现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (9) : 16-22. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.09.004

技术进展

混合胺吸收剂捕集CO₂研究和工业应用现状

宋建文 ¹ ,
杨佳文 ¹ ,
高怡然 ¹ ,
张盼 ¹^,²^,^*

作者信息 +

Research and industrial application status of CO₂ capture by mixed amine absorbents

SONG Jian-wen ¹ ,
YANG Jia-wen ¹ ,
GAO Yi-ran ¹ ,
ZHANG Pan ¹^,²^,^*

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Received		Published
2025-11-24		2026-09-20
Issue Date	Revised Date
2026-09-10	2025-11-24

PDF (3961K)

摘要

系统综述了混合胺吸收剂的作用机理、分类体系的研究现状与性能对比,总结了其在工业示范与商业化项目中的应用进展,并分析了当前面临的技术障碍,旨在为混合胺吸收剂的进一步优化和工业化应用提供参考。

Abstract

This review systematically examines the working mechanisms,classification systems,and performance comparisons of mixed amine absorbents,summarizes their progress in industrial demonstration and commercialization projects,and analyzes current technical barriers,aiming to provide valuable insights for optimizing and advancing the industrial application of mixed amine absorbents.

关键词

混合胺 / 二氧化碳捕集 / 化学吸收法 / 有机胺

Key words

mixed amine / carbon dioxide capture / chemical absorption method / organic amine

引用本文

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宋建文,杨佳文,高怡然,张盼. 混合胺吸收剂捕集CO₂研究和工业应用现状[J]. 现代化工, 2026, 46(9): 16-22 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.09.004

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自工业革命以来,化石燃料的大量消耗使二氧化碳排放持续增加,引发全球气候变暖、海平面上升等严重环境问题。二氧化碳浓度已从工业革命时期的近280×10^-6升至如今的390×10^-6,同期地表平均温度上升约1.1℃^[1]。据国际能源署等机构数据,近年全球二氧化碳排放量达360亿t,其中能源、交通、工业和建筑部门占比显著。随着能源需求增长,若不加以控制,全球平均温度将难以维持在目标范围内,为此各国纷纷出台减碳政策,我国也明确了2030年前碳达峰、2060年前碳中和的双碳战略目标^[2]。

碳减排的主要途径包括提高能源利用率、开发清洁可再生能源及二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)等。其中,CO₂捕集是核心环节,主要有4种技术路线,相关捕集技术种类繁多。溶液吸收法中的化学吸收法因吸收效果好、分离纯度高、反应稳定,成为目前应用最广泛、最成熟的碳捕集技术。

有机胺在化学吸收法中应用广泛,传统单有机胺吸收剂虽有吸收速率快、产物纯度高、成本低且可循环利用等优势,但存在易起泡、降解、再生能耗高等问题,其再生能耗占整个碳捕集成本的70%~80%^[3]。为克服这些缺陷,研究人员开发了混合胺吸收剂,通过复配不同特性的胺类化合物,综合各组分优势,在吸收性能、再生能耗和稳定性等方面效果提升显著。近年来,混合胺吸收剂研究取得显著进展,在多个工业示范项目中展现出良好应用前景。本文中将系统分析不同体系混合胺吸收剂的性能优势,介绍研究进展,总结典型工业应用案例,并探讨未来发展方向与挑战。

1 有机胺吸收法捕集CO₂技术

1.1 胺法捕集CO₂工艺流程

胺法捕集CO₂工艺^[4]主要分为吸收、解吸、再生和压缩4个部分,工艺流程如图1所示。吸收过程中,未吸收CO₂的贫胺溶液(贫液)从吸收塔顶部喷淋而下,含CO₂的烟气从底部进入向上移动,气液接触形成连续液膜,CO₂被醇胺吸收。解吸过程中,吸收了CO₂的富胺溶液(富液)通过泵送至再生塔,加热至一定温度后,CO₂分子获得足够能量克服与胺分子的相互作用力解吸出来,经冷凝、干燥得到高纯度CO₂。贫液经贫富液换热器降温后返回吸收塔循环使用。

1.2 有机胺吸收剂反应机理

有机胺主要由烷醇胺或烷胺构成,分类方式有2种:按氮原子所连氢原子数目可分为伯胺、仲胺、叔胺;按结构差异可分为空间位阻胺和非空间位阻胺。

仲胺与伯胺吸收CO₂的原理相近,均含与氮原子直接相连的氢原子,但仲胺分子中氮原子上1个氢原子被取代,亲核试剂活性降低,反应不如伯胺迅速完全。二者均遵循两性离子机理,伯胺先与CO₂加成生成不稳定的氨基羧酸酯中间体,再与另一伯胺分子反应生成羧酸盐和胺阳离子。叔胺与CO₂的反应机理尚未完全明确,目前较认可的是由Donaldson等^[5]提出的碱催化水合机理。叔胺不直接与CO₂生成两性离子,其氮原子作为碱催化剂,促进水分子解离产生氢氧根离子和氢离子,CO₂再与氢氧根离子结合生成碳酸氢根离子,典型代表是甲基二乙醇胺(MDEA)。空间位阻胺由氨基的1个或2个氢原子被大体积烷基或其他基团取代形成,常见的有AMP、1,8-甲基二胺(MDA)等。受“空间位阻”影响,氨基活性氢原子难与CO₂反应生成氨基甲酸盐,且生成的氨基甲酸盐稳定性差,易水解生成碳酸氢根。图2是4种胺捕集CO₂的反应机理及优缺点示意图。

2 混合胺吸收剂研究现状

2.1 醇胺混合体系

醇胺混合体系通常由伯胺或仲胺与叔胺组成,加入活化剂可显著提升吸收速率和再生效率,大幅降低再生能耗。常见组合形式包括二乙醇胺-乙醇胺(MEA-MDEA)、乙醇胺-三乙醇胺(MEA-TEA)、乙醇胺-哌嗪(MEA-PZ)、二乙醇胺-哌嗪(MDEA-PZ)等^[6]。以MEA-MDEA为代表的活化胺混合体系,是目前研究最广泛、工业应用最成熟的混合胺吸收剂体系之一^[4]。

众多研究揭示了醇胺混合体系的特性与优势,Liu等^[7]对MEA和DMEA混合体系的CO₂气-液平衡研究表明,MEA在低压下CO₂溶解度高于DMEA,混合物溶解度更接近单MEA。优化CO₂捕集工艺可显著提高混合胺吸收剂性能,降低解吸能耗。Abdullah^[8]采用中空纤维膜接触器对MDEA-PG、MDEA-PZ和MDEA-MEA 3种混合胺吸收剂脱碳,发现吸收性能为MDEA-MEA>MDEA-PG>MDEA-PZ,且MDEA-PG和MDEA-PZ溶质比为1∶0.6时CO₂去除率最高,分别达32.36%和30.55%。

伯、仲胺能提升CO₂吸收速率,但再生能耗较高,叔胺的加入降低了氨基甲酸盐的稳定性,使解吸过程更高效,再生能耗显著降低。尽管醇胺混合体系在性能与能耗方面优势显著,但其配比优化、稳定性及成本问题仍需进一步研究,部分高效活化剂价格较高,大规模应用时需权衡性能与成本。

2.2 空间位阻胺混合体系

2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)是新型有机胺溶剂,独特的空间位阻结构使其兼具伯胺和仲胺的高吸收速率、叔胺的高吸收量,且腐蚀性较低,在CO₂吸收解析循环系统中表现优异。AMP与哌嗪及其同系物如AEP、HEPZ、NMPRZ等混合使用,可进一步提升CO₂吸收效果。Zhen等^[9]制备的3种AMP-EAE混合胺体系中,质量分数25%的混合物溶液表现最佳,气液比为20时,吸收效率较AMP水溶剂提高15%,循环容量和平均解吸速率较质量分数30%的MEA溶液提高1.7倍;Vamja等^[10]研究发现,1-MPZ水溶液具有良好的CO₂吸收循环能力,与AMP结合后循环容量进一步增强。

目前空间位阻胺混合体系在二氧化碳捕集领域已展现出诸多优势,但在实际应用与进一步发展过程中,仍面临一些亟待解决的问题。部分空间位阻胺在初始吸收阶段,吸收速率不够理想,这限制了其在一些对吸收效率要求极高的快速反应场景中的应用。此外,在长期循环使用过程中,受温度、压力以及杂质气体等因素影响,部分混合体系会出现降解、发泡等现象,导致吸收性能下降。

2.3 烯胺混合体系

烯胺是一类含有碳-氮双键的有机化合物,分子中含有多个伯胺和仲胺,结构中的氨基或亚氨基具有较强的亲核性,能够与CO₂发生化学反应。常见的有二乙烯三胺(DETA)、三乙烯四胺(TETA)等。在实际应用中,通常将烯胺与其他有机胺组成混合体系,以充分发挥各组分的优势。

Zhang等^[11]用DETA为主、TEA为辅的混合胺进行CO₂吸收-解吸测试,结果显示,与30% MEA相比,能耗降低21.2%,黏度为3.1~6.88 mPa·s。Zhou等^[6]开发的7.5% TEPA+7.5% MEA混合胺吸收剂,与相同质量分数MEA相比,CO₂负载量增加7%,解吸热负荷降低18.1%,该溶液中质子转移主要由TEPA控制,MEA主要与CO₂反应。

科研人员通过理论计算和实验研究相结合的方法,深入探究烯胺混合体系与CO₂反应的机理和热力学、动力学特性。研究表明,烯胺混合体系能抑制吸收产物发生固体结晶,提高碳捕集系统稳定性。An等^[12]向AMP中添加少量DETA,发现DETA氨基甲酸酯可与HCO₃^-形成分子间氢键,减少HCO₃^-分子间二聚体或多链大分子形成,抑制高浓度HCO₃^-结晶,同时使再生能耗较5MMEA降低21.2%。

烯胺混合体系以高捕集效率、低解吸能耗、良好的稳定性和对设备腐蚀性小等优点,在工业应用中展现出了良好的前景,然而,目前该技术仍面临吸收剂成本高、长期稳定性有待提高及总能耗较高等挑战,需要进一步优化工艺和设备,降低能耗成本。

2.4 相变胺混合体系

近年来,相变胺混合体系凭借在CO₂捕集与解吸过程中通过相态变化实现高效节能的特性,成为混合胺吸收剂领域的研究热点。该体系主要包括固-液相变和液-液相变2大类型,二者均通过特殊的相分离机制降低再生能耗,提升捕集效率^[13]。固-液相变吸收剂的吸收产物以固体形态析出,便于解吸前高效分离,大幅降低再生能耗;液液相变吸收剂吸收CO₂前为均相溶液,反应后自发分离为上下2个液相,因贫液相和富液相在化学组成与物理性质上存在显著差异,可实现有效分离^[14]。图3直观展示了基于MEA的液-液两相系统分相情况^[15]。

目前,相变胺混合体系研究中,吸收剂的筛选占据重要地位,且大多依赖试验方法开展。众多研究者已成功筛选出一系列相变胺混合体系,通过有效降低解吸过程显热与潜热,显著减少了再生能耗。例如,胡彦陇等^[16]基于汉森溶解度参数理论,筛选得到新型相变吸收剂MDEA/聚乙二醇二甲醚(NHD)/H₂O,其热稳定性优于30% MEA及MDEA/正丁醇/H₂O相变吸收剂,质量比为3∶5∶2时CO₂吸收量达峰值,90℃解吸条件下,CO₂总循环容量为9.260 4 mol/L,解吸效率达98.96%;Hong等^[17]研究的MAE-DGM-H₂O相变吸收剂,循环CO₂容量达1.32 mol/L,富CO₂相仅占总体积的50.4%,再生能耗较质量分数30%的MEA溶液降低40%。

相变胺混合吸收剂在吸收CO₂时,由于相变过程中伴随的大量潜热吸收或释放,使得吸收效率远高于传统吸收剂,且仅需解吸富相便可实现吸收剂的再生循环,降低解吸能耗,是目前发展前景较好的一类吸收剂。但是目前研究者们研究内容主要集中在对相变胺混合吸收剂的筛选及性能优化,对吸收CO₂的动力学及机理的研究较少,吸收剂的挥发性及腐蚀性问题还有待更深入探究。

2.5 离子液体基混合胺体系

离子液体因低蒸气压、良好的吸收性能、热稳定性好及对环境友好等优点成为近年来CO₂捕集领域的热门试剂。为了实现混合胺吸收剂优异的吸收负载和低黏度性能,Qin等^[18]提出了一种新型氨基功能化离子液体[G1.0PAMAM][2-MI],结果表明,质量分数42.71%的[G1.0PAMAM][2-MI]/H₂O的吸收负荷为6.81 mol/mol,远高于MEA/H₂O,吸收前后溶液的黏度分别为35.3、53.8 mPa·s,显著低于大多数离子液体,有利于提高吸收过程的传质效率,反应机理如图4所示。离子液体体系对二氧化碳吸收动力学影响显著,Tiwari等^[19]对T-Im/MDEA和D-im/MDEA 2种双功能化离子液体吸收剂的动力学研究表明,吸收过程中更多活性位点可同时与CO₂分子反应,加快反应速率,缩短吸收平衡时间。

离子液体与胺混合后,往往能兼具两者的优点,离子液体基混合体系凭借独特的组分协同效应,在二氧化碳捕集、化学反应、分离提纯等领域展现出多方面的优势。尽管目前离子液体基混合胺吸收剂已经取得了一定的研究成果,但仍有很大的发展空间。未来的一个重要发展方向是开发具有更低黏度、更高热稳定性和化学稳定性的离子液体,以解决目前离子液体黏度较高导致的传质阻力大、热稳定性不足等问题,从而提升离子液体基混合胺吸收剂的整体性能。

综上所述,为应对单胺吸收剂在CO₂捕集中面临的再生能耗高、降解、腐蚀性等问题,研究人员开发了多种类型的混合胺吸收剂体系,通过组分间的协同效应优化捕集性能。表1系统总结了不同体系的混合胺吸收剂的组分、浓度及关键性能。从表中可以看出大部分的混合胺吸收剂对CO₂的捕集性能都得到了较大提升,混合胺吸收剂在捕集CO₂应用中展现出良好的适应性和潜力。不同类型的混合胺吸收剂体系在提升CO₂捕集性能方面展现出独特的优势和潜力,但也各自面临成本、长期运行性能、反应机理深入研究等挑战。在工业化实际应用过程中,存在的技术障碍及发展趋势如图5所示。

3 混合胺吸收剂工业应用现状

3.1 混合胺吸收剂的中试实验进展

目前已有多家企业和项目通过中试以上规模验证了混合胺吸收剂的性能。徐东等^[26]在华润海丰燃煤烟气1万t/a碳捕集工业验证装置上测试新型低能耗吸收剂,结果显示,CEU-3型吸收剂再生能耗达2.42 GJ/t,较30% MEA吸收剂降低36.3%,且实现720 h万t级工业装置稳定运行;毛松柏等^[27]在胜利电厂40 kt/a中试装置上使用有机胺复合溶剂,CO₂捕集率大于80%,再生能耗达2.92×10⁶ kJ/t,完成工业化应用。

根据尼德劳森电厂碳捕集等试点工厂项目的实际性能数据发现MEA与AMP/PZ在捕集率及所需填料高度方面表现相似。具体而言,AMP/PZ的能耗相较于30%浓度的MEA可降低约15%,相较于35%浓度的MEA可降低约10%。但在某些特定运行工况下,AMP/PZ并未能体现出能耗上的优势。AMP/PZ复合吸收剂在相关试点工程项目中的应用效果如表2所示。

3.2 混合胺吸收剂的工程项目应用进展

混合胺吸收剂因技术成熟在烟气CO₂捕集方面受到了广泛应用,许多碳捕集项目及工业示范已成功转型为商业化运行阶段。

国内方面,2021年6月国能锦界公司投产的 15万t/a二氧化碳捕集封存全流程示范项目,选用新一代混合胺吸收剂为主吸收剂进行设计,兼容相变吸收剂、功能离子液体等新型吸收剂,相对MEA能耗降低25%,降解速率降低50%,CO₂捕集率大于98%^[28];2022年4月江苏盐城2 000 t级燃气锅炉烟气碳捕集项目投运,采用化学吸收法;2024年6月河北建滔20万t/a燃煤锅炉烟气碳捕集项目通过技术鉴定,采用有机胺化学吸收法,国能泰州全捕集项目正在设计中,计划年捕集400万t CO₂,捕集率>95%,能耗<2.4 GJ/t。

国际方面,美国2017年投入使用Petra Nova大型燃煤电厂烟气碳捕集项目,年捕集量大于140万t;加拿大SaskPower Boundary Dam碳捕集项目2014年运营,年捕集100万t CO₂,捕集率>90%,能耗 <2.7 GJ/t;日本Toshiba的胺基溶剂捕集烟气二氧化碳工艺技术先进,2023年与美国Lummus合作,计划提出融合胺基溶剂的先进燃烧后碳捕集解决方案,其烟气碳捕集项目年捕集10万t CO₂,捕集率>95%,能耗<3.07 GJ/t。国内外胺法工程项目进展见表3。

4 结论与展望

在全球双碳战略与气候治理需求下,CO₂捕集作为CCUS技术的核心环节,技术优化与工业化应用对实现减碳目标至关重要。化学吸收法因吸收效果好、分离纯度高,仍是当前主流碳捕集技术,而有机胺吸收剂是该技术的核心载体。混合胺吸收剂已在国内外多个工业项目中落地应用,均验证了其技术可行性。但行业仍面临如高效吸收剂成本偏高、长期运行中胺液易降解挥发、部分体系反应机理研究不充分、百万吨级大规模示范项目经验不足等挑战。未来混合胺吸收剂捕集CO₂的发展应重点关注以下几个方面。

(1)研发低成本、高稳定性新型混合胺吸收剂配方,结合纳米技术、催化技术优化吸收性能。

(2)深化吸收剂降解机理研究,开发稳定剂延长使用寿命。

(3)优化工艺流程与设备设计,如改进吸收塔结构,引入热泵技术降低再生能耗。

(4)推动百万吨级示范项目建设,积累规模化应用数据,加速混合胺吸收剂技术的工业化普及,助力双碳目标实现。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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