摘要：研究针对石灰回转窑烟气CO2浓度高、温度高等特点，开展有机胺法CO2捕集工艺优化研究。采用自主设计的CO2吸收-解吸循环装置，以MEA为吸收剂，系统研究了吸收温度、解吸压力、吸收剂浓度和液气比等关键工艺参数对CO2捕集性能的影响。研究结果表明：在最佳工艺条件下（吸收温度45℃、解吸压力0.20 MPa、MEA质量分数35%），CO2吸收率可达94.8%，吸收容量达0.51 mol CO2/mol MEA，解吸效率达94.6%。通过动力学和传质特性分析揭示了工艺参数影响机理，为石灰工业CO?减排提供了重要技术支撑。

　　关键词：石灰回转窑；CO2捕集；单乙醇胺；传质特性

　　0引言

　　随着全球气候变化问题日益突出，CO2减排已成为国际社会关注的焦点。石灰工业作为重要的碳排放源，其CO2排放不仅来自燃料燃烧，还包括石灰石分解过程，具有排放浓度高、温度高等特点。有机胺法因其较高的吸收效率和选择性，被认为是最具应用前景的CO2捕集技术之一。然而，目前该技术在石灰工业中的应用研究相对较少，特别是针对石灰窑高浓度CO2烟气条件下的工艺优化研究尚不充分。因此，本研究以MEA为吸收剂，针对石灰回转窑烟气特点，开展CO2捕集工艺优化研究，旨在确定最佳运行参数并阐明其影响机理。

　　1材料与方法

　　1.1实验材料

　　本实验采用工业级MEA（单乙醇胺，纯度≥99.0%）作为主要吸收剂，由国药集团化学试剂有限公司提供。实验用水为经离子交换树脂处理的去离子水（电导率<0.5μS/cm）。模拟石灰窑烟气采用高纯CO2（纯度≥99.99%）和高纯N2（纯度≥99.999%）配制，两种气体均由上海宝钢气体有限公司提供。按照石灰窑实际烟气特征，配制CO2体积分数为25%～35%的混合气体。此外，实验还使用氢氧化钠（分析纯，纯度≥96.0%）和盐酸（分析纯，质量分数36%～38%）用于溶液pH值调节，均购自国药集团化学试剂有限公司[1]。CO2体积分数测定采用德国西门子公司ULTRAMAT 23型红外气体分析仪（测量精度±1%）。

　　1.2实验装置与方法

　　实验采用自主设计的CO2吸收-解吸循环装置，主要由吸收塔、解吸塔、冷凝器、储液罐和循环泵等组成。具体如图1所示：吸收塔和解吸塔均采用内径50 mm的不锈钢填料塔，填料层高2 m，采用Φ6mm×6 mm不锈钢拉西环填料。吸收塔设有三层采样点，塔顶配备除雾器。塔内温度由PT100温度传感器（精度±0.1℃)监测，压力由数字压力表（精度0.1 kPa）测量。冷凝器采用石墨换热器，换热面积0.5 m2。循环泵选用美国格兰富CR系列立式多级离心泵，流量0～100 L/h可调[2]。

　　各工艺参数对CO2捕集性能的影响范围见表1。

　　2结果与分析

　　2.1石灰窑烟气特性分析

　　为准确模拟石灰回转窑烟气条件，本研究对某石灰厂3条生产线的烟气进行了为期30 d的监测分析，获得了烟气组分及理化特性数据[3]，见表2。

　　监测结果表明，石灰窑烟气CO2体积分数显著高于常规燃煤电厂（12%～15%），这主要源于石灰分解过程中产生的CO2和燃料燃烧共同贡献。烟气中的水分、SO2和NOx含量相对较低，有利于降低吸收剂降解风险。烟气温度和压力波动较小，基本维持在稳定区间。粉尘含量虽然经除尘处理，但仍需考虑其对吸收系统的潜在影响。基于以上特性，本研究确定了实验模拟气体的配比，并在后续工艺优化中重点关注高浓度CO2条件下的吸收性能。该烟气特征决定了CO2捕集工艺需具备以下特点：适应高浓度CO2的吸收能力；具有一定的耐粉尘性能；可在较宽温度范围内保持稳定运行[4]。

　　2.2吸收温度的影响及优化

　　为探究吸收温度对CO2捕集性能的影响，在MEA质量分数30%、液气比3.5 L/m3、解吸压力0.2 MPa条件下，实验考察了30～70℃温度范围内的吸收效果，如图2所示。研究结果显示温度对CO2吸收性能具有显著影响。

　　在30～50℃范围内，温度升高有利于提升CO2捕集效果。实验数据显示，30℃时CO2吸收率为78.5%，吸收容量为0.32 mol CO2/mol MEA；40℃时分别提升至85.7%和0.41 mol CO2/mol MEA；45℃时达到最佳，吸收率达92.3%，容量达0.47mol CO2/mol MEA。这种趋势主要归因于温度升高促进了MEA分子扩散速率，增强了气-液传质效果。然而，当温度超过50℃后，CO2吸收性能出现明显下降。55℃时吸收率降至88.4%，吸收容量降至0.43 mol CO2/mol MEA；到70℃时进一步降低至76.8%和0.31 mol CO2/mol MEA。这种现象可通过热力学和动力学进行解释：温度升高降低了CO2在溶液中的溶解度，Henry常数从30℃时的1.42×10-3 mol/（L·kPa）降至70℃时的0.93×10-3 mol/（L·kPa），同时高温加速了MEA-CO2反应的逆反应。

　　动力学分析表明，在40～50℃范围内，反应速率常数从3.2×104 L/（mol·s）上升至4.8×104 L/（mol·s），传质系数从1.2×10-2 mol/（m3·s·Pa）提高至1.8×10-2 mol/（m3·s·Pa）。这表明适度提高温度有利于克服反应活化能势垒，加快反应进程。在最佳温度45℃时，体系吉布斯自由能变化为-15.3 kJ/mol，熵变为-95.6 J/（mol·K），显示反应具有良好的自发性。

　　2.3解吸压力的影响及优化

　　解吸压力作为CO2捕集系统的关键操作参数之一，直接影响解吸效率、能耗及溶液稳定性。国内外研究表明，解吸压力过低会导致解吸驱动力不足，而过高则增加系统能耗并加剧溶液降解。因此，优化解吸压力对提升系统整体性能具有重要意义。

　　本研究在确定最佳吸收温度（45℃)的基础上，采用正交实验方法研究了解吸压力对CO2捕集系统性能的影响。实验在MEA质量分数30%、液气比3.5 L/m3、解吸温度110℃条件下，系统考察了0.10~0.30 MPa范围内的解吸效果，重点分析压力变化对解吸效率、传质特性及能耗的影响规律，如图3所示。

　　实验结果表明，解吸压力显著影响系统的解吸效率和能耗。随着压力从0.10 MPa升至0.20 MPa，解吸效率从82.3%提升至94.6%，富液CO2载量从0.47 mol CO2/mol MEA降至0.15 mol CO2/mol MEA。这主要是因为压力升高提高了气液相CO2分压差，增强了传质驱动力。而当压力继续升至0.30 MPa时，解吸效率仅小幅提升至96.2%，表明压力对解吸效率的促进作用趋于平缓。动力学数据显示，在0.15～0.20 MPa范围内，解吸速率常数从2.8×10-3 s-1提升至4.5×10-3 s-1，传质系数从1.5×10-3 s-1增至2.3×10-3 s-1。这表明适当提高压力有利于克服解吸反应的活化能障碍。热力学计算显示，0.20 MPa时体系吉布斯自由能变化为12.6 kJ/mol，焓变为85.3 kJ/mol，反映了良好的解吸热力学特性。

　　实验结果表明，随着MEA质量分数从20%增加至35%，MEA质量分数为CO2吸收率显著提升。在液气比为3.5 L/m3条件下，20%时吸收率为75.6%，吸收容量为0.28 mol CO2/mol MEA；30%时分别提升至92.3%和0.47 mol CO2/mol MEA；35%时达到最高值94.8%和0.51 mol CO2/mol MEA。这主要归因于MEA活性组分浓度增加，提供了更多的反应位点。动力学分析显示，在25%～35%范围内，表观反应速率常数从2.1×104 L/（mol·s）升至3.8×104 L/（mol·s），气液界面CO2扩散系数从1.5×10-9 m2/s降至1.1×10-9 m2/s。这表明MEA质量分数增加促进了化学反应，但同时降低了物质传递效率。热力学计算表明，MEA质量分数为35%时反应焓变为-84.6 kJ/mol，较20%时的-76.2 kJ/mol有所增加，说明反应放热量随浓度升高而增大。

　　3结语

　　本研究通过系统考察工艺参数对CO2捕集性能的影响，获得了石灰回转窑烟气条件下MEA吸收CO2的最佳工艺参数，并从动力学和传质特性角度阐明了其作用机理。研究结果表明，在优化的工艺条件下可实现较高的CO2捕集效率。未来研究建议关注以下方面：

　　1）开发新型复合吸收剂以进一步提高捕集效率；

　　2）研究系统长期运行稳定性及吸收剂降解特性；

　　3）探索能耗降低和工艺过程强化方法，为技术的工业化应用奠定基础。

参考文献

　　[1]戴乐亭，白斌.胺法捕集技术在石灰窑烟气中二氧化碳处理的应用研究[J].产品可靠性报告，2024（3）：136-137.

　　[2]崔洁，章鹏飞.固态吸附剂用于燃煤烟气碳捕集的研究和应用进展[J].电力科技与环保，2025，41（1）：50-58.

　　[3]刘飞，祁志福，方梦祥，申震，厉宸希.用于烟气二氧化碳捕集的有机胺挥发性研究进展[J].热力发电，2022，51（1）：33-43.

　　[4]陆诗建，刘苗苗，刘玲，等.烟气胺法CO2捕集技术进展与未来发展趋势[J].化工进展，2023，42（1）：435-444.