火电厂烟气二氧化碳化学吸收溶液性能测试技术规范-征求意见稿

DL/TXXX—XXXXI火电厂烟气二氧化碳化学吸收溶液性能测试技术规范范围本文件规定了火电厂烟气二氧化碳胺基均相化学吸收溶液CO2负荷、总胺浓度、发泡性能、热降解性能、氧化降解性能、吸收速率、气液平衡、主要物性和反应热的测试方法以及数据处理方法。本文件适用于火电厂二氧化碳胺基均相化学吸收溶液性能测试。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T261闪点的测定宾斯基-马丁闭口杯法GB/T510石油产品凝点测定法GB/T4472化工产品密度相对密度的测定GB/T9725化学试剂电位滴定法通则GB/T10247粘度测量方法GB/T13216甘油试验方法GB/T22588闪光法测量热扩散系数或导热系数GB/T27842化学品动态表面张力的测定快速气泡法NB/SH/T0632比热容的测定差示扫描量热法SY/T6538配方型选择性脱硫溶剂术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1 吸收溶液absorptionsolution能够从烟气中脱除二氧化碳气体的胺基均相液体。3.2 液相二氧化碳负荷carbondioxideloading一定量的吸收溶液所吸收的二氧化碳的量。以单位吸收溶液吸收二氧化碳的量计，其单位为mol/mol。3.3总胺浓度totalamineconcentration一定量的吸收溶液中胺的总量。以单位吸收溶液中胺的量计，其单位为mol/L。3.4热降解thermaldegradation在捕集二氧化碳过程中吸收溶液组分之间在较高温度（≥100℃）下运行发生不可逆化学反应，同时生成稳定性物质的过程。3.5氧化降解oxidativedegradation在捕集二氧化碳的过程中吸收溶液与烟气中O2、SOx等杂质分子发生不可逆化学反应，同时生成稳定性物质的过程。3.6 吸收速率absorptionrate单位时间内，吸收过程引起的二氧化碳的量变化。吸收速率可用液相传质系数表征，即单位时间、单位传质面积、单位驱动力下的气相传质的量，单位用mol·s-1·m-2·Pa-1表示。3.7 平衡负荷saturatedloading气液相热力学平衡状态下，吸收溶液在对应温度和压力下稳定的二氧化碳负荷。3.8 反应热heatofreactions由吸收/解吸过程引起的吸收溶液热焓变化。通常以单位反应二氧化碳的热焓表示，即kJ/molCO2。测试内容及要求4.1 吸收溶液的性能测试内容包括但不限于吸收溶液负荷、总胺浓度、发泡性能、热降解性能、氧化降解性能、气液相平衡测试（包括二氧化碳平衡负荷和溶质挥发性）、吸收速率、物性（密度、粘度、比热容等）、反应热等。4.2 测试前应准备好测试工具、试剂，完成仪器校准和气密性检查，按照测试步骤或仪器操作规程完成测试。4.3测试使用的气体纯度不宜低于99%。4.4 计算测试结果应重复测量3次取平均值。吸收溶液CO2负荷测试5.1试剂和材料硫酸溶液，质量分数为40%。5.2仪器及使用工具5.2.1移液枪，精度不低于±5%。5.2.2反应瓶，总容积宜为（20~50）ml，内室容积宜大于2ml。5.2.3量气管，总刻度宜大于30ml，最小刻度值宜小于等于0.1ml。5.2.4水位瓶，容量宜大于200ml。5.3装置吸收溶液CO2负荷测试装置如图1所示，由反应瓶、量气管和水位瓶使用连通管顺次相连。其中反应瓶分为内外两室，可以通过倾斜瓶体混合两室液体。反应瓶的瓶盖有通孔与连通管相连，便于拆卸。图1吸收溶液CO2负荷测试装置组成和测试示意图5.4测试步骤5.4.1用移液枪量取V（mL）的吸收溶液放入反应瓶外室。5.4.2用移液枪量取过量的硫酸溶液放入反应瓶内室，硫酸溶液的量应大于吸收溶液的量。5.4.3盖上反应瓶，使反应瓶内通过连接管与量气管的顶端连通。5.4.4持高水位瓶，使之与量气筒内液位持平，待液位稳定时，记下刻度V1（mL）。5.4.5缓慢倾倒反应瓶，使稀硫酸从内室流到外室，与待测样品反应，调整水位瓶的高度，使之与量气管中液位持平，待液位稳定时，记下刻度V2（mL），同时记下室温Tr（K）和压力Pr（KPa）。吸收溶液总胺浓度测试6.1吸收溶液总胺浓度测试电位滴定法按GB/T9725中的要求执行。6.2吸收溶液总胺浓度测试酸碱滴定法按GB/T13216中的要求执行。吸收溶液发泡性能测试吸收溶液发泡性能测试按照SY/T6538中附录A的要求执行。吸收溶液热降解性能测试8.1试剂和材料8.1.1CO2气体。8.2仪器及使用工具8.2.1水热合成反应釜，装液容量不应低于20mL，最大耐热温度不应低于280℃，最大耐受压力不应低于3MPa。8.2.2烘箱，控温精度不应低于±0.1℃，最大加热温度不应低于180℃，烘箱内温差不应高于2.5℃。8.2.3阳离子色谱，测量准确度不应低于0.1ppm。8.2.4精密分析天平，质量测量精度不应低于±0.1%，最小读数不应高于0.1mg。8.3装置热降解实验所用的水热合成反应釜具体结构如图2所示，包括釜盖和釜体、可调节压块、四氟压盖、四氟釜体以及垫片，以及用于拧紧密封的握力棒。图2水热合成反应釜示意图8.4测试步骤8.4.1将所有水热合成反应釜进行编号，记录每个编号对应的降解温度以及取样时间。8.4.2向四氟釜体中加入不少于15mL的吸收溶液并测试胺浓度c0（mol/L）8.4.3将所有的水热合成反应釜放入烘箱中，设定对应的反应温度，反应温度范围应为（100~140）℃。8.4.4当实验时间进行到2天、4天、7天、10天、14天时进行取样，冷却后取出2个5ml液体样品并测试胺浓度c（mol/L），为保证热降解实验的密闭性，取出后反应釜不再放回。8.4.5取样重复步骤8.4.4直至14天反应结束。吸收溶液氧化降解性能测试9.1试剂和材料9.1.1O2气体。9.1.2CO2气体。9.2仪器及使用工具9.2.1氧化降解实验装置，应具有搅拌和控温控压功能，最大耐温不应低于200℃，最大耐压不应低于2Mpa，压力控制精度不应低于±0.1kpa，温度控制精度不应低于±0.1℃。9.2.2阳离子色谱，测量准确度不应低于0.1ppm。9.2.3精密分析天平，质量测量精度不应低于±0.1%，最小读数不应高于0.1mg。9.3装置氧化降解实验装置具体结构如图3所示，包括进气口、排气口、取液口和不锈钢储液罐。不锈钢储液罐的容量不应低于500mL，其底部放置转子并配有磁力搅拌，不锈钢储液罐外部套有电加热套，其内伸入热电偶并配有温度控制模块以设定反应温度，罐内接有压力表以读取罐内气压。图3氧化降解反应器结构示意图9.4测试步骤9.4.1将不少于300ml吸收溶液放入氧化降解实验装置的不锈钢储液罐中，留5ml空白样并测试胺浓度c0（mol/L），打开进气口、排气口通O29.4.2关闭进气口、排气口，开启磁力搅拌，搅拌速度不应低于500rpm。9.4.3启温度控制模块并设定反应温度，反应温度不应低于40℃，并等待温度稳定。9.4.4打开进气口通入O2，待不锈钢储液罐内气压达到设定值（不应低于0.5Mpa，不应高于1.5Mpa）后，关闭进气口。9.4.5取液间隔（2天，4天，1周，2周，3周，4周），每次进行取液时，打开取液口，取2个5ml液体样品并测试胺浓度c（9.4.6取液完成后，关闭取液口，随后打开进气口，补充O2至不锈钢储液罐内气压达到步骤9.4.4中的设定值后，关闭进气口。9.4.7重复步骤9.4.5~9.4.6直至4周反应结束。吸收溶液吸收速率测试10.1吸收溶液吸收速率测试可使用湿壁塔法、层流喷射吸收器法、停流法和搅拌槽式法等。10.2吸收溶液吸收速率测试的温度应在（40~60）℃。10.3湿璧塔法测试吸收溶液吸收速率见附录A。吸收溶液气液平衡测试11.1吸收溶液气液平衡测试可使用平衡反应釜法、循环通过法和鼓泡瓶法等。11.2平衡反应釜法测试吸收溶液气液平衡见附录B。吸收溶液主要物性测试12.1吸收溶液的主要物性包括但不限于密度、粘度、闪点、凝固点、比热容、热导率、表面张力等。12.2吸收溶液密度测试按照GB/T4472的要求执行。12.3吸收溶液粘度测试按照GB/T10247的要求执行。12.4吸收溶液闪点测试按照GB/T261的要求执行。12.5吸收溶液凝固点测试按照GB/T510的要求执行。12.6吸收溶液比热容测试按照NB/SH/T0632的要求执行。12.7吸收溶液导热系数测试按照GB/T22588的要求执行。12.8吸收溶液表面张力测试按照GB/T27842的要求执行。吸收溶液反应热测试13.1试剂和材料13.1.1N2气体。13.1.2CO2气体。13.2仪器及使用工具13.2.1量热仪，宜具有等温扫描功能。热流测量精度不应低于±0.01W，温度测量精度不应低于±0.1K。13.2.2伴热管，精度不应低于±1℃。13.2.3气体流量控制器，流量测量精度不应低于±0.2%。13.2.4吸收溶液控制器，流量测量精度不应低于±0.2%。13.2.5反应器，应具有搅拌功能，24小时内平衡压力变化应小于0.5%。13.3装置用于测量吸收溶液反应热测试的实验装置示意图如图4所示。包括CO2储气罐、气体流量控制器、量热仪、反应器、吸收溶液储罐、吸收溶液控制器和数据监测与记录仪等。图4吸收溶液反应热测试装置示意图13.4测试步骤13.4.1利用真空或者惰性气体对反应器进行脱气处理，待实验系统达到稳定（至少5分钟内反应器温度变化小于0.5K、热流变化小于3%）。13.4.2将Vl（m3）体积的待测吸收溶液加入吸收溶液储罐，通过吸收溶液控制器，加入到V（m3）体积的反应器中，待实验系统达到设定温度（温度变化应小于0.5K）。13.4.3将储气罐中的CO2气体加入反应器中，并计入加入的CO2气体的量nin（mol），CO2气体在加入到反应器之前，应通过伴热管进行恒温处理。13.4.4在加入CO2气体后，待系统达到稳定（至少5分钟内反应器温度变化小于0.5K、热流变化小于3%）。对量热仪的热流信号进行积分计算出热量Q（kJ）。13.4.5记录反应器的温度T（K）和气相CO2分压PCO2（Pa）。13.4.6重复11.4.4与11.4.5的测试步骤。数据处理14.1吸收溶液负荷计算吸收溶液的负荷按照式（1）计算：α=V2−式中：α——是吸收溶液的CO2吸收负荷，mol/mol；V——待测吸收溶液的量，ml：V1——吸收溶液与硫酸反应前量气筒液位，ml：V2——吸收溶液与硫酸反应后量气筒液位，ml：Cl——吸收溶液摩尔浓度，mol/LTr——测试时室温，K；Pr——测试时压力，KPa。14.2吸收溶液循环负荷计算反应器内吸收溶液与CO2反应的量按照式（2）计算：αcycle=αrich式中，αcycle——吸收溶液循环负荷，mol/molαrich——吸收溶液富液负荷，富液应在再生塔底部出口取样，mol/molαlean——吸收溶液贫液负荷，贫液应在吸收塔底部出口取样，mol14.3吸收溶液热降解率计算采用阳离子色谱对降解实验中取得的液相样品进行分析测试，得到各个取样时间下吸收剂溶液的胺浓度，其热降解率按照式（3）计算：DRℎ=c0式中：DRℎ——c0——吸收剂溶液第0天的初始胺浓度，wt%c——吸收剂溶液一定降解时间间隔后的胺浓度，wt%。14.4吸收溶液氧化降解率计算采用阳离子色谱对降解实验中取得的液相样品进行分析测试，得到各个取样时间下吸收剂溶液的胺浓度，其氧化降解率）按照式（4）计算：DRo=c0式中：DRo——c0——吸收剂溶液第0天的初始胺浓度，wt%c——吸收剂溶液一定降解时间间隔后的胺浓度，wt%。14.5吸收溶液反应热计算反应器内吸收溶液与CO2反应的量按照式（5）计算：…………（5）式中，nin——通过气体流量控制器加入反应器的CO2气体的量，mol；PCO2——系统稳定时反应器的气相CO2分压，Pa；V——反应器的体积，m3；Vl——系统稳定时反应器的液相体积，m3；T——系统稳定时反应器的温度，K；R——通用气体常数。吸收溶液的反应热按照式（6）计算：∆Habs=Q式中：∆Habs——吸收溶液的反应热，kJ/Q——在给定条件下每次进行吸收测量时由真热流反应量热计测量的热流数值的积分，kJ；nco2——通过气体流量控制器加入反应器的CO2实验报告依据本文件编写的试验报告至少应包括以下内容：（a）测试报告封面：产品名称、委托类型、委托单位、测试单位等基本信息；（b）测试报告正文部分，至少应包括以下内容：（1）委托单位的详细信息，如委托单位名称、委托单位详细地址；（2）测试单位的详细信息，如测试单位名称、测试单位详细地址（3）测试日期，如委托日期，测试起止日期；（4）测试项目/参数；（5）测试依据标准；（6）测试使用仪器详细信息，如仪器设备名称、仪器设备校验有效日期等信息；（7）结论；（8）相关测试人员信息，如测试人员、审核人员、签发人员及签发日期等必要信息。（c）附加必要信息至少应包括以下内容：（1）测试原始数据，原始数据记录表见附录C；（2）其他。

附录A（资料性附录）吸收溶液吸收速率测试湿璧塔装置法A.1试剂和材料A.1.1CO2气体。A.1.2N2气体。A.2仪器及使用工具A.2.1湿壁塔反应器，气液接触面积宜为（20~80）cm2。A.2.2反应器恒温罩，油浴温度范围宜为（30~120）℃。A.2.3伴热管，加热控制温度宜为（100~150）℃。A.2.4齿轮泵，流量宜为（100~500）ml/min。A.2.5压力表，控制精度不应低于±0.1%。A.2.6恒温水浴，控制精度不应低于±0.1℃。A.2.7湿饱和器。A.2.8CO2分析仪，测量精度不应低于±0.4%。A.2.9气体质量流量计与控制器。A.2.10溶液罐，容积不应低于10分钟吸收溶液流量。A.3装置湿壁塔反应装置如图A.1所示。湿壁塔反应装置为圆柱形密闭腔体，吸收溶液从湿壁塔反应器底部的圆柱形通道进入，从顶部溢出，沿外壁面形成均匀的液膜流下，而后从湿壁塔底部流出，经管路流回溶液罐，湿壁塔整个反应装置通过水浴或油浴罩维持温度恒定。恒定浓度N2和CO2气体混合后通入恒温水浴中，使气体处于湿饱和状态，而后进入湿壁塔与自上而下的吸收溶液逆向接触，发生吸收反应，顶部出口气CO2浓度经过伴热后由红外分析仪测定。图A.1吸收溶液吸收速率测试装置示意图A.4测试步骤A.4.1将吸收溶液加入溶液罐。A.4.2开启湿饱和器与湿壁塔恒温加热与循环，开启溶液罐加热。A.4.3待湿饱和器，湿壁塔与溶液罐达到设定温度后，吸收溶液通过齿轮泵送入湿壁塔，流量为（100~500）ml/min。A.4.4气体流量（CO2、N2）由质量流量控制器控制，并进行CO2浓度调节（由需测试气体确定），标准状态下气体体积流量应为液体的10-40倍，CO2与N2的混合气先通过水饱和器，然后进入湿壁塔装置，通过气体质量流量计设定值计算并记录湿壁塔进气干基流量Qgasin（L/s）和湿壁塔进口气干基CO2分压Pin（A.4.5通过CO2红外气体分析仪读取CO2浓度并计算出湿壁塔出口气干基CO2分压Pout（Pa），待出口CO2浓度5min内相对波动小于±3%时，记录5min，取平均值，计算总传质系数KGA.4.6改变初始吸收溶液负荷，重复上述步骤，获得多个吸收溶液的总传质系数-平衡分压数据点。A.5二氧化碳吸收溶液吸收速率计算吸收溶液的吸收通量按照式（A.1）计算：NCO2=Q式中:NCO2——吸收通量，mol·s-1·mP——湿壁塔内压力，Pa；Pin——湿壁塔进口气干基CO2Pout——湿壁塔出口气干基CO2Qgasin——湿壁塔进气干基流量，VM——A——湿壁塔的气液接触面积，m2。CO2平均传质的压差按照式（A.2）计算：Pd=(P式中：Pd——CO2平均传质的压差，PCO2∗——吸收溶液CO2Pin——湿壁塔进口气干基CO2Pout——湿壁塔出口气干基CO2分压，Pa吸收溶液的总传质系数按照式（A.3）计算：KG=NCO式中:KG——总传质系数，mol·s-1·m-2·Pa-1NCO2——吸收通量，mol·s-1·mPd——CO2平均传质的压差，附录B（资料性附录）吸收溶液气液平衡测试平衡反应釜法B.1试剂和材料B.1.1N2气体。B.1.2CO2气体。B.1.3N2O气体。B.2仪器及使用工具B.2.1平衡反应釜，容积不宜小于100ml。B.2.2加热保温套，温度范围宜为（40~100）℃。B.2.3压力表，精度不应低于±0.04%。B.2.4热电阻，精度不应低于±0.1℃。B.2.5气体缓冲罐，容积应为平衡反应釜容积的1-2倍。B.2.6磁力搅拌装置。B.3装置平衡反应釜法测试吸收溶液气液平衡装置如图B.1所示。装置由气瓶、气体缓冲罐和平衡反应釜顺次连接而成，连接管路配置阀门，气瓶通过质量流量计控制进气流量，气体缓冲罐和平衡反应釜都配置温度压力传感器，平衡反应釜配置磁力搅拌器和保温加热套。图B.1吸收溶液气液平衡测试系统组成示意图B.4测试步骤B.4.1记录气体缓冲罐容积Vg（ml）和平衡反应釜容积Vr（ml）B.4.2通过真空泵将平衡反应釜和气体缓冲罐抽成真空（<10Pa），关闭排气阀。B.4.3记录倒吸入平衡反应釜内吸收溶液体积Vs。开启磁力搅拌，待反应釜内温度稳定（温度波动在±0.1℃以内且压力波动在±0.1%以内）5min后，记录此时吸收溶液在该温度下T的平衡压力P0（Pa）。B.4.4向气体缓冲罐中加一定压力CO2，记录气体缓冲罐压力P1（Pa）和温度T1（K）。B.4.5打开平衡反应釜的进气阀门，使气体缓冲罐向反应釜流入一定量气体，关闭进气阀，待气体缓冲罐温度稳定（温度波动在±0.1℃以内且压力波动在±0.1%以内）2min以后，记录压力P2（Pa）和温度T2（K）数值。B.4.6待反应釜内温度稳定（温度波动在±0.1℃以内且压力波动在±0.1%以内）5min后，记录压力P3（Pa）和温度T3（K）数值，实验结束。B.4.7计算出吸收溶液在该温度T3下的平衡CO2负荷和对应的平衡分压。B.4.8调节平衡反应釜压力和温度，可以得到吸收溶液在不同温度和压力下的平衡CO2负荷和对应的平衡分压。B.5吸收溶液气液平衡计算平衡反应釜中总CO2摩尔质量按照式（B.1）计算：ntotalCO2=式中：ntotalCO2——平衡反应釜的中总COP1——P2——T1——气体缓冲罐的初始温度，KT2——气体缓冲罐的终点温度，KR——理想气体常数；ZiVg——平衡反应釜的中气态CO2摩尔质量按照式（B.2）计算：ngasCO2=(式中：ngasCO2——平衡反应釜的