高炉煤气精脱硫协同碳捕集两相吸收剂研究

作     者：吴兴刚 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘玉玲;何剑;张磊

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：高炉煤气 精脱硫 碳捕集 两相吸收剂 

摘      要：当前钢铁行业同时面临碳减排和全流程超低排放的双重压力,高炉煤气精脱硫协同碳捕集是其减污降碳协同治理、达成国家战略要求的关键实施点和有力途径。鉴于常规湿法吸收剂在脱硫脱碳方面存在的吸收容量低、再生难度大、腐蚀性较强等问题，本文通过对高炉煤气精脱硫协同碳捕集的相变体系研究，得出性能较好的N-N-二乙基乙醇胺(DEE A)/羟乙基乙二胺(AEEA)/H2O和环丁砜(SF)/二乙醇胺(DEA)/H2O相变体系。在此基础上，进一步向SF/DEA/H2O相变体系中添加2-氨基-2-甲基-1-内醇(AMP)及无水哌嗪(PZ)组分，成功构建出SF/DEA/AMP/PZ/H2O相变体系，对其进行黏度特性及应用特性研究，并通过FTIR和NMR结合进行表征测试，分析了两相吸收剂的脱硫脱碳机理。本文主要研究结论如下: (1)针对高炉煤气精脱硫协同碳捕集研发出两种相变体系。60%DEEA+20%AEEA+20%H2O体系，其贫相占比为46%，吸收负荷和吸收量分别达0.4136molCO2/mol胺和2.9117mol/L:60%SF+20%DEA+20%H2O)体系，贫相占比高达65%，吸收负荷和吸收量分别为0.2934molCO2/mol胺和2.0801mol/L，这两种相变体系对吸收CO2均展现出良好的相变比例和吸收性能。进一步构建了能同时深度脱除CO2、H2S、COS的高炉煤气吸收剂体系，得到60%SF+20%DEA+6%AMP+5%PZ+H2O组成的两相吸收剂，在常压条件下，该体系的最佳反应温度区间为40～45℃，对CO2、H2S及COS的脱除率都在90%以上;与已报道的两相吸收剂相比，其富相粘度较低为136.0mPa·S。 (2)研究确定了两相吸收剂在不同的再生条件下的再生性能。当再生温度为110～20℃时，酸气再生率高于85%，再生速率可达到12.50×10-3mol·L-1·min-1以上，具有良好的再生性能;经过5次循环吸收-解吸实验后，CO2、H2S、COS的脱除率均超过84%，而酸气再生率仍保持在86%以上，表明两相吸收剂可多次循环利用。 (3)测试了两相吸收剂体系的发泡性能和腐蚀性能。研究结果表明，当气体流量在50mL/min-300mL/min区间时，吸收剂吸收前和吸收后贫/富相液的最大发泡高度和消泡时间均低干0.1cm和2s，符合行业标准要求:该两相吸收剂在40℃下，吸收前和吸收后贫/富相的腐蚀速率分别为0.00260 mm/a、0.00252 mm/a和0.0147 mm/a,呈现较低的腐蚀性。 (4)通过表征测试发现,吸收产物富集于上相中,几乎不含环丁砜,而下相成分主要为环丁砜,该吸收剂中各组分与酸气之间的反应机制为DEA/AMP/PZ与H2S之间存在质子转移,生成带HS-基团的季铵盐类物质;与CO2和COS之间按照两性离子理论发生化学反应,产物包括氨基甲酸根离子、硫代氨基甲酸根离子等物质。