本發(fā)明涉及化學(xué)吸收法捕集二氧化碳的，具體涉及一種用于捕集二氧化碳的胺類少水吸收劑及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、co2的大量排放是造成溫室效應(yīng)加劇的關(guān)鍵原因。我國(guó)作為碳排放大國(guó)，要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、保障國(guó)家能源安全、建設(shè)能源強(qiáng)國(guó)，就要控制碳排放。在眾多co2減排技術(shù)路線中，co2捕集、利用和封存被認(rèn)為是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)不可缺少的技術(shù)路線，對(duì)于實(shí)現(xiàn)2070年全球凈零排放減排至關(guān)重要。

2、化學(xué)吸收法是目前碳捕集技術(shù)中最成熟和最具大規(guī)模應(yīng)用潛力的技術(shù)。其中，胺類吸收劑是最典型并且被廣泛研究的均相吸收劑類型，其最大優(yōu)勢(shì)是可直接在已有co2捕集裝置中運(yùn)行，而不需要進(jìn)行工藝改造，大大降低了系統(tǒng)工藝成本。

3、cn116139657a公開(kāi)了一種用于二氧化碳捕集的胺類非水吸收劑，其組成物及質(zhì)量百分比為主吸收劑20~30%、助吸收劑3~9%、其余為復(fù)合溶劑；其中，復(fù)合溶劑由多元醇和有機(jī)醇醚混合組成，多元醇與有機(jī)醇醚的質(zhì)量比為（2~5）:（5~2）。其中主吸收劑為n-(2-羥乙基)乙二胺、n-氨乙基哌嗪、二乙烯三胺中的一種或多種；助吸收劑為2-氨基-2-甲基-1-丙醇和/或哌嗪。復(fù)合溶劑中的多元醇為乙二醇、二甘醇、丙三醇中的一種，有機(jī)醇醚為乙二醇單甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇單丙醚中的一種。然而，使用非水溶劑吸收劑進(jìn)行co2捕集雖然可以降低溶劑揮發(fā)性、腐蝕性和再生能耗，但仍然存在再生能耗較高的問(wèn)題，這可能會(huì)限制其在工業(yè)應(yīng)用中的推廣。

4、cn110448993a公開(kāi)了一種用于捕集二氧化碳的有機(jī)胺類少水吸收劑，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，有機(jī)胺類少水吸收劑包括鏈?zhǔn)诫p胺30％-55％、輔助溶劑40％-67％和水2％-15％，有機(jī)胺類少水吸收劑的主劑為n,n-二甲基乙二胺或n,n-二甲基丙二胺或兩者的組合，輔助溶劑為n-甲基吡咯烷酮。盡管該吸收劑由于其特有的“少水”特性，能夠大幅降低水的顯熱及潛熱能耗，從而達(dá)到降低運(yùn)行能耗的目的，但仍存在循環(huán)穩(wěn)定性差和再生能耗相對(duì)較高等缺點(diǎn)。

5、cn110152454a公開(kāi)了一種由2-氨基-2-甲基-1-丙醇、羥乙基乙二胺以及n-甲基吡咯烷酮三者混合而成的三元非水相吸收體系，用于吸收純co2或混合氣體中體積分?jǐn)?shù)為5～20％的co2；此三元體系中，2-氨基-2-甲基-1-丙醇與羥乙基乙二胺的摩爾比為4～6:1，余量為n-甲基吡咯烷酮，且2-氨基-2-甲基-1-丙醇的濃度為1～3mol/l。該吸收劑具有良好的吸收性能和優(yōu)越的傳質(zhì)性能，但使用的有機(jī)胺和有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)太低，大大降低吸收劑的穩(wěn)定性，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)造成一定的成本損失。

6、傳統(tǒng)的二氧化碳捕集方法，其再生能耗高和高粘度等特性問(wèn)題成為了工業(yè)上大規(guī)模使用的限制因素。再生能耗高意味著在吸收劑再生過(guò)程中需要消耗大量的能量，增加了整個(gè)碳捕集過(guò)程的能耗成本；而高粘度則可能導(dǎo)致吸收劑在系統(tǒng)中的流動(dòng)性能下降，影響吸收效率，甚至可能引發(fā)設(shè)備堵塞等問(wèn)題，增大了胺類吸收劑再生過(guò)程中的能耗和經(jīng)濟(jì)成本，不適用于工業(yè)煙氣、燃煤電廠的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。因此，克服現(xiàn)有胺類吸收劑的解吸難、再生能耗高及粘度高等技術(shù)壁壘，是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于捕集二氧化碳的胺類少水吸收劑。通過(guò)溶劑效應(yīng)因子公式篩選并優(yōu)化少水吸收劑的組成，從而確定出特定的吸收劑主劑和輔助溶劑，得到具有易解吸、再生能耗低及粘度特性低的胺類少水吸收劑，推動(dòng)了其在碳捕集技術(shù)中的廣泛應(yīng)用。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供一種用于捕集二氧化碳的胺類少水吸收劑，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述胺類少水吸收劑包含20%~50%的吸收劑主劑，35%~70%的輔助溶劑和2%~20%的水，所述胺類少水吸收劑的溶劑效應(yīng)因子δ的范圍為0.28~0.32，所述溶劑效應(yīng)因子滿足如下公式1和公式2：

4、；

5、；

6、其中， i表示為n、m和h2o中的任何一種；

7、n表示為吸收劑主劑，nx表示為第x種吸收劑主劑，其中x為大于零的整數(shù)，所述吸收劑主劑為一種或兩種以上的任意混合；

8、m表示為輔助溶劑，my表示為第y種輔助溶劑，其中y為大于零的整數(shù)，所述輔助溶劑為一種或兩種以上的任意混合；

9、各自表示所述吸收劑主劑n1、n2、、nx的密度（即在配制成胺類少水吸收劑之前，吸收劑主劑的自身密度），單位為g/l；

10、分別表示所述輔助溶劑m1、m2、、mx的密度（即在配制成胺類少水吸收劑之前，輔助溶劑的自身密度），單位為g/l；

11、表示為水的密度，單位為g/l；

12、表示為所有吸收劑主劑、輔助溶劑和水的密度相加之和；

13、表示公式1的結(jié)果，單位為l/g，其中，基于 i分別為n、m或h2o時(shí)，分別為、、，其中，以所述胺類少水吸收劑質(zhì)量為基準(zhǔn)，為吸收劑主劑的質(zhì)量百分比、為輔助溶劑的質(zhì)量百分比，為水的質(zhì)量百分比，基于公式1分別計(jì)算得到、；

14、 ρ總為所述胺類少水吸收劑的密度，單位為g/l；

15、δ為所述胺類少水吸收劑的溶劑效應(yīng)因子。

16、進(jìn)一步地，所述胺類少水吸收劑的粘度8~10?mpa·s。

17、進(jìn)一步地，所述所述胺類少水吸收劑的co2吸收負(fù)荷為2.70-2.90?mol/kg，co2解吸負(fù)荷為2.25-2.40?mol/kg，再生效率為80-86%。

18、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述胺類少水吸收劑的co2吸收負(fù)荷為2.75-2.85?mol/kg，co2解吸負(fù)荷為2.29-2.36?mol/kg，再生效率為82-84%。

19、進(jìn)一步，所述鏈?zhǔn)诫p胺選自以下的至少一種：

20、

21、進(jìn)一步地，所述輔助溶劑選自以下的至少一種：

22、

23、本發(fā)明還提供一種前述胺類少水吸收劑的應(yīng)用，所述應(yīng)用包含將所述胺類少水吸收劑用于捕集二氧化碳，包括如下步驟：

24、1）配制胺類少水吸收劑：

25、將輔助溶劑與水溶于吸收劑主劑中并攪拌至均相，得到所述有機(jī)胺類少水吸收劑；

26、2）檢查裝置氣密性和穩(wěn)定性：

27、在吸收瓶空載條件下，打開(kāi)二氧化碳鋼瓶閥門(mén)經(jīng)減壓閥釋放co2，通過(guò)質(zhì)量流量控制器和氣體質(zhì)量流量計(jì)設(shè)定二氧化碳的進(jìn)口流量，隨后用皂膜流量計(jì)測(cè)量二氧化碳的出口流量；

28、3）關(guān)閉二氧化碳進(jìn)氣，打開(kāi)集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，水浴加熱至二氧化碳的吸收溫度；

29、4）待所述吸收溫度恒定后，稱量所述胺類少水吸收劑置于所述吸收瓶，再將所述吸收瓶置于所述集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中恒溫加熱；

30、5）打開(kāi)二氧化碳進(jìn)氣通入盛有所述胺類少水吸收劑的吸收瓶中，開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔一段時(shí)間記錄一次二氧化碳的出口流量，吸收完成后，得到二氧化碳富液。

31、進(jìn)一步地，步驟1）中，所述攪拌的時(shí)間為1~2h。

32、進(jìn)一步地，步驟2）中，釋放所述co2的體積濃度為99.99%。

33、進(jìn)一步地，步驟2）中，所述二氧化碳的進(jìn)口流量設(shè)定為100~140?ml/min。

34、進(jìn)一步地，步驟2）中，所述二氧化碳的出口流量設(shè)定為100~140?ml/min。

35、進(jìn)一步地，步驟3）中，所述集熱式恒溫加熱磁力攪拌器吸的轉(zhuǎn)速設(shè)定為100~140rpm。

36、進(jìn)一步地，步驟3）中，所述吸收溫度為303~323k。

37、進(jìn)一步地，步驟4）中，所述恒溫加熱的溫度與步驟3）的吸收溫度相同。

38、進(jìn)一步地，步驟5）中，通入所述吸收瓶的二氧化碳流量為100~140?ml/min。

39、進(jìn)一步地，步驟5）中，每0、5、10、20、30、40、50以及60min分別取樣，記錄二氧化碳的出口流量。

40、進(jìn)一步地，步驟5）中，二氧化碳的氣體恒溫通過(guò)載氣鋼管部分盤(pán)旋在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中來(lái)實(shí)現(xiàn)；

41、進(jìn)一步地，所述應(yīng)用還包含將完成二氧化碳捕集后的胺類少水吸收劑進(jìn)行解吸，包括如下步驟：

42、a）將集熱式恒溫加熱磁力攪拌器的溫度設(shè)定為解吸溫度；

43、b）待解吸溫度恒定后，將完成二氧化碳捕集后的胺類少水吸收劑協(xié)同解吸瓶置于油浴中，調(diào)節(jié)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速至預(yù)設(shè)速度，開(kāi)始計(jì)時(shí)；

44、c）解吸開(kāi)始后，先用注射器收集尾氣，稀釋后用色譜檢測(cè)，確定尾氣為co2；

45、d）每隔一段時(shí)間記錄一次出口流量，解吸完成后，得到co2貧液。

46、進(jìn)一步地，步驟a）中，所述解吸溫度為373~393?k。

47、進(jìn)一步地，步驟b）中，所述轉(zhuǎn)速為100~140?rpm。

48、進(jìn)一步地，步驟c）中，所述注射器的容量為100?ml。

49、進(jìn)一步地，步驟d）中，所述解吸時(shí)間為60~80?min。

50、本發(fā)明的有益效果在于：

51、（1）本發(fā)明的溶劑效應(yīng)因子δ是一個(gè)可以綜合體現(xiàn)胺類少水吸收劑的組分密度、組分濃度等條件的綜合評(píng)價(jià)代表指標(biāo)，能夠綜合評(píng)價(jià)胺類少水吸收劑的二氧化碳吸收性能，包括其化學(xué)反應(yīng)性、吸收容量、物理性質(zhì)、熱穩(wěn)定性、再生能力和選擇性。本發(fā)明經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獨(dú)創(chuàng)性地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶劑效應(yīng)因子δ在0.28~0.32范圍內(nèi)時(shí)，所述胺類少水吸收劑與二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)速率高，能夠迅速捕捉二氧化碳，單位質(zhì)量或體積的吸收劑能夠吸收更多的二氧化碳，并且由于其粘度低，有助于提高co2的吸附效率，而且具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和再生能力。

52、2）可控性強(qiáng)，吸收容量大：本發(fā)明將胺類少水吸收劑粘度因子δ控制在0.28~0.32，通過(guò)特定的篩選公式，優(yōu)化胺類少水吸收劑的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，可以增加與co2的反應(yīng)速率和反應(yīng)程度，從而更有效地捕捉和固定co2。在最佳操作條件下，所述胺類少水吸收劑的co2吸收負(fù)荷可達(dá)2.83?mol/kg，co2解吸負(fù)荷為2.34?mol/kg，再生效率為83.57%；吸收和解吸循環(huán)4次，所述胺類少水吸收劑每次解吸負(fù)荷都穩(wěn)定在2.00?mol/kg以上，再生效率在80%以上。

53、3）運(yùn)行能耗低，適應(yīng)范圍廣：傳統(tǒng)的co2捕集方法，如液體胺溶液吸收法，需要大量的水和能量來(lái)再生吸收劑。少水吸收劑設(shè)計(jì)減少了水的使用量，從而降低了再生過(guò)程中所需的能量和成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。少水吸收劑可以在更多的應(yīng)用場(chǎng)景中使用，如燃煤電廠、天然氣處理、工業(yè)煙氣處理等。它們可以適應(yīng)不同的co2捕集需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

54、4）循環(huán)穩(wěn)定好，粘度低：本發(fā)明添加的輔助溶劑為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)溶劑，因此不參與后續(xù)降解反應(yīng)，胺類少水吸收劑的熱化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，多次循環(huán)后吸收劑仍保持良好的捕集效果。同時(shí)，所述胺類少水吸收劑的低粘度不僅有助于提高二氧化碳的擴(kuò)散速率和反應(yīng)速度，還能增強(qiáng)傳質(zhì)性能、減少能量消耗、改進(jìn)設(shè)備性能、優(yōu)化操作條件、提高反應(yīng)速度以及減少副產(chǎn)物生成。

55、5）本發(fā)明開(kāi)創(chuàng)性地提出了一種構(gòu)建溶劑效應(yīng)因子計(jì)算公式的創(chuàng)新方法，旨在精準(zhǔn)篩選并優(yōu)化胺類少水吸收劑配方，這一突破性的技術(shù)路徑在現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中是前所未有的，充分彰顯了本發(fā)明的獨(dú)特創(chuàng)造性和不可預(yù)測(cè)的先進(jìn)性。通過(guò)該公式的精細(xì)計(jì)算，我們能夠深入解析不同少水吸收劑配方對(duì)吸收性能的影響機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸收劑配方的科學(xué)定制與優(yōu)化，為高效、環(huán)保的胺類吸收劑開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了全新的方向。