利用NaOH溶液吸收捕集煙氣中的CO2

童震松 趙志龍 牛元吉 王湘宇

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.天德(威海)工業裝備股份有限公司，山東 威海 264400)

CO2是造成全球變暖的主要溫室氣體，CO2的減排、治理及資源化利用已成為國內外研究的熱點和重點[1-3]。以有色金屬行業為例，2020年，我國有色金屬行業CO2排放量約6.7億t，占全國總排放量的4.7%，其中有色金屬冶煉業CO2排放量5.88億t，占有色金屬行業總排放量的88.2%[4]。隨著國家雙碳目標的提出和踐行，各行業均將減污降碳作為行業綠色可持續發展的重點內容加以落實和推進。

要有效減少工業CO2的排放，改善能源消費結構、節能降耗以及在生產過程中通過技術創新和工藝優化減少碳排放被認為是切實可行的，而對燃燒后煙氣中的CO2進行捕集、封存和資源化利用也是實現雙碳目標重要而不可或缺的方法[5-8]。

目前，對CO2進行捕集主要有三類方法：燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集，研究較多的是燃燒后捕集[9]。作為目前最重要、技術相對最成熟、應用最多的燃燒后碳捕集技術，化學吸收技術是通過吸收劑與CO2發生化學反應，從而實現碳捕集。捕集后的副產物一般易于在特定的條件(如高溫、低壓)下解析，從而分離出高濃度CO2氣體，并同時實現吸收劑溶液的再生[10]。

通過多年的研發，目前采用的化學吸收液主要有有機胺吸收劑、碳酸鹽溶液吸收劑、氨水吸收劑、離子液體吸收劑等，目前有實際工程應用的主要是有機胺吸收劑和氨水吸收劑[11-14]。但是化學吸收法的高能耗與高昂成本，限制了其大規模發展，研究和開發高效、低能耗的化學吸收工藝和新型吸收劑成為備受矚目的熱點。

氫氧化鈉由于其良好的反應性能，也得到了不少碳捕集研究者的重視和青睞。王忠誠等進行了利用NaOH溶液吸收CO2的研究，重點分析了初始反應溫度、NaOH溶液濃度等對CO2吸收效率的影響，并認為對于船舶尾氣中CO2的吸收治理，該技術不僅吸收效率較高，而且成本較低[15，16]。為了提高CO2的吸收效率，師小杰等[17]、景旭亮等[18]等均在NaOH溶液吸收CO2的基礎上引入了超重力，希望通過超重力的施加，加強吸收反應過程中的傳質。結果表明，超重力條件下傳質過程得到增強，CO2的吸收效率也得到了提升。

但目前關于NaOH溶液吸收CO2的研究仍相對較少，且相關結果尚不夠全面。本研究以NaOH溶液為吸收劑，重點考察了NaOH溶液濃度、CO2濃度、NaOH溶液溫度、煙氣流量、鼓泡氣管插入深度以及煙氣中可能存在的SO2等對CO2吸收效率的影響，優化了相關吸收工藝參數，以期為該技術的應用奠定理論和實用基礎。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與設備

試驗所需試劑NaOH為分析純級別，N2、CO2、SO2氣體純度為99.9%。

不同CO2、SO2濃度的混合氣體利用貝意克GMF-8Z-D型配氣系統進行配氣。NaOH溶液的加熱通過水浴恒溫裝置實現。

模擬煙氣中CO2濃度的測定采用嶗應便攜式煙氣分析儀進行測定。

1.2 試驗方法

(1)

2 結果與討論

2.1 NaOH溶液濃度對CO2吸收(脫除)率的影響

設定模擬煙氣流量為1 000 mL/min，煙氣中CO2的體積濃度為10%，NaOH溶液溫度為室溫，鼓泡氣管插入深度為5 cm，配制NaOH溶液濃度分別為1%、5%、10%、15%、20%，研究NaOH溶液濃度對于CO2吸收率的影響規律，結果如圖1所示。

圖1 NaOH溶液濃度對CO2吸收效率的影響規律

從圖1可以看出，當NaOH溶液濃度從1%增加到15%時，CO2吸收率隨之增加，當NaOH溶液濃度達15%時，CO2吸收率最高達84.1%；當NaOH溶液濃度繼續增加到20%時，CO2吸收率迅速下降，降到76.8%。分析其原因，當NaOH溶液濃度從1%增加到15%時，從熱力學角度分析，NaOH溶液濃度的增加有利于吸收反應向正向進行，但由于NaOH溶液吸收CO2的反應主要是受CO2在液膜中的擴散控制，NaOH溶液濃度影響相對有限，因而CO2吸收效率隨著NaOH溶液濃度的增加而略有增加，基本變化不大；但是，當NaOH溶液濃度從15%增加到20%時，雖然NaOH溶液濃度的增加有利于吸收反應向正向進行，但隨著NaOH溶液濃度的增加，NaOH溶液的黏度也隨之增大。而溶液黏度的增大不利于擴散和氣液傳質的進行，因而不利于NaOH溶液對模擬煙氣中CO2的吸收，從而使得CO2吸收效率出現了較為明顯的下降趨勢。

2.2 CO2濃度對CO2吸收率的影響

設定模擬煙氣流量為1 000 mL/min，NaOH溶液濃度為15%，NaOH溶液溫度為室溫，曝氣管插入深度為5 cm，煙氣中CO2的體積濃度分別為1%、5%、10%、15%和20%，研究CO2濃度對于CO2吸收率的影響規律，結果如圖2所示。

圖2 CO2濃度對CO2吸收效率的影響規律

從圖2可以看出，當模擬煙氣中CO2體積含量從1%增加到5%時，CO2吸收率隨之迅速降低，當模擬煙氣中CO2體積含量為1%時，CO2吸收率最高達97%；當模擬煙氣中CO2體積含量繼續增加到20%時，CO2吸收率變化不明顯。分析其原因，當模擬煙氣中CO2體積含量從1%增加到5%時，盡管從熱力學角度分析，模擬煙氣中CO2體積含量的增加有利于吸收反應向正向進行，但此時CO2氣體在NaOH溶液中的擴散和傳質已經成為影響NaOH溶液吸收CO2氣體的關鍵制約因素，當CO2體積含量增加時，CO2在NaOH溶液中的擴散和傳質受到阻滯，部分CO2氣體來不及擴散和傳質并與NaOH發生化學反應即被排出，因而CO2吸收率隨著模擬煙氣中CO2體積含量的增加而降低；但是，當模擬煙氣中CO2體積含量繼續增加時，雖然CO2在NaOH溶液中的擴散和傳質仍受到阻滯，但已基本達到平衡，因此CO2吸收率變化不明顯。

2.3 NaOH溶液溫度對CO2吸收率的影響

設定模擬煙氣流量為1 000 mL/min，煙氣中CO2的體積濃度為10%，NaOH溶液濃度為15%，曝氣管插入深度為5 cm，NaOH溶液溫度分別控制為25、35、45、55、65 ℃，研究NaOH溶液溫度對于CO2吸收效率的影響規律，結果如圖3所示。

圖3 NaOH溶液溫度對CO2吸收效率的影響規律

從圖3可以看出，隨著NaOH溶液溫度的升高，CO2吸收率呈現逐漸下降的趨勢，當溫度為65 ℃時，其吸收率降到僅為約73%。分析其原因，盡管隨著溶液溫度的升高，NaOH溶液的黏度隨之下降，從而有利于擴散和氣液傳質的進行，但同時由于CO2與NaOH的反應屬于酸堿中和反應，反應過程中會有熱量產生，屬于放熱反應，溫度的升高不利于反應向正向進行，因此隨著NaOH溶液溫度的升高，CO2吸收率呈現逐漸下降的趨勢。

2.4 模擬煙氣流量對CO2吸收率的影響

設定煙氣中CO2的體積濃度為10%，NaOH溶液溫度為室溫，NaOH溶液濃度為15%，曝氣管插入深度為5 cm，模擬煙氣流量分別為500、1 000、1 500、2 000、2 500 mL/min，研究模擬煙氣流量對于CO2吸收率的影響規律，結果如圖4所示。

圖4 煙氣流量對CO2吸收效率的影響規律

從圖4可以看出，當煙氣流量從500 mL/min增加到1 000 mL/min時，CO2吸收率隨之增加，當煙氣流量達1 000 mL/min時，CO2吸收率最高，達84.1%；當NaOH溶液濃度繼續增加到20%時，CO2吸收率逐漸下降，降到77.8%。分析其原因，隨著煙氣流量的增加，相對應的煙氣流速也隨之增加，同時CO2在NaOH溶液中的擴散和氣液傳質得到增強，從而使得CO2吸收率得到提升；但是，當煙氣流量從500 mL/min繼續增加時，隨著煙氣量的進一步增加，煙氣流速也隨之進一步增加，則相應的接觸和反應時間也逐漸降低；同時隨著煙氣流量的增加，煙氣中CO2的量也隨之增加，盡管擴散和傳質得到增強，但部分CO2氣體來不及擴散和傳質并與NaOH發生化學反應即被排出，因而CO2吸收率出現了較為明顯的下降趨勢。

2.5 鼓泡氣管插入深度對CO2吸收率的影響

設定模擬煙氣流量為1 000 mL/min，煙氣中CO2的體積濃度為10%，NaOH溶液溫度為室溫，NaOH溶液濃度為10%，曝氣管插入深度分別為1、3、5、7、9 cm，研究曝氣管插入深度對于CO2吸收率的影響規律，結果如圖5所示。

圖5 鼓泡氣管插入深度對CO2吸收效率的影響規律

從圖5可以看出，當鼓泡氣管插入深度從1 cm逐漸增加到5 cm時，CO2的吸收率隨之逐漸增加，當插入深度為5 cm時，CO2吸收率最高，達84.1%；而當插入深度繼續增加時，CO2的吸收率隨之逐漸下降。分析其原因，當鼓泡氣管插入深度過短時，鼓入的CO2來不及與堿液發生反應就被排出，因而吸收率較低，隨著插入深度的增加，鼓入的CO2與堿液能夠充分接觸反應，同時CO2在溶液中的擴散和傳質得到增強，因此吸收率隨著插入深度的增加而增加；但是，隨著鼓泡氣管深度的不斷增加，擴散和傳質的阻力也隨之增加，因此CO2吸收率又隨著插入深度的增加而逐漸降低。

2.6 模擬煙氣中SO2濃度對CO2吸收率的影響

設定模擬煙氣流量為1 000 mL/min，煙氣中CO2的體積濃度為10%，NaOH溶液濃度為15%，溫度為室溫，曝氣管插入深度為5 cm，SO2濃度分別為50、100、150、200 mg/m3。將含CO2和SO2的模擬煙氣通入吸收液中，研究SO2濃度對于CO2吸收率的影響規律。結果如圖6所示。

圖6 SO2對CO2吸收效率的影響規律

從圖6可以看出，隨著模擬煙氣中SO2濃度的升高，CO2脫除率開始基本未受明顯影響，當模擬煙氣中SO2濃度達到100 mg/m3以上時，CO2脫除率受到較為明顯的影響，呈現逐漸下降的趨勢。究其原因，分析認為主要是由于：一方面，SO2在水中的溶解度要遠遠大于CO2的(25 ℃時100 mL水中可溶解9.43 g SO2，而CO2僅可溶解0.145 g)；另一方面，H2SO3的酸性明顯要強于H2CO3，NaOH會優先和煙氣中的SO2發生化學反應。因此，為了獲得較好的CO2脫除效果，入口煙氣中的SO2應盡量保持在較低的水平。

3 結論

1)CO2脫除率隨著NaOH溶液濃度、煙氣流量和鼓泡氣管插入深度的增加先增加后降低，隨著CO2濃度、NaOH溶液溫度的增加逐漸降低。

2)當煙氣流量為1 000 mL/min，NaOH溶液濃度為15%，NaOH溶液溫度為室溫，曝氣管插入深度為5 cm，且煙氣中CO2體積濃度為1%時，CO2脫除率最高可達97%。

3)隨著SO2濃度的升高，CO2脫除率逐漸下降，但在SO2濃度低于100 mg/m3時，對CO2脫除率的影響不明顯。