中科院力學所潘利生副研究員：2種離子液體對水泥窯窯尾煙氣CO2吸收特性試驗研究

2020-10-30 潔淨煤技術編輯部

2019年我國能源消耗總量達486 000萬t標準煤，比2018年增長4.7%。工業領域能源消耗巨大，2017年佔全國能源消耗總量的66%。工業生產同步排放大量CO2，水泥行業的熟料生產工藝排放的CO2佔全年人為CO2排放總量的11.7%。水泥窯窯尾煙氣中，CO2最高佔比可達33%左右。因此，水泥窯窯尾煙氣的CO2捕集是工業領域碳減排的重要組成部分。

目前，CCS（Carbon capture and storage）技術在大規模減少CO2排放方面具有較大潛力，CO2捕集是關鍵環節之一。水泥窯窯尾煙氣適合使用燃燒後捕集方式。常用的燃燒後捕集CO2方法主要有膜分離法、吸附分離法、低溫分離法和吸收分離法。本文研究的水泥窯窯尾煙氣具有CO2濃度較高、分壓較低的特點。對於吸收分離方法，常用的化學吸收法包括氨水吸收法、有機胺溶液吸收法、離子液體吸收法等，其中胺基吸收法被認為最具商業應用價值。但烷醇胺吸收CO2後會產生較強的腐蝕性，影響設備的安全運行，降低系統的使用壽命。氨水吸收法雖不存在腐蝕設備問題，但較嚴重的氨逃逸問題也會產生不良後果。由有機陽離子和陰離子組成的離子液體具有低熔點、高穩定性、溶解性能可調節、不易揮發、可再生等優點，在眾多領域中具有應用潛力。

前人研究常用純CO2測試離子液體對CO2的吸收性能進行研究，但實際工程應用時需處理的為混合煙氣，其中的N2、H2S、CH4等都可能會對離子液體的CO2吸收性能產生影響。

本文以[M4Gu]Ac（四甲基胍醋酸鹽）和[TMG][Lac]（四甲基胍乳酸鹽）為研究對象，分別考察其在30、50、70 ℃下對純CO2和水泥窯窯尾模擬煙氣中CO2的吸收特性，並對2種離子液體進行多次吸收和再生循環，研究離子液體重複使用次數對CO2吸收性能的影響。

1 試驗系統


圖1 離子液體吸收CO2試驗系統

2 試驗結果與討論

2.1 工作溫度的影響

在常壓條件下，考察了離子液體[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]分別在30、50和70 ℃對純CO2的捕集效果。在相同工作溫度下，2種離子液體對CO2的吸收量隨時間的延長呈增加趨勢，且增加速率逐步減小，吸收量最終穩定在極大值，即為離子液體在該工作溫度下的CO2最大吸收量。可以看出，在相同工況下，[M4Gu]Ac對CO2的最大吸收量始終大於[TMG][Lac]，表明[M4Gu]Ac對純CO2的吸收能力強於[TMG][Lac]。

工作溫度對[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]的CO2吸收能力具有較大影響。2種離子液體對CO2的最大吸收量隨工作溫度的升高呈下降趨勢，70 ℃時[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]的最大吸收量最小，僅為2種離子液體在30 ℃時最大吸收量的49.3%和41.7%、50 ℃時最大吸收量的60.8%和51.4%。因為隨著溫度升高，離子液體的黏度和表面張力等逐漸減小，增加了離子液體的活化能，導致其分子間作用力減少，從而降低了離子液體對CO2的吸收量。同時，隨著溫度升高，CO2的最大吸收量減少，吸收能力降低，離子液體更易達到飽和狀態，所以達到飽和需要的時間變短。

圖2 常壓條件下[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]對CO2吸收特性

2.2 再生次數的影響

通過離子液體[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]在常壓、70 ℃條件下重複吸收和解吸試驗，考察再生次數對離子液體最大吸收量的影響。2種離子液體[M4Gu]Ac、[TMG][Lac]在5次的吸收和解吸過程中，CO2在離子液體中的溶解量隨時間的變化趨勢完全相同，最大吸收量基本保持不變，表明離子液體重複使用對吸收速率、最大吸收量、解吸速率等幾乎無影響。

圖3 離子液體在70 ℃下重複吸收/解吸收CO2特性

2.3 水泥窯窯尾模擬煙氣的影響

混合氣體中的其他成分會降低混合氣體和離子液體內的CO2分壓，從而製造更有利於CO2解吸的環境。在常壓條件下，採用轉爐模擬煙氣，分別考察2種離子液體[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]在30、50、70 ℃對模擬煙氣中CO2的吸收性能。

2種離子液體對模擬煙氣中CO2的吸收性能遠低於其對純CO2的吸收性能。工作溫度為30 ℃時，[M4Gu]Ac、[TMG][Lac]對模擬煙氣中CO2的最大吸收量僅為0.033、0.028 mol/mol (CO2/IL)，相當於其對純CO2最大吸收量的22.3%和20.9%；50 ℃時，[M4Gu]Ac、[TMG][Lac]對模擬煙氣中CO2的最大吸收量為0.008、0.014 mol/mol (CO2/IL)，約為其對純CO2最大吸收量的6.7%和12.8%；70 ℃時，[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]對模擬煙氣中CO2的最大吸收量為0.006和0.011 mol/mol (CO2/IL)，約為其對純CO2最大吸收量的8.2%和19.6%。2種離子液體的CO2吸收量曲線相交，說明該工況下，開始階段[TMG][Lac]對模擬煙氣中CO2的吸收速率較大，但後期[M4Gu]Ac對模擬煙氣中CO2的吸收速率較大，達到飽和時，[M4Gu]Ac的CO2最大吸收量高於[TMG][Lac]的最大吸收量。在50、70 ℃下，2種離子液體對模擬煙氣中CO2的吸收量曲線沒有明顯交叉點，說明[TMG][Lac]對模擬煙氣中CO2的吸收速率始終大於[M4Gu]Ac，達到飽和時，[TMG][Lac]的CO2最大吸收量高於[M4Gu]Ac的最大吸收量，與30 ℃時的結論相反。


圖4 常壓條件下[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]對水泥窯窯尾煙氣中CO2吸收特性

綜上，[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]對水泥窯窯尾模擬煙氣（混合氣體）中CO2的吸收性能遠劣於其對純CO2的吸收性能。

3 結論

1）在定壓、定溫條件下，離子液體的CO2吸收量隨時間的延長逐步增大，且增速不斷降低，最終達到CO2吸收量的極大值。在定壓、變溫條件下，2種離子液體的CO2最大吸收量隨溫度的升高大幅下降。70 ℃時[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]的最大吸收量僅為2種離子液體在30 ℃時最大吸收量的49.3%和41.7%、50 ℃時最大吸收量的60.8%和51.4%。

2）在5個吸收和再生循環試驗中，離子液體[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]的CO2最大吸收量近似相等，吸收性能基本維持穩定，吸收和解吸次數對考察離子液體的CO2吸收性能影響不大。

3）[M4Gu]Ac和[TMG][Lac]對水泥窯窯尾模擬煙氣（混合氣體）中CO2的吸收性能遠劣於其對純CO2的吸收性能。對於純CO2吸收，離子液體[M4Gu]Ac的吸收性能略優於[TMG][Lac]；對於水泥窯窯尾模擬煙氣中CO2的吸收，30 ℃時，[M4Gu]Ac的吸收性能優於[TMG][Lac]，50、70 ℃下，[M4Gu]Ac的吸收性能劣於[TMG][Lac]。

該研究成果以《2種離子液體對水泥窯窯尾煙氣CO2吸收特性試驗研究》為題在《潔淨煤技術》進行了網絡首發。

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引用格式

閆全英,呂一帆,潘利生,等.兩種離子液體面向水泥窯窯尾煙氣的CO2吸收特性試驗研究[J/OL].潔淨煤技術:1-14[2020-10-27].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3676.TD.20200917.1908.004.html.

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