采用氣體水合物法分離CO2-H2混合氣的反應動力學實驗研究.pdf

1、中國是煤炭消費大國，燃煤 CO2排放量占我國碳排放總量的40％，其中燃煤發(fā)電廠是中國 CO2減排的重點研究對象。近年來，以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）應用為代表的預燃燒分離和CO2捕集技術是未來清潔高效燃煤發(fā)電技術的重要發(fā)展方向，而燃料氣（CO2/H2）的高效分離是影響 IGCC節(jié)能與發(fā)電效率的核心環(huán)節(jié)?；跉怏w水合物法的混合氣體分離技術（HBGS）是利用不同氣體分子和水生成水合物相平衡條件的差異進行混合氣體分離，該技術在分離

2、燃料氣（CO2/H2）方面具有節(jié)能、環(huán)保、分離效率高等明顯優(yōu)勢，近年來受到國內(nèi)外學者的普遍關注。需要注意的是，進一步提高 CO2分離效率以及反應過程的氣體消耗量是水合物法分離燃料氣急需解決的關鍵技術問題。圍繞這一關鍵問題，本文分別在溶液攪拌體系和多孔介質(zhì)體系開展了水合物法分離燃料氣的實驗研究工作，研究結果對推動水合物法分離燃料氣技術的發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。
　　本文主要的研究內(nèi)容與研究結論如下：
　　①首次將四氫呋喃（THF

3、）和環(huán)己烷（CH）混合，用作新型熱力學促進劑降低 CO2/H2混合氣體生成水合物的相平衡壓力。采用定容觀察法測定了 CO2/H2混合氣在1.0 mol%THF+10%CH（體積比）溶液體系中生成水合物的相平衡數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，與1.0 mol%THF溶液相比，1.0 mol%THF+10%CH混合體系在相同溫度條件下的相平衡壓力更低，動力學研究結果表明該體系具有更高的 CO2回收率和分離效率。
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4、量、CO2回收率等動力學參數(shù)，首次采用煤顆粒固定床開展CO2/H2混合氣的動力學實驗研究。（1）研究了驅(qū)動力（3.0、4.5、6.0MPa）對氣體消耗量和CO2分離效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動力越高氣體消耗量和氣體消耗速率越大，但CO2回收率和分離因子反而降低。（2）研究了煤顆粒固定床中不同THF溶液飽和度（0、40%和100%）對CO2/H2分離特性的影響，探討了煤炭顆粒體系的反應機理，研究表明，由于煤顆粒對 CO2有很強的吸附能力，因

5、此煤顆粒固定床中的CO2/H2分離是一個吸附-水合耦合過程。研究發(fā)現(xiàn)：固定床飽和度越高，CO2回收率和分離因子越高。(3)在煤顆粒固定床中研究了THF濃度（1、3、5.6 mol%）對CO2/H2分離特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：提高THF濃度可以促進水合物的生成，提高單位摩爾的水氣體消耗量，但總氣體消耗量與 CO2分離效率反而降低，其主要原因是提高THF濃度可以促進H2和水分子生成II型水合物，所以增加 THF濃度不利于 CO2和 H2的分離

6、。（4）研究了不同顆粒粒徑（0.1-0.5mm、0.5-1mm、1-3mm）對水合物法分離CO2/H2混合氣體反應動力學特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：粒徑越大，顆粒之間的空隙越大，不利于水合物在液相的結晶與生長，生成速率較慢。另外，小粒徑的煤顆粒（0.1-0.5mm）由于含有大量無法篩除的極細煤粉，阻礙了氣體分子在床層的擴散，導致氣體消耗量減小。
　　③分析并評價了不同實驗體系中氣體水合物法分離 CO2/H2的動力學特性。通過與文獻中多種

7、實驗體系（THF、TBAB、CP、石英砂、乳化油等）的實驗數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)：相比溶液攪拌體系，多孔介質(zhì)體系（石英砂、煤顆粒）有效縮短了誘導時間和反應時間，提高了液相的水合轉化率。目前，在6.0 MPa、1.0 mol%THF煤顆粒體系獲得的氣體消耗量最高（51.9 mmol of gas/mol of water）；而在3.0 MPa、1.0 mol%THF煤顆粒體系獲得的CO2回收率（57%）和CO2/H2混合氣分離效率（42.5）最