利用NaOH溶液吸收捕集烟气中的CO2

童震松 赵志龙 牛元吉 王湘宇

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.天德(威海)工业装备股份有限公司，山东 威海 264400)

CO2是造成全球变暖的主要温室气体，CO2的减排、治理及资源化利用已成为国内外研究的热点和重点[1-3]。以有色金属行业为例，2020年，我国有色金属行业CO2排放量约6.7亿t，占全国总排放量的4.7%，其中有色金属冶炼业CO2排放量5.88亿t，占有色金属行业总排放量的88.2%[4]。随着国家双碳目标的提出和践行，各行业均将减污降碳作为行业绿色可持续发展的重点内容加以落实和推进。

要有效减少工业CO2的排放，改善能源消费结构、节能降耗以及在生产过程中通过技术创新和工艺优化减少碳排放被认为是切实可行的，而对燃烧后烟气中的CO2进行捕集、封存和资源化利用也是实现双碳目标重要而不可或缺的方法[5-8]。

目前，对CO2进行捕集主要有三类方法：燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集，研究较多的是燃烧后捕集[9]。作为目前最重要、技术相对最成熟、应用最多的燃烧后碳捕集技术，化学吸收技术是通过吸收剂与CO2发生化学反应，从而实现碳捕集。捕集后的副产物一般易于在特定的条件(如高温、低压)下解析，从而分离出高浓度CO2气体，并同时实现吸收剂溶液的再生[10]。

通过多年的研发，目前采用的化学吸收液主要有有机胺吸收剂、碳酸盐溶液吸收剂、氨水吸收剂、离子液体吸收剂等，目前有实际工程应用的主要是有机胺吸收剂和氨水吸收剂[11-14]。但是化学吸收法的高能耗与高昂成本，限制了其大规模发展，研究和开发高效、低能耗的化学吸收工艺和新型吸收剂成为备受瞩目的热点。

氢氧化钠由于其良好的反应性能，也得到了不少碳捕集研究者的重视和青睐。王忠诚等进行了利用NaOH溶液吸收CO2的研究，重点分析了初始反应温度、NaOH溶液浓度等对CO2吸收效率的影响，并认为对于船舶尾气中CO2的吸收治理，该技术不仅吸收效率较高，而且成本较低[15，16]。为了提高CO2的吸收效率，师小杰等[17]、景旭亮等[18]等均在NaOH溶液吸收CO2的基础上引入了超重力，希望通过超重力的施加，加强吸收反应过程中的传质。结果表明，超重力条件下传质过程得到增强，CO2的吸收效率也得到了提升。

但目前关于NaOH溶液吸收CO2的研究仍相对较少，且相关结果尚不够全面。本研究以NaOH溶液为吸收剂，重点考察了NaOH溶液浓度、CO2浓度、NaOH溶液温度、烟气流量、鼓泡气管插入深度以及烟气中可能存在的SO2等对CO2吸收效率的影响，优化了相关吸收工艺参数，以期为该技术的应用奠定理论和实用基础。

1 试验部分

1.1 试验材料与设备

试验所需试剂NaOH为分析纯级别，N2、CO2、SO2气体纯度为99.9%。

不同CO2、SO2浓度的混合气体利用贝意克GMF-8Z-D型配气系统进行配气。NaOH溶液的加热通过水浴恒温装置实现。

模拟烟气中CO2浓度的测定采用崂应便携式烟气分析仪进行测定。

1.2 试验方法

(1)

2 结果与讨论

2.1 NaOH溶液浓度对CO2吸收(脱除)率的影响

设定模拟烟气流量为1 000 mL/min，烟气中CO2的体积浓度为10%，NaOH溶液温度为室温，鼓泡气管插入深度为5 cm，配制NaOH溶液浓度分别为1%、5%、10%、15%、20%，研究NaOH溶液浓度对于CO2吸收率的影响规律，结果如图1所示。

图1 NaOH溶液浓度对CO2吸收效率的影响规律

从图1可以看出，当NaOH溶液浓度从1%增加到15%时，CO2吸收率随之增加，当NaOH溶液浓度达15%时，CO2吸收率最高达84.1%；当NaOH溶液浓度继续增加到20%时，CO2吸收率迅速下降，降到76.8%。分析其原因，当NaOH溶液浓度从1%增加到15%时，从热力学角度分析，NaOH溶液浓度的增加有利于吸收反应向正向进行，但由于NaOH溶液吸收CO2的反应主要是受CO2在液膜中的扩散控制，NaOH溶液浓度影响相对有限，因而CO2吸收效率随着NaOH溶液浓度的增加而略有增加，基本变化不大；但是，当NaOH溶液浓度从15%增加到20%时，虽然NaOH溶液浓度的增加有利于吸收反应向正向进行，但随着NaOH溶液浓度的增加，NaOH溶液的黏度也随之增大。而溶液黏度的增大不利于扩散和气液传质的进行，因而不利于NaOH溶液对模拟烟气中CO2的吸收，从而使得CO2吸收效率出现了较为明显的下降趋势。

2.2 CO2浓度对CO2吸收率的影响

设定模拟烟气流量为1 000 mL/min，NaOH溶液浓度为15%，NaOH溶液温度为室温，曝气管插入深度为5 cm，烟气中CO2的体积浓度分别为1%、5%、10%、15%和20%，研究CO2浓度对于CO2吸收率的影响规律，结果如图2所示。

图2 CO2浓度对CO2吸收效率的影响规律

从图2可以看出，当模拟烟气中CO2体积含量从1%增加到5%时，CO2吸收率随之迅速降低，当模拟烟气中CO2体积含量为1%时，CO2吸收率最高达97%；当模拟烟气中CO2体积含量继续增加到20%时，CO2吸收率变化不明显。分析其原因，当模拟烟气中CO2体积含量从1%增加到5%时，尽管从热力学角度分析，模拟烟气中CO2体积含量的增加有利于吸收反应向正向进行，但此时CO2气体在NaOH溶液中的扩散和传质已经成为影响NaOH溶液吸收CO2气体的关键制约因素，当CO2体积含量增加时，CO2在NaOH溶液中的扩散和传质受到阻滞，部分CO2气体来不及扩散和传质并与NaOH发生化学反应即被排出，因而CO2吸收率随着模拟烟气中CO2体积含量的增加而降低；但是，当模拟烟气中CO2体积含量继续增加时，虽然CO2在NaOH溶液中的扩散和传质仍受到阻滞，但已基本达到平衡，因此CO2吸收率变化不明显。

2.3 NaOH溶液温度对CO2吸收率的影响

设定模拟烟气流量为1 000 mL/min，烟气中CO2的体积浓度为10%，NaOH溶液浓度为15%，曝气管插入深度为5 cm，NaOH溶液温度分别控制为25、35、45、55、65 ℃，研究NaOH溶液温度对于CO2吸收效率的影响规律，结果如图3所示。

图3 NaOH溶液温度对CO2吸收效率的影响规律

从图3可以看出，随着NaOH溶液温度的升高，CO2吸收率呈现逐渐下降的趋势，当温度为65 ℃时，其吸收率降到仅为约73%。分析其原因，尽管随着溶液温度的升高，NaOH溶液的黏度随之下降，从而有利于扩散和气液传质的进行，但同时由于CO2与NaOH的反应属于酸碱中和反应，反应过程中会有热量产生，属于放热反应，温度的升高不利于反应向正向进行，因此随着NaOH溶液温度的升高，CO2吸收率呈现逐渐下降的趋势。

2.4 模拟烟气流量对CO2吸收率的影响

设定烟气中CO2的体积浓度为10%，NaOH溶液温度为室温，NaOH溶液浓度为15%，曝气管插入深度为5 cm，模拟烟气流量分别为500、1 000、1 500、2 000、2 500 mL/min，研究模拟烟气流量对于CO2吸收率的影响规律，结果如图4所示。

图4 烟气流量对CO2吸收效率的影响规律

从图4可以看出，当烟气流量从500 mL/min增加到1 000 mL/min时，CO2吸收率随之增加，当烟气流量达1 000 mL/min时，CO2吸收率最高，达84.1%；当NaOH溶液浓度继续增加到20%时，CO2吸收率逐渐下降，降到77.8%。分析其原因，随着烟气流量的增加，相对应的烟气流速也随之增加，同时CO2在NaOH溶液中的扩散和气液传质得到增强，从而使得CO2吸收率得到提升；但是，当烟气流量从500 mL/min继续增加时，随着烟气量的进一步增加，烟气流速也随之进一步增加，则相应的接触和反应时间也逐渐降低；同时随着烟气流量的增加，烟气中CO2的量也随之增加，尽管扩散和传质得到增强，但部分CO2气体来不及扩散和传质并与NaOH发生化学反应即被排出，因而CO2吸收率出现了较为明显的下降趋势。

2.5 鼓泡气管插入深度对CO2吸收率的影响

设定模拟烟气流量为1 000 mL/min，烟气中CO2的体积浓度为10%，NaOH溶液温度为室温，NaOH溶液浓度为10%，曝气管插入深度分别为1、3、5、7、9 cm，研究曝气管插入深度对于CO2吸收率的影响规律，结果如图5所示。

图5 鼓泡气管插入深度对CO2吸收效率的影响规律

从图5可以看出，当鼓泡气管插入深度从1 cm逐渐增加到5 cm时，CO2的吸收率随之逐渐增加，当插入深度为5 cm时，CO2吸收率最高，达84.1%；而当插入深度继续增加时，CO2的吸收率随之逐渐下降。分析其原因，当鼓泡气管插入深度过短时，鼓入的CO2来不及与碱液发生反应就被排出，因而吸收率较低，随着插入深度的增加，鼓入的CO2与碱液能够充分接触反应，同时CO2在溶液中的扩散和传质得到增强，因此吸收率随着插入深度的增加而增加；但是，随着鼓泡气管深度的不断增加，扩散和传质的阻力也随之增加，因此CO2吸收率又随着插入深度的增加而逐渐降低。

2.6 模拟烟气中SO2浓度对CO2吸收率的影响

设定模拟烟气流量为1 000 mL/min，烟气中CO2的体积浓度为10%，NaOH溶液浓度为15%，温度为室温，曝气管插入深度为5 cm，SO2浓度分别为50、100、150、200 mg/m3。将含CO2和SO2的模拟烟气通入吸收液中，研究SO2浓度对于CO2吸收率的影响规律。结果如图6所示。

图6 SO2对CO2吸收效率的影响规律

从图6可以看出，随着模拟烟气中SO2浓度的升高，CO2脱除率开始基本未受明显影响，当模拟烟气中SO2浓度达到100 mg/m3以上时，CO2脱除率受到较为明显的影响，呈现逐渐下降的趋势。究其原因，分析认为主要是由于：一方面，SO2在水中的溶解度要远远大于CO2的(25 ℃时100 mL水中可溶解9.43 g SO2，而CO2仅可溶解0.145 g)；另一方面，H2SO3的酸性明显要强于H2CO3，NaOH会优先和烟气中的SO2发生化学反应。因此，为了获得较好的CO2脱除效果，入口烟气中的SO2应尽量保持在较低的水平。

3 结论

1)CO2脱除率随着NaOH溶液浓度、烟气流量和鼓泡气管插入深度的增加先增加后降低，随着CO2浓度、NaOH溶液温度的增加逐渐降低。

2)当烟气流量为1 000 mL/min，NaOH溶液浓度为15%，NaOH溶液温度为室温，曝气管插入深度为5 cm，且烟气中CO2体积浓度为1%时，CO2脱除率最高可达97%。

3)随着SO2浓度的升高，CO2脱除率逐渐下降，但在SO2浓度低于100 mg/m3时，对CO2脱除率的影响不明显。