基于中空纖維膜技術(shù)的二氧化碳吸收和解吸研究.pdf

1、基于液態(tài)吸收劑的燃燒后碳捕集技術(shù)是目前短時間控制燃煤電站CO2排放最為有效的方法。在其中，基于中空纖維膜技術(shù)的CO2吸收和解吸工藝由于具有較高的吸收傳質(zhì)通量和低CO2再生能耗，被認(rèn)為是具有前景的技術(shù)。但是對于CO2膜吸收和膜解吸來說，如何選擇合適的吸收劑和提高運行的穩(wěn)定性是當(dāng)前亟待解決的問題。本文從吸收劑的角度出發(fā)，分別對膜吸收/解吸過程的吸收劑的開發(fā)、過程的模擬優(yōu)化和膜的運行穩(wěn)定性等問題進行系統(tǒng)深入的探討。
　　在單一吸收劑方面

2、，首先對有機胺吸收劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與CO2膜吸收/解吸的關(guān)系進行了系統(tǒng)研究。具體通過吸收劑結(jié)構(gòu)中氨基數(shù)目、氨基上活性H原子數(shù)目、碳鏈長度、官能團位置和大小等對CO2吸收/解吸特性的影響進行分析。該分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系研究可為未來胺類吸收劑的選擇和結(jié)構(gòu)預(yù)測提供經(jīng)驗指導(dǎo)。此外，建立了吸收劑綜合評價體系，研究發(fā)現(xiàn):TEPA和EDA為CO2膜吸收推薦的最優(yōu)吸收劑;MDEA是CO2膜解吸中最為推薦的吸收劑，其次為TETA、DEA和EDA。此外，提出高溫

3、CO2膜吸收概念，對24種氨基酸鹽吸收劑進行一系列的遴選實驗，以尋找最適合高溫CO2膜吸收的CO2吸收劑。在高溫CO2膜吸收實驗中，研究發(fā)現(xiàn)肌氨酸鉀吸收劑表現(xiàn)最優(yōu)的CO2吸收性能。
　　在混合吸收劑方面，建立二元混合胺吸收劑的理論傳質(zhì)模型，并對混合胺吸收劑的配比準(zhǔn)則和機制進行研究。該理論的傳質(zhì)模型預(yù)測的總傳質(zhì)系數(shù)與實驗值具有較高的吻合度。研究發(fā)現(xiàn)，推薦的最優(yōu)的混合吸收劑組成為:對MEA/MDEA,MEA主體濃度為30wt％，MDE

4、A的比例在0.1-0.3之間;對DEA/AMP，DEA主體的濃度為15wt％，AMP的比例在0.5-0.8之間;對MDEA/PZ，MDEA的主體濃度為20wt％，PZ的比例在0.3左右。
　　以CO2反應(yīng)動力學(xué)、MEA-H2O-CO2氣液平衡(VLE)模型和流體傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)，建立了MEA吸收劑富液的CO2膜解吸的二維數(shù)學(xué)模型。該模型模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報道的實驗結(jié)果吻合度良好。基于該模型，對膜解吸過程中關(guān)鍵操作因素例如溫度、壓力、液相

5、流速和吹掃蒸汽，以及膜接觸器的參數(shù)影響進行了敏感度分析。最后對CO2膜解吸運行條件進行了優(yōu)化，最優(yōu)的運行壓力在20kPa左右。
　　在膜的穩(wěn)定性方面，選擇MEA、THAM和KS三種吸收劑，在60℃下分別研究其對PP膜的濕潤機理以及長期膜吸收運行中膜阻力的變化。研究發(fā)現(xiàn)跨膜壓差對總傳質(zhì)系數(shù)有著非常大的影響，跨膜壓差越大，將會導(dǎo)致更高的膜濕潤程度。在研究的3種吸收劑當(dāng)中，KS吸收劑由于具有高表面張力，因此相對其它吸收劑，其對膜的濕潤程

6、度要更弱。
　　最后對CO2膜解吸的運行能耗進行分析和優(yōu)化評估。對MEA吸收劑來說最優(yōu)的再生能耗運行工況為再生壓力20kPa左右。在此運行壓力下MEA吸收劑具有的最低CO2膜解吸再生能耗，與傳統(tǒng)熱再生進行比較，可以發(fā)現(xiàn)相對于熱再生可以降低能耗28％。在研究的所有單一有機胺吸收劑當(dāng)中，MDEA具有最低的CO2膜解吸再生能耗，其次為EDA和DEA。此外發(fā)現(xiàn)，如果在CO2膜解吸中能夠避免采用吹掃蒸汽或電廠具有豐富的低品位廢熱提供CO2膜