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电厂烟气氨法脱碳技术研究进展

1 电厂烟气氨法脱碳技术研究现状

在1997年,一些研究人员就提出了利用氨水从电厂烟气中获取CO2,并在半连续鼓泡吸收装置中对影响氨水溶液二氧化碳脱除效率和吸收能力的因素展开研究。随后,各研究机构相继利用鼓泡吸收反应器、填料塔等对氨溶液脱除模拟电厂烟气中的二氧化碳开展试验研究,考察气液接触程度等因素对氨水脱除二氧化碳效率、吸收能力等各方面的影响。运用相关软件对电厂烟气氨水脱碳系统展开过一定的模拟,同时还探讨了关于它的技术和经济可行性,在电厂烟气氨水脱碳系统生命周期碳排放评价等方面都有相关的研究报道。现在,研究者们比较认可的电厂烟气氨法脱碳技术发展路线有烟气脱碳和化肥生产相结合,利用氨水和二氧化碳之间的反应生产氮肥和利用常规热再生过程或者是离子交换树脂再生方法对脱碳反应后的富液进行再生,循环利用两种。文章中我们对将研究者们关于氨法脱碳技术研究的一系列影响进行全面的阐述,只是因试验台基本条件存在一定的差异,各脱碳相关参数数值之间能够用来比较的内容比较少,在单一因素影响比较时,参数变化趋势可能受其他因素影响程度会存在不同,最终引起的表现形式会存在差异,下面将逐一阐述。

(1)吸收反应压力。我国对电厂氨法脱碳技术的研究直到现在依旧是保持在实验室试验阶段,对各种影响因素的考察并不全面,一般情况下都是在常温的情况下具体展开的。有些研究者会半闭式燃气轮机联合循环系统烟气加压氨法脱碳系统进行模拟,这是因为这些研究者考虑到在实际应用中有时候会涉及到氨损失、加压再生以及二氧化碳加压输运等方面的需求。最终的模拟实验结果表明,出口氨损失、吸收剂质量流率会受吸收塔压力的影响,前者会随着后者的增加出现下降的趋势,并且后者还会对系统热负荷等产生直接的影响,只是随着压力的进一步增加,吸收剂质量流率的下降趋势会逐步放慢。若工作人员综合考虑压缩能耗等因素,最终确定选择大约三个大气压作为吸收塔操作压力的做法还是比较合理的,但是考虑到电厂烟气量非常巨大的情况以及以惰性气体氮气为主要成分的兵器烟气,电厂在选择脱碳方法时最好选择常压氨法脱碳。

(2)烟气中二氧化碳浓度。按照一般的原则与规律,二氧化碳分压是和其浓度有密切关系的,并随其增加不断增大。如果我们选择提高氨水溶液对二氧化碳的吸收速率,以原本的规律得到的应该是有利于二氧化碳和氨水溶液反应的正向移动,但是最终的实验结果和我们预想的有很大出入,在整个连续脱碳过程中,如果入口的氨气或者是二氧化碳能够满足一定化学计量比时,其对稳态脱碳效率的影响可以选择忽略不计的。

(3)吸收反应温度。在不同的温度和压力条件下,二氧化碳和氮都是可以进行反应的。按照通常的原则,二氧化碳和氮的化学反应速率会随着温度的不断升高呈现出加快的趋势,只是这种原则在具体的氨法脱碳过程中适用性并不大,因为氨法脱碳过程中的一大部分反应本身是存在可逆性的,通常在室温中可以正向进行,在特定的温度环境下,通常是三十八摄氏度到六十摄氏度之间会发生逆向反应。因此,对于不同反应器中吸收反应温度对二氧化碳脱硫效率的影响变换万不可以运用“一刀切”的总结,他们相互之间是有差异的。温度对氨法脱碳效率的影响主要表现两者上升和下降的状态是保持一致的,并且氨溶液二氧化碳吸收能力也会受温度的影响,并且是随着温度的上升而逐步下降,有研究者在温度条件为二十五摄氏度到六十五摄氏度之间用百分之三的氨水进行二氧化碳和氨水反应速率常数测量,发现五十摄氏度是他们存在变化的一个较为明显的分界点,小于五十摄氏度时,其随温度升高而增大,此后有缓慢下降趋势。此外的一些研究人员也通过自己的研究得出过别的结论:在吸收初始阶段,吸收效率会随着温度的增加不断升高,只是在最终阶段,这种因温度变化带来的影响就是下降状态,这充分说明在不同产物形成阶段,温度对吸收速率的影响是不同的。除此之外,受吸收反应温度差异的影响,氨水和二氧化碳之间的反应经历的化学反应历程有一定的差异。Yeh等人的试验表明,在半连续鼓泡吸收器入口二氧化碳浓度是百分之十六,氨水浓度是百分之二十八的设定反应条件下,二氧化碳和氨水在十摄氏度操作温度下是放热反应,但是在二十摄氏度到四十摄氏度之间两者展现的是吸放热过程。一般而言,反应历程、二氧化碳溶解度、溶液黏度等都会随着温度的改变有所变化。因此,在实际应用环节,选择适宜温度范围时要参照吸收塔形式为依据,同时要将脱碳前烟气、吸收剂降温等等内容进行全方位的考虑。

2 电厂烟气氨法脱碳技术现有问题及未来研究方向

之前有研究者有过这样的阐述:在氨法脱碳中为了达到降低氨损失的目的,我们需要降低二氧化碳脱除效率,并且其再生能耗和MEA法相比并没有多少优越性。但是最终的研究表明,氨水可具有1.0kgCO2/kg NH3以上的吸收能力,实现近100%的脱碳效率,其中能够直接影响脱碳系统运行的因素有氨水浓度、吸收反应温度以及再生方式等等。二氧化碳的脱除效率和吸收速率会受氨水浓度的影响,并且随着氨水浓度的增加而增大,但是其吸收能力会在其增加的基础上随着减小。烟气中二氧化碳浓度对影响脱碳反应速率,后者随着前者浓度的增加而提高,但是前者对脱碳效率的影响比较小。吸收器内反应温度升高给正向脱碳反应带来的是双重效应:促进或者是抑制。在这个反应环节存在最佳脱碳温度窗口,吸收器内的压力一方面能够促进气液的反应,另一方面还能降低氨损失,但是它也有自身的缺陷:压缩能耗和成本还是比较高的,很多人接受不了这一点。但是如果将后续二氧化碳运输或者是埋存的要求考虑进去,压缩能耗和成本还是可以适当提高的。烟气中的氧气对脱碳效率等参数的影响比较小,二氧化硫等酸性气体会对脱碳副产物纯度或者是吸收剂再生造成这样或者那样的影响,进而通过富液浓缩、结晶、干燥制成氮肥副产品,最终达到酸性气体污染物联合脱除的效果,与此同时还会产生化肥。氨水的浓度如果太高,会对烟气中重金属浓度造成一定的影响,抑制其浓度的降低,有关研究人员推测氨和重金属可能存在竞争吸附的问题,具体的机理情况不详。另外,吸收剂再生利用的可行程度比生产碳酸氢铵的高,有关研究者曾经理性分析得出常压热再生要比MEA法节能60%以上,只是再生后吸收剂吸收能力相对于之前下降的非常厉害,而且在和离子交换树脂再生后吸收剂吸收能力依然得不到预期的结果。

结合现在的发展现状,并对电厂脱碳和碳酸氢铵的市场需求进行综合全面的考虑,未来主要的开发方向还是在再生氨法脱碳技术。从常压热再生和离子交换再生两种方式来看,碳酸铵溶液是再生后吸收剂的主要成分,这种溶液对减少系统氨损失是非常有利的,其劣势就在于其碱性程度要比氨水的弱很多,因此,再生氨法技术的关键之处还是在如何对循环脱碳效率和二氧化碳吸收有能力进行提高。除此之外,氨作为弱碱性物质,理论上是可以和烟气中的一切酸性气体发生反应的,所以,未来另一个研究方向在如何利用同一吸收剂联合脱除其他酸性气体,减少吸收剂供应成本。