浅谈有机胺DEAE法脱碳技术

由于火力发电厂等高耗能行业大量燃烧化石燃料，造成温室气体CO2的大量排放。对烟气进行脱碳处理，是控制温室气体排放、防止气候变化危害的一种有效措施。烟气脱碳技术多种多样，其中有机胺法是应用较广泛的一种技术[1]。

1 有机胺法脱碳简介

有机胺法脱碳多选用醇胺吸收液。醇胺分子中至少含有一个羟基和一个氨基，羟基可降低化合物的蒸气压并增加其水溶性，胺基则为吸收液提供一定的碱度，以促进其对酸性气体的吸收[2]。有机胺分子中的氮原子连接两个氢原子时称为伯胺，连接一个氢原子时称为仲胺，无氢原子连接时称为叔胺，工业脱碳中较为常用的伯胺是一乙醇胺（MEA），仲胺是二乙醇胺（DEA），叔胺是甲基二乙醇胺（MDEA）。其中伯胺和仲胺与CO2反应相对较快，生成的氨基甲酸盐化学性质较稳定，解吸时能耗较高，最大酸气负荷为0.5mol/mol，而叔胺与CO2反应相对较慢，生成的碳酸氢盐在解吸时能耗较低，最大酸气负荷为1mol/mol[3]。

2 DEAE法脱碳技术

为满足脱碳的需求，人们不断寻找吸收能力更大、吸收速率更快、循环周期更长、性质更稳定、毒性和腐蚀性较小或者没有、解吸能耗更低的胺。叔醇胺DEAE是无色液体，微有氨味，可溶于乙醇和水中。以乙醇为原料可以制取二乙胺，乙烯氧化可以制取环氧乙烷，二乙胺和环氧乙烷反应即可制取DEAE，乙烯则可由乙醇脱水制备，因此用乙醇为主要原料即可制备DEAE，而乙醇可从农产品或残渣中制取，即DEAE的制取较为绿色[3]。Chowdhury等[4]认为以往的大部分研究都集中于MEA、DEA、MDEA、TEA（三乙醇胺）等单一胺或者其混合胺上，却忽略了新型胺，因此选取了21种商业叔胺（包括MDEA）和3种合成叔胺与MDEA进行综合对比，从中筛选出了七种具备较高吸收率和循环能力、较低或者相当的反应热的叔胺，DEAE即是其中之一。高红霞[5]等对六种不同的胺在吸收负载、吸收速率、解吸速率、循环容量、相对再生能耗等方面进行综合对比，发现DEAE性能较为优越。

因DEAE属于叔胺，其本身与CO2反应相对较慢，在叔胺吸收液中加入活化剂不仅能提高与CO2的反应速率，也可降低解吸时的能耗[4]。哌嗪（PZ）是近年来较为常用的活化剂，Vaidya等[3]研究了PZ对DEAE的活化效果，发现即使在DEAE吸收液中加入很少量的PZ，也可以�^大幅度地提高其吸收CO2的速度。

关于叔胺吸收CO2的机理，目前大部分学者比较认同的是叔胺与CO2的反应是基于Donaldson等[6]提出的碱催化水合机理，即叔胺的氮原子上无氢原子，不能向伯胺和仲胺一样与CO2直接反应生成氨基甲酸盐，而是催化水分子解离，使水分子失去质子，然后与CO2发生反应。Vaidya[3]等认为PZ活化DEAE的反应机理是DEAE与CO2和PZ与CO2之间的平衡反应，在DEAE与CO2属于拟一级快速反应的条件下，通过实验数据计算出303K时该反应的二级速率常数平均值为173m3/（kmol・s）。但是Kierzkowska-Pawlak[7]发现Vaidya等与Littel等[8]的研究结果相差较大，因此再次对此问题进行研究，按照其测量的数据所计算出的动力学数据可以很好的符合碱催化水合机理，计算出的二级速率常数与Littel等[8]研究结果比较接近，而与Vaidya等[3]的研究结果相差较大。