高浓度MEA强化旋转填充床CO2捕集性能与能耗优化研究

《Journal of CO2 Utilization》：Study of CO 2 absorption into monoethanolamine solution in a rotating packed bed

本研究针对传统填料床CO2捕集设备体积大、再生能耗高的问题，创新性地采用旋转填充床（RPB）结合高浓度单乙醇胺（MEA，30–70 wt%）溶剂，系统探究了转速、气液比、再沸器温度等参数对90%捕集效率下能耗的影响。结果表明，提高转速与MEA浓度可显著增强传质并降低再生能耗，RPB电耗仅占再沸器热耗的约2%，为工业级碳捕集系统的小型化与节能化设计提供了关键实验依据。

　　

全球气候变暖正以前所未有的速度加剧，而工业排放的二氧化碳（CO₂）是主要的温室气体来源之一。在炼油、钢铁等重工业领域，传统的胺法碳捕集技术虽成熟却面临巨大挑战：庞大的填料塔设备不仅占地广、投资高，其再生过程所需的热能更是占整个捕集系统能耗的70%以上。以一座500兆瓦的燃煤电厂为例，若采用常规填料床（Packed Bed, PB）捕集CO₂，需建造直径17米、高9米的吸收塔，导致电厂发电效率直降8–14%。如何突破“高能耗-大设备”的瓶颈，成为碳捕集技术走向规模化应用的关键。

在这一背景下，旋转填充床（Rotating Packed Bed, RPB）作为一种过程强化技术崭露头角。它通过高速旋转产生超重力场，将液体溶剂撕裂为微米级液滴或薄膜，极大增加了气液接触面积，传质效率可达传统填料床的10–33倍。韩国能源研究院CCS研究部的Jaesu Jang、Gwan Hong Min等人在《Journal of CO₂Utilization》发表研究，首次在实验室尺度系统评估了高浓度MEA（30–70 wt%）在RPB中的CO₂捕集性能，并量化了各操作参数对能耗的影响规律。

关键技术方法概述

研究搭建了RPB中试系统，填料为不锈钢丝网，内径150毫米、外径600毫米、高50毫米。以15 vol% CO₂模拟炼油厂催化裂化烟气，通过调节电机转速（300–800 RPM）、气体流量（3–6 Nm³/h）、再沸器温度（102–108°C）及MEA浓度，在恒定90%捕集率下测定再生能耗。采用总有机碳分析仪测定贫富液CO₂负载，计算传质单元数（NTU）、传质单元高度（HTU）与总体积传质系数（K_ga）。

研究结果分析

3.1. RPB与PB的性能对比

RPB在填料体积仅为PB的约35%条件下，实现了相近的K_ga值（0.15–0.29/s）。其传质单元高度低至0.196米，证实超重力环境可大幅压缩设备尺寸。

3.3. 再沸器温度的影响

温度从102°C升至108°C时，再生能耗由1.612增至2.154 kW_th/kg CO₂，增幅达25.2%。高温虽提升解吸效率，但水蒸气回流增加导致热负荷上升。

3.4. 转速与MEA浓度的协同效应

提高转速与MEA浓度均能降低能耗。70 wt% MEA在800 RPM时能耗最低（1.623 kW_th/kg CO₂），较30 wt% MEA节能14.3%。高浓度MEA的粘度问题被RPB的液滴细化作用抵消。

3.5. 气体流量的规模化启示

气体流量从3提至6 Nm³/h，单位CO₂再生能耗下降19.1%，归因于再沸器热利用效率的提升。

3.6. 液气比的优化窗口

液气比为6.90 L/m³时能耗最低（1.708 kW_th/kg CO₂），偏离此值均导致能耗上升，揭示溶剂循环量与传质效率的平衡点。

3.7. RPB电耗的微不足道性

RPB电机功耗仅0.020–0.048 kW，不足系统总能耗的2%，凸显其节能优势。

3.8. CO₂负载与循环容量的化学基础

70 wt% MEA的贫液负载低至0.267 mol/mol，循环容量达0.164 mol/mol，高浓度溶剂有效提升工作容量。

结论与意义

本研究通过实验验证了RPB耦合高浓度MEA的协同强化机制：超重力环境克服了高粘度溶剂的质量传递限制，而高浓度溶剂减少了循环量，最终实现再生能耗降低与设备小型化。RPB的电耗可忽略不计，彻底改变了“碳捕集等于高能耗”的传统认知。该工作为工业级碳捕集系统提供了关键设计参数，并为CO₂资源化利用（CCU）链条的低成本化奠定了技术基础。未来需进一步研究长期运行中高浓度胺液的腐蚀性问题，以及RPB在真实烟气条件下的规模化稳定性。