[发明专利]高速旋撞流氨胺法脱除燃烧烟气CO2的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃烧烟气CO₂排放控制方法及装置，具体涉及一种高速旋撞流氨(胺)法脱除燃烧烟气CO₂的方法及装置。

背景技术

由化石燃料燃烧产生的燃烧烟气CO₂（Post-combustion CO₂）排放被主流科学家认为是人为造成温室效应的重要诱因。高效、经济、环保的燃烧烟气CO₂捕捉与封存（Carbon dioxide Capture & Storage, CCS）已经成为世界各国当前研究的热点和重点科学问题之一，其中CO₂的捕捉（脱除）是封存的前提和基础，尤为关键和重要。

目前对燃烧后烟气CO₂的脱除按机制划分主要包括物理法（如物理吸附、冷凝）、化学法（如化学吸附和吸收、化学链燃烧及膜分离）和生物法如微藻生物固碳等。相对而言，化学吸收法脱碳具有效率高、成本低、技术工艺成熟等优点。但是，强碱溶液如NaOH、Ca(OH)₂等由于其对设备的强腐蚀性、循环性差和产物资源化利用率低，适用性有限。因此，研发CO2吸收效率高、吸收容量大、再生能耗低或产物可资源化利用的吸收剂是氨(胺)法烟气脱碳的重要发展方向。

近年来氨(胺)基吸收剂包括氨水和有机胺吸收剂例如单乙醇胺(MEA), 二乙醇胺(DEA), 三乙醇胺(TEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)广泛应用于烟气脱碳。它们具有高吸收能力、高负载容量、低循环再生能耗和来源丰富等广泛优点，其产物亦可用来改良土壤，并且可以联合脱除燃烧烟气中SO₂、NO_x、Hg₂⁺等其它污染物。目前，氨(胺)基吸收剂捕捉CO₂已经成为燃烧烟气CO2排放控制和资源化利用的重要方式之一, 由于其相对于其它CO₂捕捉方式的独特优势, 正日益受到关注。基于氨(胺)法的湿法燃烧烟气CO₂捕捉的方法和技术研发，十分必要和紧迫。

氨(胺)法烟气脱碳的过程存在均相和非均相相互共同作用，是伴随着一系列复杂的与浓度、温度、压力、时间和湍流状态等关联的物理化学反应。以氨水为例，研究表明NH₃–CO₂–H₂O反应是5步可逆综合反应的加和，中间产物包括NH₂COO^-, CO₃^2-以及主要产物HCO₃^-共存于氨碳反应体系中。XRD、SEM、FT-IR、13C NMR和拉曼光谱的实验研究和基于双方程、八方程、两性离子或三分子机制模型的理论研究表明，氨碳化以及NH₂COO^-和CO₃^2-进一步碳化为HCO₃^-过程的化学反应动力学速率常数均对反应时间和反应条件如浓度、温度、压力、相物性等因素敏感。因此，湿法氨(胺)碳反应科学问题的实质可以概括为气液两相的物理化学特性、两相动力学特性以及化学反应特性的问题。

为了强化氨(胺)法烟气脱碳的性能，就要求从上述三个关键的物理化学过程加以强化改善。近年来，随着一类特殊物理条件如高压、超重、超临界等环境在强化流动、传热、传质以及化学反应等科学研究中的成功应用，其优势也逐渐显现。因此，探索特殊条件下实现氨(胺)法高效燃烧烟气CO₂的脱除强化方法及其机理，进而实现脱碳操作条件的最优化控制，将会对燃烧烟气CO₂控制理论和工程应用产生积极意义。

为实现氨(胺)法烟气脱碳多重物理化学过程的强化，研究者从化学机制的角度分进行了探索研究。化学强化方法主要是使用功能性化学添加剂，如哌蓁(PZ)和烷烃醇胺(MEA, DEA, TEA, MDEA, AMP, AMPD, AEPD, THAM)等。研究表明，添加剂对溶液吸收的主要影响表现在对其表面张力的影响上，适当浓度的添加剂可有效降低氨水的表面张力达20%，从而促进氨碳反应的进行。但添加剂的作用有限，且其存在可使吸收剂氨的化学成分变得复杂，一定程度上影响了氨的再生循环利用。