氨水溶液吸收CO2
3.0
2024-09-13
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书书书
第卷 第期 化 工 学 报
年月
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殐
综述与专论 电厂烟气氨法脱碳技术研究进展
刘 芳，王淑娟，陈昌和，徐旭常
（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北 京
）
摘要：随着 “后京都时代”的到来，电厂烟气氨法脱碳技术成为近年来新兴的
减排方法研究热点之一。本
文对国内外有关氨法脱碳的机理、主要工艺和参数等的相关研究给予了详细的总结与分析，并对存在的问题和
技术未来发展等方面进行了阐述。现有试验及系统模拟结果表明，氨法脱碳技术可实现 以上的
脱除效
率，氨水溶液具有
／
以上的吸收能力；其 中 ，
脱除效率、吸 收 能 力 及 速 率 等 参 数 主 要 受
氨水浓度、吸收反应温度、吸收剂再生条件等因素影响。经济性研究显示，氨法联合脱除技术有望将
捕 获
带来的电价增长控制在 以内。
关键词：电厂；烟气；二氧化碳脱除；氨吸收法
中图分类号： 文献标识码：文章编号：
（
）
犚犲狊犲犪狉犮犺狆
狉狅
犵
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犵
（
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犻狀犲犲狉犻狀
犵
，
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狅
犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀
，
犜狊犻狀
犵
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，
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，
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）
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：
，
，
，
，
，
／
，
，
（
）
犓犲
狔狑狅狉犱狊
：
；
；
；
收到初稿，
收到修改稿。
联系人：王淑娟。第一作者：刘 芳 （
—）， 女，博士研
究生。
引 言
世界上约 的
排放来自化石燃料燃烧，
其中，煤炭 是 一 种 高
排放燃料，单位热量燃
煤引起的
排放较石油和天然气分别高出
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：
犆狅狉狉犲狊
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狅狀
犵
犱犻狀
犵
犪狌狋犺狅狉
：
犈－ 犿犪犻犾
：
＠
和［
］
。据经济合作发展组织 （
）和国际
能源署 （
）数据显示［
］
，现有电厂
年排放
量约 亿 吨，占 全 世 界 排 放 总 量 的 ，其
中燃煤电厂 亿 吨，占发电行业排放量的。
到 年，全球每年将有 亿 吨
来自于
年已投运的电厂。由于我国能源储备具有
“多煤、贫 油 、少 气”的特点，煤炭占一次能源生
产和消费的 以 上［
］
，火电厂
排放量稳定
在总排 放 的 左 右［
］
。因 此，采用捕集、储 存
或利用电厂烟气中
的方法被认为是近期内减
缓
排放较为可行的措施［
］
。
现有电 厂烟 气 中
燃烧后捕集技术主要有
吸收法、吸附法、膜法、低温法等。考虑到电厂烟
气中
的分压低和技术工艺的成熟性，比较而
言，化学吸收法是目前较好的选择［
］
。化 学吸 收 法
脱 除合成 气 中
的技术在合成氨、尿素等化工
产品生产中早已得到广泛应用，但在电厂烟气
捕集方面鲜有工业应用，主要原因是电厂烟气流量
大、压力接近常压、
体积分数低、使用常规
工艺经济性较差。尽管如此，由于其在化工行业运
行历 史 久、脱除效率高、技 术 稳 定 、价格相对低
廉，研究者仍致力于将此类化工技术转化成电厂烟
气
捕 集 技 术 的 研 究 ，现已有商业示范项目。
其原理是利用碱性吸收溶液与烟气中的
接 触
并发生化学反应，形成不稳定盐类，其中，吸收剂
吸收能力受化学反应平衡的限制，在一定的条件下
可逆向 分 解 释 放 出
，从而将
从烟气中分
离 并 富 集 ，进行再利用或后处理，同时使吸收剂
担载 能 力 得 到 再 生。常用的吸收剂有醇胺溶
液、强碱溶液、热苛性钾溶液等。
目前，受关注最多的是醇胺类，该技术利用带
有羟基和胺基的碱性水溶液作为吸收剂，利用吸收
塔和再 生 塔 组 成 系 统 对
进 行 捕 集，一般需消
耗
～
吸收剂／
。其 中，一乙醇胺
（
）分子量小，吸收酸性气体能力强，对捕集
燃烧后 烟 气 中 低 浓 度 的
最 具 优 势，是被研究
和运用的最主要技术。醇胺法脱碳的主要问题是循
环过程中
吸 收 效 率 不 高 。由于氧化、热降解、
发生不可逆反应和蒸发等原因，导致吸收剂吸收能力
损失；富
吸收液 （简称富液）中降解产物造成系
统腐蚀、再生能耗大、初投资和运作成本偏高等［
］
。
因此，化学吸收法在电厂烟气
捕集中若
要广泛应用，尚需通过尝试开发新吸收剂、新处理
装置或 改 进 现 有 脱 除 工 艺 等 途 径 解 决 上 述 关 键 问
题。在吸收剂的研究上，主要侧重于寻找新吸收
剂，目标是吸收能力在
／
溶剂以上，能
同时满足 “高脱碳效率、高吸收能力和低再生能
耗”及“低蒸气压、抗氧化和低腐蚀性”特点的吸
收剂；在吸收工艺改进研究方面，主要有低吸收剂
损耗和热联合工艺等应用研究。
近年来，有研究者提出使用氨水脱碳作为传统
溶液 吸 收法的 替 换 技 术［
］
。随 后，众多研究
者和研究机构对氨水脱除烟气中
的技术、经
济可行性进行了探索研究，指出利用氨法对电厂烟
气中污染物联合脱除有望实现较低程度降低电厂效
率，并将电价上涨控制在 以 内［
］
。美 国
公 司已开 发 出
技 术 ，在 利 用 氨 水 作
吸收剂 脱 除 烟 气 中
、
狓
的电催化氧化技术
的基础上，利用氨基溶液吸收
并对富液进行
再生利用，从而实现酸性气体联合脱除［
］
；
公司开发的冷冻氨法，设计利用碳酸铵和碳酸
氢铵混合浆液作为循环利用的
吸收剂，实 现
脱碳率，并 高 效 脱 除 烟 气 中 残 留 的
、
、
等成分［
］
。
本文对化工行业氨水脱除
技术的应用、
氨与
反应机理及近年来氨法脱除电厂烟气中
的研究进展等进行了总结与分析。
碳化法合成氨流程制碳酸氢铵
利用氨 水脱 除 烟 气 中
的技术概念并不是
首次被提出，早在 年，侯德榜等［
］便提出了
碳化法合成氨流程制碳酸氢铵的设想，利用合成氨
车间生产的氨制成氨水代替水，吸收
，在净化
合成气的同时生成碳酸氢铵，使脱碳工序与氨加工
车间合二为一。通过示范厂的设计、施工、试验和
改进，该工 艺 于 年开发成功，使 碳 酸 氢 铵 成
为我国独有的氮肥品种。
在此工艺中，进入碳化阶段的变换气中
浓度约 为 ～ ，其他气体主要为
、
及少量的
、
，氨水浓度一般采用 ～
，碳化塔压力常为 或
，
碳化温度在 ～ ，出 口
浓度低于
［
］
。而常规电厂烟气中
浓度约为 ～
，含有 大 量 惰 性 气 体
，并伴有
、
、
狓
、重金属、颗粒物等，气体流量大、烟气温度
较高。因 此，
脱除工艺、装置与碳酸氢铵生
产有较大差异，需针对电厂烟气特点进行氨法脱碳
·
０７２
·化 工 学 报 第卷
技术的研究。
反应机理及动力学
２１
反应机理
氨水溶 液吸 收
属于伴有可逆化学反应的
过程，在双 膜 理 论 中，起 主 要 作 用 的 是 液 膜［
］
。
首先进行的是氨基甲酸铵的生成与水解过程［
，
］
，
包括
幑幐
→
幑幐
幑幐
（
）
幑幐
其中，氨基甲酸铵生成是迅速的、不可逆的二级反
应［
］
，主要发生在液膜之内，在氨与
反 应
初期，控制
吸收速率，此时若增加汽液接触
面积和 传质系 数 有 利 于
吸 收［
］
。其水解过程
相对较慢，可视作一级反应［
］
，在液相本体进行，
在氨水脱碳过程 中，随着碳化度 （即氨水中
的浓度 与氨 的 浓 度 之 比 ）增 大 ，
吸收速率逐
渐由此水解速率控制［
］
。
同时，可能平行或伴随发生如下反应［
］
幑幐
幑幐
不过，碳酸是弱酸，形成速率较氨基甲酸铵生
成慢得多［
］
，且稳定性差。
综上，在氨水脱碳过程中，溶液中可能存在的
成分 有
、
、
·
、
等分子
及
、、、
、
、
、
等离子［
，
］
。其 中，
的含量
始终比
、
低得多［
］
。生成产物
随溶液浓度和碳化度不同而变化。在稀氨水中主要
形成碳酸盐或碳酸氢盐，而浓溶液中主要是氨基甲
酸盐［
］
。在碳酸氢铵生产碳化过程中，当碳化度
小于 时，反应主要生成氨基甲酸铵；当碳化度
大于 时，氨基甲酸铵水解，碳酸氢铵结晶大量
形成［
］
。
２２
反应动力学
在氨与
反应动力学方面，一些研究者对
吸收过程主要反应进行了研究。为便于比较，本文
对各反应速率常数表达式内参数单位进行了统一。
［
］
在圆 盘塔中 测 定 了 部 分 碳 化 氨 水 吸
收
的速率，得到溶液中氨与
的二级反应
速率常数
犽
／
犜
。
等［
］
用 快
速热方 法 测 定 了
～
无限稀溶液，得到氨与
反应生成氨基甲酸的反应速率常数
犽
／
犜
，活化能为
·
；并 通
过研究添加
、和的 氨 水 溶 液 ，得
到离子强度对
犽
的影响。钦淑均等［
］
在前人研究
基础上，同时 考 虑
在 氨 水 中 溶 解 度 的 变 化 和
氨水浓度提高引起的非理想性，利用改良湿壁塔试
验，得 出 在
～
间，氨 与
反 应 生 成 氨 基
甲酸铵的二级反应速率常数
犽
／
犜
，
活化能 为
·
；若考虑离子强度的影
响，则修正为
犽
犐
／
犜
。
等［
］
利用筛板塔对～ 区间氨水洗涤
反应速率常数进行测量，得 到
犽
／
犜
，活化能为
·
。许家豪［
］在
搅拌釜内对
与 氨 水 在
～
范围内反应进
行 研 究 ，得 到
犽
／
犜
，活 化 能 为
·
。
另外，高伟等［
］
对氨基甲酸铵水解进行研究，
得到一级水解反应速率常数
犽
／
犜
犐
，反应 活 化 能 为
·
。此前报
道该反应平衡常数
犓
／
犜
［
］
。
等［
］指 出，在水解分步反应中，
水化即碳酸氢根生成反应是控速步骤。
等［
，
］
报道该反应速率常数
犽
／
犜
，是氨基 甲 酸 生 成 速 率 的 倍，反应活化能是
·
。
通常，对于碳化度较高的氨盐水，其反应在液
流主体进行，是缓慢的化学吸收过程，反应速率由
液相空间反应速率决定，增加传质面积和加强湍流
对增强吸收影响不大；对于低碳化度氨盐水，吸收
反应由传质和反应过程共同控制；对 于
值更高
的初始氨盐水吸收，扩散过程起决定作用［
］
。
一些研究者［
，
］
利用电解质水溶液综合气液
固相动力学、热力学状态方程等，通过化学平衡、
相平衡、物质守恒、电荷平衡等条件建立
系统热力学模型，对平衡后气相分压、
液相组成等进行模拟计算。因涉及的适用范围、参
数处理方法等内容较多，此处不做详细描述。
研究现状
年，
等［
］
提出 利用氨 水 从 电 厂 烟 气 中
捕获
，并在半连续鼓泡吸收装置中对影响氨水
·
１７２
·
第期 刘芳等：电厂烟气氨法脱碳技术研究进展
摘要：
展开>>
收起<<
书书书 第６０卷 第２期 化 工 学 报 Ｖｏｌ．６０ Ｎｏ．２ ２００９年２月 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐综述与专论电厂烟气氨法脱碳技术研究进展刘 芳，王淑娟，陈昌和，徐旭常（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京１０００８４）摘要：随着“后京都时代”的到来，电厂烟气氨法脱碳技术成为近年来新兴的ＣＯ２减排方法研究热点之一。本文对国内外有关氨法脱碳的机理、主要工艺和参数等的相关研究给予了详细的总结与分析，并对存在的问题和技术未来发展等方面进行了阐述。现有试验及系统模拟结果表明，氨法脱碳技术可实现...
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