MEA与CESAR-1在碳捕集过程中杂质去除性能的比较

作者: Jon Gibbins

中英（广东）CCUS中心副主任、英国碳捕集与封存研究团体联盟主任、谢菲尔德大学碳捕集与封存教授

引言：为什么关注杂质去除？

在碳捕集与封存技术体系中，燃烧后二氧化碳捕集（Post Combustion Capture, PCC）是一项重要的技术手段，其溶剂的选择与管理直接关乎系统的运行效率与长期稳定性。本文将对比两种常用碳捕集溶剂——单乙醇胺（MEA）和混合溶剂CESAR-1（含哌嗪和氨基甲基丙醇）——在热回收过程中的杂质去除效果，并探讨其对工业应用的影响。

TCM技术中心测试：MEA与CESAR-1热回收性能对比及其对效率的影响

MEA和CESAR-1均已在挪威蒙斯塔技术中心（Technology Centre Mongstad, TCM）进行了热回收测试。这些测试基于相同的设备配置和相似的操作条件，构成了当前公开领域内关于这两种溶剂热回收表现的主要数据来源。在TCM的测试条件下，热回收器（如图1所示）在碳捕集设施运行期间被启用一段时间，随后停止并清空残留物。此过程模拟了实际工业环境中溶剂循环使用时的杂质去除机制。

图1 TCM技术中心热回收装置

表1展示了TCM技术中心针对MEA和CESAR-1的热回收数据及估计的去除选择性。以下是具体分析：

表1 TCM技术中心热回收数据和估计的去除选择性

注： a.“R/V”表示通过回收装置的溶剂总流量（R）与溶剂库存体积（V）的比值。

b. 表观去除选择性的计算公式及方法详见文末的原文文章链接

从上述数据可以看出，MEA在热回收过程中表现出极高的杂质去除选择性，几乎所有类别的杂质均可被有效去除，且几乎没有杂质随蒸汽回流至碳捕集系统。相比之下，CESAR-1在两次回收运行中，不可去除的组分比例分别为15.1%和17.1%（降解产物）、3.9%和6.0%（金属），以及稳定的10%（热稳定盐）。这表明某些杂质可能在回收过程中未被有效去除或进一步降解，从而随着时间推移逐渐积累，影响长期运行的稳定性。

尽管这些实验数据为理解溶剂热回收行为提供了重要参考，但将其直接应用于商业化工厂仍存在显著局限性，主要包括以下几点：

1.烟气成分的影响：不同工厂的燃烧烟气成分各异，导致杂质种类和含量存在显著差异。

2.工厂的运行方式：每个工厂的运行模式和工艺参数均有所差异，因此实验数据可能无法直接适用于所有工厂。

3.测试时间不足：商业PCC装置通常每年运行约8000小时，连续运行周期可达一年甚至更长，使用寿命超过十年。相比之下，TCM的实验仅持续数千小时，远不足以预测实际工厂的长期运行趋势。为了得出更准确的结论，并评估这些结果对实际工厂运行的影响，需要进行更具代表性的长期试验，持续 12-24 个月。

离子交换技术的应用与效果评估

为进一步改善CESAR-1的杂质管理，德国莱茵集团尼德劳森电厂（RWE Niederaussem）碳捕集测试装置引入了离子交换技术进行溶剂清洗。实验结果显示，该技术可显著降低溶剂中的污染物浓度，具体数据见表2。

测试表明，离子交换技术能够有效去除CESAR-1溶剂中的多种杂质，尤其是金属离子和无机盐类，且实验结果与 TCM 热回收实验相似，甚至略有改善（杂质类别有所不同）。然而，即使采用该技术，仍有部分杂质无法完全清除。尽管如此，尼德劳森电厂的长期运行数据（持续超过3年，累计40个月）证明，通过结合离子交换清洗和定期补充新鲜溶剂，CESAR-1溶剂可维持超过三年的稳定运行，这些发现对碳捕集工艺的工业应用具有重要意义。

表2 应用离子交换降低 CESAR-1 溶剂中的杂质浓度

需要注意的是，尼德劳森测试装置的数据具有一定的局限性。例如，该工厂的飞灰被证实对胺类溶剂的降解具有影响，这可能影响CESAR-1溶剂在其他环境条件下的长期稳定性。此外，单一试验工厂的结果可能无法完全代表不同工业场景下的运行情况。

结论

研究表明，MEA溶剂可通过简单的热回收实现极高的杂质去除率，几乎不会在系统中积累杂质，适用于大多数工业应用场景。相比之下，CESAR-1溶剂在短期运行中表现尚可，但约10%的杂质无法通过热回收清除，可能导致长期运行中杂质积累，进而影响系统性能。为解决这一问题，离子交换技术被证明是一种有效的辅助手段，但其成本和复杂性需进一步权衡。

在商业化碳捕集项目中，MEA溶剂的热回收通常采用连续运行方式，以提高溶剂回收效率。工业实践中，热回收设备可将蒸汽排入解吸塔，实现能量的完全回收，同时每周处理相当于整个溶剂库存体积的溶剂，对工厂整体产能的影响较小。虽然离子交换技术也可用于MEA溶剂的清洗，但由于其热回收效率已足够高，离子交换方法可能并非首选方案。

对于CESAR-1溶剂，建议结合热回收与离子交换技术，并辅以定期溶剂排放与补充策略，以控制杂质浓度并延长系统寿命。然而，鉴于现有实验数据主要来源于单一试验工厂，未来应开展更具代表性的长期测试（持续12-24个月），以进一步验证其在不同工业环境中的适用性。

总之，MEA和CESAR-1在杂质去除方面的性能差异显著，其选择需综合考虑技术经济性、运行条件及长期稳定性等多方面因素。

扩展阅读 ：关于 MEA和CESAR-1的能耗比较，在之前的文章中已有对比介绍，文章链接：MEA与CESAR-1溶剂的二氧化碳捕集性能比较

英文原文链接：https://www.linkedin.com/pulse/analysis-tcm-thermal-reclaiming-data-quantifies-limits-jon-gibbins-n26ne/

声明：为增强文章的易读性，文章在英文原文的基础上进行了精简；若希望深入了解，请参阅英文原文。

翻译及编辑：夏菖佑、崔永康

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