)量為m的富液放入燒瓶，向富液中通入CO2，直至天平示數(shù)不再變化，記錄示數(shù)n。根據(jù)前期的小試實(shí)驗(yàn)[11]可知固定溶液濃度的最大CO2負(fù)荷是一定的，設(shè)被測定富液的最大負(fù)荷為d，則可根據(jù)上述數(shù)據(jù)通過式(4)計(jì)算出富液負(fù)荷D。

(4)

1—CO2氣體； 2—CO2減壓閥； 3—CO2流量計(jì)； 4—電子天平； 5—燒瓶； 6—溫度探頭； 7—冷凝器； 8—廢氣處理液。圖5 CO2負(fù)荷測定系統(tǒng)Fig.5 Schematic of the CO2 loading determination system

圖6 CO2負(fù)荷測定裝置實(shí)物圖Fig.6 View of the CO2 loading determination system

通過吸收- 解吸多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究前述吸收實(shí)驗(yàn)和解吸實(shí)驗(yàn)確定的最佳參數(shù)下的吸收- 解吸循環(huán)性能。實(shí)驗(yàn)中需要調(diào)控的參數(shù)有進(jìn)氣量、進(jìn)液量、進(jìn)液MEA濃度、進(jìn)氣CO2含量、超重力反應(yīng)器轉(zhuǎn)速以及加熱時(shí)間；需要測定的參數(shù)有氣體CO2含量、CO2去除率、富液CO2負(fù)荷以及加熱器電耗。本文中的氣量均在常溫常壓(0.1 MPa、25 ℃)下測定；氣相CO2含量通過在線沼氣分析儀測量；CO2去除率通過進(jìn)出氣CO2差量計(jì)算；富液CO2負(fù)荷通過前文介紹方法測量；加熱器電耗通過電表直接測量，解吸能耗通過加熱器電耗反映，單位解吸能耗表示為釋放單位質(zhì)量CO2的能耗(kJ/kg)。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收性能

2.1.1進(jìn)氣量的影響

在進(jìn)液量40 L/h、進(jìn)液MEA濃度3.28 mol/L、進(jìn)氣CO2含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)50%、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)氣量2 000～4 000 L/h的實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)氣量的變化趨勢如圖7所示，富液CO2負(fù)荷的變化趨勢如圖8所示。

圖7 產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)氣量的變化趨勢Fig.7 Trends of product gas CO2 content and CO2removal rate with the gas flow rate

圖8 富液CO2負(fù)荷隨進(jìn)氣量的變化趨勢Fig.8 Trends of rich solution CO2 loading with the gas flow rate

可以看出當(dāng)進(jìn)氣量低于2 500 L/h時(shí)，CO2去除率接近100%，產(chǎn)品氣CO2含量接近于0，富液負(fù)荷在0.33～0.43 mol/mol之間；當(dāng)進(jìn)氣量增長到4 000 L/h時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量增長到24.32%，CO2去除率下降至68.12%，富液負(fù)荷增長到0.46 mol/mol。這是因?yàn)樵谶M(jìn)液相關(guān)參數(shù)(進(jìn)液量與進(jìn)液MEA含量)恒定、超重力反應(yīng)器轉(zhuǎn)速固定的情況下，進(jìn)入超重力反應(yīng)器的MEA量以及氣液流動(dòng)狀態(tài)均不變，能夠吸收的CO2量是一定的，進(jìn)氣量變大，進(jìn)入反應(yīng)器的CO2總量隨之增大，而可吸收的CO2量一定，導(dǎo)致產(chǎn)品氣CO2含量上升；進(jìn)氣量的增大使得反應(yīng)器內(nèi)氣速增加，從而加劇超重力反應(yīng)器內(nèi)的氣液接觸，有利于傳質(zhì)，單位量的MEA能夠吸收更多的CO2，因此富液負(fù)荷隨之上升。

2.1.2進(jìn)氣CO2含量的影響

在進(jìn)氣量4 000 L/h、進(jìn)液量40 L/h、進(jìn)液MEA濃度3.28 mol/L、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)氣CO2含量30%～50%的實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)氣CO2含量的變化趨勢如圖9所示，富液CO2負(fù)荷的變化趨勢如圖10所示。當(dāng)進(jìn)氣CO2含量為30%時(shí)，CO2去除率接近100%、產(chǎn)品氣CO2含量接近于0，富液負(fù)荷為0.41 mol/mol；當(dāng)進(jìn)氣CO2含量增長到50%時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量增長至24.66%，CO2去除率下降至66.84%，富液負(fù)荷增長至0.46 mol/mol。產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)氣CO2含量變化的原因與進(jìn)氣量的影響相類似，在該組實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)入反應(yīng)器的MEA量恒定，進(jìn)氣CO2含量的升高使得進(jìn)入反應(yīng)器的CO2總量升高，而可吸收的CO2量不變，因此會帶來產(chǎn)品氣CO2含量的升高；富液負(fù)荷升高是因?yàn)檫M(jìn)氣CO2含量的升高使得CO2分壓升高，根據(jù)亨利定律會有更多的CO2溶解在溶液中被MEA吸收。

圖9 產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)氣CO2含量的 變化趨勢Fig.9 Trends of product gas CO2 content and CO2removal rate with inlet CO2 content

圖10 富液CO2負(fù)荷隨進(jìn)氣CO2含量的變化趨勢Fig.10 Trends of rich solution CO2 loading with inlet CO2 content

2.1.3進(jìn)液量的影響

在進(jìn)氣量4 000 L/h、進(jìn)液MEA濃度3.28 mol/L、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)氣CO2含量50%、進(jìn)液量30～50 L/h的實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)液量的變化趨勢如圖11所示，富液CO2負(fù)荷的變化趨勢如圖12所示。

圖11 產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)液量的變化趨勢Fig.11 Trends of product gas CO2 content and CO2removal rate with liquid flow rate

當(dāng)進(jìn)液量為30 L/h時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量為32.64%、CO2去除率為52.24%、富液負(fù)荷為0.47 mol/mol；當(dāng)進(jìn)液量為50 L/h時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量下降至14.22%，CO2去除率上升至83.46%，富液負(fù)荷為0.46 mol/mol。在氣相相關(guān)參數(shù)(進(jìn)氣量、進(jìn)氣CO2含量)且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定的情況下，進(jìn)入超重力反應(yīng)器的CO2量及氣液流動(dòng)狀態(tài)不變，進(jìn)液量的增大導(dǎo)致進(jìn)入反應(yīng)器的MEA量增加，使吸收的CO2量增多，因此產(chǎn)品氣CO2含量下降；進(jìn)液量的增大使得液速提高，溶液在超重力反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間變短， CO2吸收量降低，但在轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)下溶液的停留時(shí)間本已很短，進(jìn)液量增大造成的影響基本可以忽略，因此富液負(fù)荷只是稍有下降但變化不大。

2.1.4進(jìn)液MEA含量的影響

在進(jìn)氣量4 000 L/h、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)氣CO2含量50%、進(jìn)液量40 L/h、進(jìn)液MEA濃度1.64～4.92 mol/L的實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)液MEA濃度的變化趨勢如圖13所示，富液CO2負(fù)荷的變化趨勢如圖14所示。

圖13 產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨進(jìn)液MEA 濃度的變化趨勢Fig.13 Trends of product gas CO2 content and CO2removal rate with MEA concentration

圖14 富液CO2負(fù)荷隨進(jìn)液MEA濃度的變化趨勢Fig.14 Trends of rich solution CO2 loading with MEA concentration

在MEA含量為1.64 mol/L時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量為39.61%、CO2去除率為34.36%、富液負(fù)荷為0.47 mol/mol；在MEA含量為4.92 mol/L時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量下降至0.52%，CO2去除率上升至99.91%，富液負(fù)荷下降至0.45 mol/mol。產(chǎn)品氣CO2含量與CO2去除率隨進(jìn)液MEA濃度變化的原因與進(jìn)液量對脫碳性能的影響類似：MEA含量上升導(dǎo)致溶液黏度增大，阻礙了CO2與MEA之間的傳質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致CO2的吸收量有所降低，因此富液負(fù)荷緩慢下降。不同濃度MEA- 乙醇溶液的黏度如表1所示。

表1 不同濃度溶液的黏度

2.1.5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響

在進(jìn)氣量4 000 L/h、進(jìn)氣CO2含量50%、進(jìn)液量40 L/h、進(jìn)液MEA濃度3.28 mol/L、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速400～1 200 r/min的實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖15所示，富液CO2負(fù)荷的變化趨勢如圖16所示。

圖15 產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的 變化趨勢Fig.15 Trends of product gas CO2 content and CO2removal rate with rotational speed

圖16 富液CO2負(fù)荷隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化趨勢Fig.16 Trends of rich solution CO2 loading with rotational speed

當(dāng)轉(zhuǎn)速為400～600 r/min時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量為36.38%～36.81%、CO2去除率為41.75%～43.46%、富液負(fù)荷在0.28 mol/mol左右；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到1 000～1 200 r/min時(shí)，產(chǎn)品氣CO2含量下降并最終穩(wěn)定在24.38%左右，CO2去除率上升并最終穩(wěn)定在68.36%左右，富液負(fù)荷上升且最終穩(wěn)定在0.46 mol/mol左右。這主要是由于在400～600 r/min的較低轉(zhuǎn)速下，溶液不能被有效地打碎成細(xì)小的微粒，影響了與氣體間的傳質(zhì)，所以傳質(zhì)效果較差；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高至1 000 r/min時(shí)，溶液在高速旋轉(zhuǎn)的填料的作用下被有效地剪切成細(xì)小微粒，附著在填料上的液膜也進(jìn)一步變薄，極大地增強(qiáng)了氣液間的傳質(zhì)作用；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到1 200 r/min時(shí)，由于液體停留時(shí)間變短對傳質(zhì)造成的不利影響與液滴變小、液膜變薄帶來的有利影響相互抵消，脫碳性能趨于穩(wěn)定。

通過上述分析可知，最佳轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，此時(shí)當(dāng)進(jìn)入超重力反應(yīng)器的CO2與MEA的物質(zhì)的量比小于0.4時(shí)，可以達(dá)到產(chǎn)品氣CO2含量接近0的脫碳效果。

2.2 解吸性能

制取MEA濃度為1.64、3.28、4.92 mol/L，CO2負(fù)荷0.44～0.46 mol/mol的MEA- 乙醇富液，對富液進(jìn)行0～90 min的解吸，測定不同解吸時(shí)間下的解吸液CO2負(fù)荷，并用不同解吸時(shí)間的解吸液進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為進(jìn)氣量3 000 L/h，進(jìn)氣CO2含量50%，超重力反應(yīng)器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)液量40 L/h。

圖17 不同MEA濃度下不同解吸時(shí)間的解吸液脫碳效果Fig.17 CO2 removal performance of desorption solutions with different MEA concentration and desorption time

圖18 不同MEA濃度下不同解吸時(shí)間的解吸液CO2負(fù)荷Fig.18 CO2 loading of desorption solution with different MEA concentration and desorption time

不同MEA濃度、不同解吸時(shí)間的解吸液用于沼氣脫碳的產(chǎn)品氣CO2含量和CO2去除率如圖17所示，解吸液CO2負(fù)荷如圖18所示?？梢钥闯鲭S著解吸時(shí)間的延長解吸效果顯著提高，而解吸效果趨于穩(wěn)定所需時(shí)間隨著MEA濃度的升高而增加。新鮮吸收劑(即未經(jīng)過解吸的MEA- 乙醇溶液)與解吸液的最低產(chǎn)品氣CO2含量和最高CO2去除率十分接近，解吸液的CO2負(fù)荷最低可達(dá)到0.03 mol/mol。現(xiàn)有的連續(xù)式解吸工藝的解吸液負(fù)荷一般在0.20～0.25 mol/mol左右[17]，相比于連續(xù)式解吸工藝，批式解吸工藝富液的解吸程度更加徹底。這是因?yàn)樵谶B續(xù)式解吸工藝中，反應(yīng)器中的富液溫度并非均在最佳解吸溫度下，而且富液流速要與吸收劑循環(huán)流速相匹配，因此富液在反應(yīng)器中的停留時(shí)間較短。在本課題組的小試研究中發(fā)現(xiàn)，富液的解吸需要一定的反應(yīng)時(shí)間[11]，如果停留時(shí)間不夠長則會影響解吸效果。在批式解吸過程中，加熱器中的富液一直處于高溫沸騰的狀態(tài)，即持續(xù)保持在最佳解吸溫度下，而且可以自由控制解吸時(shí)間，因此能夠獲得較好的解吸效果。

單位解吸能耗與解吸液CO2負(fù)荷的關(guān)系曲線見圖19。隨著解吸的進(jìn)行，在解吸液負(fù)荷逐漸降低的過程中，單位解吸能耗先降低后升高，且隨著MEA濃度的升高單位能耗逐漸降低。在MEA濃度4.92 mol/L、解吸液負(fù)荷約0.16 mol/mol時(shí)，單位能耗達(dá)到最低，約為3.17 MJ/kg，解吸時(shí)間為20 min。

圖19 單位解吸能耗與解吸液負(fù)荷的關(guān)系曲線Fig.19 Relationship between unit desorption energy consumption and desorption solution loading

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)解吸時(shí)間與解吸液負(fù)荷D呈對應(yīng)關(guān)系，如圖20所示。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，本文解吸實(shí)驗(yàn)的解吸時(shí)間與解吸液負(fù)荷的關(guān)系可用式(5)描述。

t=600 242D4-699 035D3+294 574D2-56 059D+5 096.8

(5)

式中，t為解吸時(shí)間，s。

圖20 解吸時(shí)間與解吸液負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系Fig.20 Relationship between desorption time and desorption solution loading

加熱器批式解吸工藝可以通過控制解吸時(shí)間得到一定負(fù)荷的解吸液。根據(jù)單位解吸能耗可以確定解吸階段的最佳操作參數(shù)為MEA濃度4.92 mol/L，解吸時(shí)間20 min。

2.3 吸收- 解吸循環(huán)性能

制備CO2負(fù)荷約為0.16 mol/mol、MEA濃度4.92 mol/L的解吸液，在進(jìn)氣量3 000 L/h、進(jìn)氣CO2含量50%、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min的條件下進(jìn)行不同進(jìn)液量的吸收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖21所示?？梢钥闯霎?dāng)進(jìn)液量大于50 L/h時(shí)，CO2可基本上被完全去除。

設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件為進(jìn)氣量3 000 L/h、進(jìn)氣CO2含量50%、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)液量40 L/h(初次吸收)和50 L/h(循環(huán)吸收)、進(jìn)液MEA濃度4.92 mol/L、加熱器解吸時(shí)間20 min、循環(huán)次數(shù)為5次，進(jìn)行吸收- 解吸循環(huán)實(shí)驗(yàn)。5次循環(huán)的解吸液脫碳性能如圖22所示，解吸液CO2負(fù)荷如圖23所示。

圖21 解吸液脫碳性能Fig.21 CO2 removal performance of the desorption solution

圖22 不同循環(huán)次數(shù)解吸液的脫碳性能Fig.22 CO2 removal performance of the desorption solution with different cycle times

圖23 不同循環(huán)次數(shù)解吸液的CO2負(fù)荷Fig.23 CO2 loading of the desorption solution with different cycle times

可以看出5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果幾乎沒有差別，產(chǎn)品氣CO2含量均在0.1%左右，CO2去除率均在99.99%左右，再生液CO2負(fù)荷均在0.16 mol/mol左右。在本文體系中不含O2，不存在MEA的氧化降解，再生溫度在80 ℃左右，不存在MEA的高溫降解，基于以上原因，循環(huán)次數(shù)的增加不會帶來溶液性質(zhì)的惡化。

3 結(jié)論

(1)將超重力反應(yīng)器吸收和批式解吸用于MEA- 乙醇溶液的沼氣脫碳，取得了良好的脫碳及解吸性能。超重力反應(yīng)器用于沼氣脫碳可以使產(chǎn)品氣CO2含量降至接近于0。進(jìn)液量、進(jìn)液MEA含量及轉(zhuǎn)速的升高，和進(jìn)氣量、進(jìn)氣CO2含量的降低，均會使脫碳性能增強(qiáng)，但在轉(zhuǎn)速小于600 r/min、大于1 000 r/min時(shí)脫碳性能變化不大。最佳的旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，此時(shí)若進(jìn)入超重力反應(yīng)器的總CO2摩爾分?jǐn)?shù)(與總MEA相比)小于0.4可使產(chǎn)品氣CO2含量接近0。

(2)MEA- 乙醇溶液的批式解吸工藝可以使解吸液負(fù)荷最低達(dá)到0.03 mol/mol，單位解吸能耗最低為3.17 MJ/kg。隨著解吸時(shí)間的延長解吸效果越來越好，單位解吸能耗隨解吸液負(fù)荷的降低先降低后升高，隨著溶液濃度的升高而降低。批式解吸工藝可以通過控制解吸時(shí)間準(zhǔn)確地控制解吸液負(fù)荷。

(3)MEA- 乙醇溶液的脫碳效果不會隨著吸收- 解吸循環(huán)次數(shù)的增加而惡化，在相同條件下進(jìn)行多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其脫碳效果基本不發(fā)生變化。