基于“浓缩-稀释”循环调控化学吸收新机制的沼气中CO2分离研究

从沼气中分离CO2而制取可再生的生物天然气这一思路获得了国内外研究者的广泛关注。现阶段，化学吸收法是一种比较可行的沼气CO2分离技术，但其面临着再生能耗高的难题。基于此，根据吸收剂在不同浓度状态下的CO2吸收和再生性能特点，本项目提出了一项新的沼气CO2分离机制，即利用吸收剂被浓缩和稀释来循环调控其在CO2吸收和再生阶段的质量浓度与CO2分压，使其在CO2吸收时处于相对较低的浓度和CO2分压状态，从而获得良好的CO2脱除、传质和流动特性，而在再生前将富CO2溶液进行浓缩，使其在再生中处于高浓度高CO2分压状态，从而改善再生性能和有效降低再生能耗。通过对新型氨基酸盐吸收剂的CO2吸收特性、浓缩后富液的再生性能及吸收液的浓缩与稀释的研究，揭示富液浓缩对再生性能改善的机理，掌握溶液"吸收-浓缩-再生-稀释"循环调控CO2吸收机制，为高效低能耗分离沼气中CO2提供一种新理论与方法。

现阶段，化学吸收法是可行的沼气CO2分离技术之一，但关键在于如何大幅降低再生能耗。根据吸收剂在不同浓度状态下的CO2吸收和再生特性，本项目提出了一种新的沼气CO2分离机制，即利用吸收液被浓缩和稀释来循环调控其在CO2吸收和再生阶段的质量浓度与CO2平衡分压，使其在CO2吸收阶段处于相对较低的浓度和CO2分压状态，而在富液进入再生塔之前将富液浓缩脱水，只再生浓缩后的富液，提高富液CO2分压、降低富液流量，改善再生性能和降低再生能耗。本项目从氨基酸盐吸收剂的沼气CO2分离特性、富液变浓度调控再生性能机理、富液浓缩机制和“吸收-浓缩-再生-稀释”循环调控沼气CO2吸收机制等方面对这一思路进行了研究。结果显示：（1）L-鸟氨酸钾、肌氨酸钾和氨基乙酸钾具有良好的CO2吸收和再生综合性能，有望取代乙醇胺（MEA）进行工业应用。同时还发现选择高CO2循环携带量的氨基酸盐吸收剂并不能带来吸收液循环流量降低和塔尺寸减小，这与传统观点相左。因而吸收剂筛选因综合考虑CO2循环携带量和吸收剂分子量。（2）由于富液被浓缩后CO2平衡分压的增加对再生驱动力强化、富液粘度增加对分子扩散阻碍及富液质量下降导致再生提前等因素的协同作用机理，富液浓缩操作能有效改善其再生性能，但从再生性能和能耗角度均存在临界浓缩程度区间。同时，富液浓缩技术更适合于产物为碳酸氢盐的吸收剂体系，或富液CO2负荷应接近或超过其热力学最大负荷的氨基甲酸盐生成吸收剂体系。另外，吸水式膜蒸馏技术可实现富液的浓缩过程，二次浓缩条件下，MEA富液浓缩程度可达到1.94，满足变浓度再生技术的要求，且浓缩水分离过程由富液在膜内滞留时间及富液液膜层传质阻力协同控制。（3）吸收液“吸收-浓缩-再生-稀释”循环分离沼气中CO2影响机制研究表明，富液浓缩可有效降低再生能耗，其归因于再生过程中水蒸发潜热的大幅下降，而富液显热贡献并不如预期明显。MEA模拟运行结果表明，当浓度从30%浓缩提升到60%时，再生能耗可从3.904 MJ/kgCO2下降到2.319 MJ/kgCO2，降幅为40.6%。而哌嗪（PZ）/N-甲基二乙醇胺（MDEA）混合吸收剂的变浓度操作可实现1.48 MJ/kgCO2的再生能耗。