关于胺基CO2捕集技术中溶剂再生能量的研究：重点关注某些环状结构的胺类化合物，并进行参数评估

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：An account of solvent regeneration energy for amine-based CO 2 capture technology: A focus on selected ring-structured amines and parametric evaluation

胺基CO2吸收技术再生能量优化研究：基于六种环状胺的热力学建模与操作参数分析，提出温度、压力及浓度关键参数对再生能的影响机制，其经济性优于传统MEA。

　　

肖卡特·阿里·马扎里（Shaukat Ali Mazari）| 金真英（Jin-Young Kim）| 金惠琳（Hye-Rin Kim）| 李光宇（Gwon-Woo Lee）| 李在范（Jae-Beom Lee）| 郑在勋（Jaehoon Jeon）| 李昂（Ung Lee）| 韩尚俊（Sang-Jun Han）| 文正浩（Jong-Ho Moon）

韩国忠清北道清州市忠清北国立大学化学工程系，邮编28644

摘要

基于胺的二氧化碳（CO?）吸收技术是大规模商业碳捕获领域的领先技术之一。尽管该技术已经成熟，并且其大规模应用也得到了验证，但仍然需要新的方法来充分发挥其潜力并降低成本。影响基于胺的CO?去除成本的主要因素是溶剂再生能量。除了新型溶剂外，工艺操作条件也在降低再生能量和提高工艺性能方面起着关键作用。本研究提供了对基于胺的CO?捕获技术的更全面理解，包括溶剂特性和再生方法。为了探讨再生能量，本研究以哌嗪（piperazine）、1-甲基哌嗪（1-methylpiperazine）、2-甲基哌嗪（2-methylpiperazine）、2-哌啶乙醇（2-piperidineethanol）、1-(2-羟基乙基)吡咯烷（1-(2-hydroxyethyl)pyrrolidine）和吗啉（morpholine）等环状胺类化合物为例进行了分析。采用优化的电解质NRTL模型来预测水基胺溶液在CO?捕获过程中的汽液平衡行为，并采用了一种简化的方法来确定溶剂再生能量。研究了二氧化碳分压、吸收温度、解吸温度、胺浓度、脱除器总压等参数对再生能量的影响，并进行了全局敏感性分析以确定最具影响力的参数。这些溶剂在各种工业CO?排放应用中的表现与MEA（Monochloroethanolamine）相比具有竞争力。研究结果表明，吸收器和脱除器温度、脱除器总压、吸收的二氧化碳分压以及胺的质量是关键影响因素；在较小的能量消耗下，可以实现更高的二氧化碳回收率。

引言

化石燃料燃烧和制造过程导致的大气中二氧化碳浓度的增加是气候变化和环境失衡的主要来源。城市化和生活水平的提高推动了能源需求和工业活动的增加，除非采取缓解措施，否则二氧化碳排放量将持续上升。虽然可再生能源正在发展，但其成本仍然较高，且发展尚未充分，因此在短期内传统能源和制造工艺仍将不可或缺。因此，开发和部署高效的碳捕获与储存（CCS）技术对于实现2050年的净零排放目标至关重要[1]。碳捕获技术包括吸收、吸附、膜分离、低温分离等多种方法[2,3]。 鉴于其成熟度和技术效率，基于胺的CO?捕获工艺在其他技术中脱颖而出[4]。然而，阻碍其大规模广泛应用的主要瓶颈是溶剂再生能量，这一成本占工厂运营成本的近三分之二[5, [6], [7]]。典型的单乙醇胺（MEA）基工艺去除一吨二氧化碳需要3到4吉焦（GJ）的能量[8, [9], [10]]。高再生能量需求导致了较高的CO?去除成本[11]。不仅MEA，其他传统溶剂也未能降低每吨二氧化碳的去除成本，目前这一成本仍接近65美元/吨[12]。降低再生能量是提高该工艺大规模可行性的关键。 溶剂再生能量（）由三个部分组成：反应热（$Q_{\text{rxn}}$）、显热（）和潜热（）[13]。反应热用于逆反应所需能量，显热用于将水基胺溶液加热到所需温度，潜热用于水的蒸发以释放二氧化碳[14]。通常情况下，反应热是最大的（以燃煤电厂烟气为例），并且具有很强的化学特异性。它很大程度上取决于胺的结构及其与二氧化碳的结合强度[15]。较低的反应逆温通常意味着胺与二氧化碳的结合较弱，从而导致较少的显热和潜热需求，因为加热溶液和蒸发水所需的能量较少。然而，在关联这些能量成分时，不能忽略操作变量的影响。与二氧化碳反应形成氨基甲酸盐的胺类具有较高的吸收速率，但需要较高的能量来逆转反应；而不会形成氨基甲酸盐的其他胺类则更多地参与碳酸氢盐和碳酸盐离子的形成，从而导致反应动力学较慢，反应热较低[16], [17], [18]]。 由于溶剂再生相关的较高运营成本和可扩展性挑战，文献中提出了多种旨在降低再生能量的策略。这些努力包括溶剂分子设计、工艺强化、先进的热集成以及混合系统开发，以提高整体能源效率和经济可行性[19], [20], [21], [22], [23], [24]]。然而，迄今为止尚未有重大突破能够显著降低再生能量，从而实现大规模商业CO?捕获的可行性。除了工艺设计变更、集成和优化之外，还有研究报道了利用催化溶剂再生来降低再生能量[25,26]。不过，德迈耶（De Meyer）和比格诺（Bignaud）[27]指出，催化再生技术在实验室条件下的效果被高估了，且实际工艺操作条件与实验室条件不同，催化剂对改进效果有限。近年来，双相溶剂和非水溶剂的应用有所增加，这些溶剂在降低再生能量方面显示出一定的潜力，但还需要更多涉及热力学、工艺开发和工业应用条件的数据和研究成果[28], [29], [30], [31], [32]]。 这又引出了一个基本问题：如何在工艺工程和热力学的限制下，将再生能量降至最低。本研究深入探讨了基于胺的CO?吸收工艺的工作原理、热力学特性以及工艺操作条件和工艺工程的影响。虽然已有大量文献研究了基于胺的CO?吸收的再生能量和热力学，但本研究的独特之处在于它基于现有文献，通过案例研究选定的环状胺类化合物的发展，提供了全面的工艺参数评估策略，并辅以一致的热力学框架和实验研究。本研究关注的环状胺类化合物包括哌嗪（piperazine）、1-甲基哌嗪（1-MPZ）、2-甲基哌嗪（2-MPZ）、2-哌啶乙醇（2-PPE）、1-(2-羟基乙基)吡咯烷（HE-PRLD）和吗啉（MOR）。这些胺类具有相似的结构，但在与二氧化碳的化学反应中表现出独特的性质。电解质NRTL模型用于评估每种系统在CO?捕获过程中的热力学行为。从文献中提取了每种胺的实验汽液平衡（VLE）数据，以获得电解质NRTL模型所需的反应平衡常数和相互作用参数。本研究评估的工艺参数包括二氧化碳分压、吸收器温度、脱除器温度、总压、胺浓度和二氧化碳回收率。此外，还进行了全局敏感性分析，以确定影响再生能量的关键操作参数，并对比了所研究胺类的实际应用效果，以更全面地了解它们的工业应用前景。

部分内容摘录

了解基于胺的技术及其作用

基于胺的酸性气体净化技术的发展可以追溯到20世纪30年代[33]。该技术使用水基胺溶剂，从混合气体中分离出酸性气体（包括二氧化碳）。二氧化碳在吸收塔中被水溶液吸收，含有二氧化碳的溶液（富溶剂）通过交叉热交换器被输送到脱除塔进行再生。再生后的溶剂（贫溶剂）被回用到吸收塔中，而富含二氧化碳的流体会被排出。

溶剂再生能量

在连续的CO?捕获过程中，需要再生和回收溶剂以供工艺使用。该过程逆转了二氧化碳与胺溶剂之间的化学反应，从而实现溶剂的重复利用和二氧化碳的释放，以便储存或利用。这一步决定了碳捕获过程的经济可行性。最常见的溶剂再生方法是热摆动再生，即溶剂在脱除器中被加热到所需的脱除温度，从而实现化学过程的逆转。

方法、资源和框架

本研究使用电解质NRTL模型来评估水基胺系统在CO?捕获过程中的热力学行为。电解质NRTL模型的二元参数是通过自主研发的MATLAB代码进行优化的。

结果与讨论

在深入研究这些溶剂的再生能量之前，首先需要评估和对比这些系统的二氧化碳溶解度和电解质形态。图4展示了模型预测结果与文献中选定实验数据的对比。 PZ的实验数据来自Dash等人[72]（也见于我们之前的工作[94]），1-MPZ的数据来自Li等人[77]和Vamja等人[146]，2-MPZ的数据来自Chen和Rochelle[45]。

结论

在基于胺的CO?捕获过程中，溶剂再生能量是实现大规模商业应用的关键瓶颈。影响工艺性能和溶剂再生能量的关键工艺参数包括二氧化碳分压、吸收温度、脱除器总压、脱除器温度、胺浓度和二氧化碳回收率。本研究使用选定的环状胺类化合物（如PZ、1-MPZ、2-MPZ、2-PPE）评估了这些参数对再生能量需求的影响。

作者声明

肖卡特·阿里·马扎里（Shaukat Ali Mazari）（第一作者）：方法论、软件开发、数据可视化、实验研究、初稿撰写； 金真英（Jin-Young Kim）：实验研究； 金惠琳（Hye-Rin Kim）：实验研究； 李光宇（Gwon-Woo Lee）：实验研究； 李在范（Jae-Beom Lee）：实验研究； 郑在勋（Jaehoon Jeon）：实验研究； 李昂（Ung Lee）：实验研究、资金获取、审稿与编辑、监督； 韩尚俊（Sang-Jun Han）：实验研究、审稿与编辑、监督； 文正浩（Jong-Ho Moon）（通讯作者）：概念构思、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供，项目编号2022M3C1A3092056，STEAM项目）。本研究还得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过教育部资助的基础科学研究计划的支持（项目编号RS-2024-00463740）。