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工业烟气中二氧化碳吸附捕集过程的研究

凌江华  
【摘要】:随着世界各国能源需求量的急剧增加,化石燃料由于具有容易开发且价格相对低廉等特性,仍将在世界能源消耗结构中长期占据主导地位。为了消除化石燃料对环境的潜在负面影响,降低其在利用过程中所释放的CO2迫在眉睫。据统计,火力发电厂、钢铁厂、水泥厂等工业部门所排放的C02占总排放量的60%以上,而CO2捕集和储存(CCS)技术正是缓解和控制这些大型固定污染源排放CO2的有效方法之一。到目前为止,CCS已经开发和评估了大量的CO2捕集工艺,并且在全球范围内处于规划中的或正在运行的示范性碳捕集项目也在不断涌现。在众多待选项中,吸附法因具有设备简单、能耗低、与现有设备兼容性强等优点而备受关注。但目前吸附法仍然存在吸附剂分离效果不理想,捕集成本偏高等问题,限制了其在工业上的大规模应用。目前的解决方案主要为新型吸附材料的开发和吸附工艺的优化,因此,本文一方面通过开发新型吸附剂,以提高吸附剂选择分离CO2的性能;另一方面则通过对已有吸附剂进行筛选并开发出与之相匹配的吸附工艺,在提高系统分离性能的同时尽量降低能耗。本文首先以PVDF-HFP为前驱体采用一步免活化法制备具有高比表面积和高孔容的微孔碳。实验重点考察了碳化温度对产品——微孔碳性质的影响。结果表明随着碳化温度的升高,聚合物在碳链裂解过程中通过释放HF分子的方式形成更多的缝隙或孔穴,从而使微孔碳的比表面积和孔容逐渐增大。800℃时,前驱体的碳化已经趋于完全,比表面积达到最大值(1175m2·g-1),且此时样品的微孔孔容为0.51 cm3·-1。再继续升高碳化温度,反而会导致孔壁坍塌而增大孔的尺寸。碳化温度800℃得到的样品在0℃和100 kPa时,CO2吸附量达到最大值5.12mmol·g-1,且动态CO2/N2分离因子为7.125。其次考察了以APGIII为吸附剂的真空变压吸附(VSA)工艺在处理不同工业烟气时的性能表现。为了使该工艺具有更高的实用性和经济性,在研究过程中采用了较高解吸压力。一方面,通过研究进气CO2浓度、操作温度、吸附时间、解吸压力、解吸时间等因素对过程性能的影响以达到优化CO2VSA系统操作参数的目的。高CO2进气浓度无疑有利于得到高纯度的产品。操作温度对VSA的回收率和产品纯度都有较大的影响,对吸附剂APGIⅢ来说,60 ℃是吸附剂吸附容量和选择性的一个比较合适的平衡点。解吸压力对回收率的影响较大但对产品纯度的影响效果不明显。低气体流速可以降低吸附床内的压力降和传质阻力,有利于解吸过程的进行;另一方面,以操作参数分析结果为基础,根据不同工业所排放烟气的性质,设计出最合理的VSA过程结构来达到预定分离目标(纯度大于95%,回收率为大于80%)。当进气CO2为15%(代表热电厂烟气)时,如果采用单级VSA,要想得到高CO2纯度和回收率,需要超低解吸压力(不高于3 kPa),不利于其在大规模碳捕集项目中应用;而采用两级VSA系统处理该烟气能够有效地解决解吸压力过低的难题。而对于CO2浓度高于30%的工业烟气在中等解吸压力下(15-25 kPa)就可以得到理想的分离效果。再次,通过比较三种商品化13X分子筛——APGI,APGIII和PSA02 HP捕集CO2的性能,发现在20-100 0C的温度区内吸附剂的分离性能排列顺序为:PSA02 HPAPGIIIAPGI。在四床十六步VSA循环中,PSA02HP在解吸真空度为8kPa时,产品CO2的纯度为95%,回收率为67%,能耗为0.54MJ·kgCOCO2-1。实验研究表明:在C02吸附剂的开发过程中降低N2的吸附容量可能比提高C02的吸附容量更有效;吸附热能够显著降低吸附剂的分离性能,因此在吸附分离过程中要尽量降低吸附热的影响。最后,研究了以新型分子筛NaUSY为吸附剂,高温CO2为吹扫气的新型变温吸附(TSA)工艺,并考察了吸附时间,解吸温度,P/F等对循环过程的影响。吸附时间越长,C02的纯度越高,但其回收率反而越低;再生温度对产品的纯度影响不大,但能够显著地影响C02的回收率。再生温度越高,CO2回收越完全,但系统的单位能耗相应也会大幅增长。采用1-bed/5-step的变温吸附工艺在250℃的再生温度下捕集CO2浓度为15%的烟气,产品纯度为95.44%,C02回收率为71.05%,生产率为40.516gCO2·kgads-1·h-1,如果改变吸附床的冷却方式或增加吸附床的数量可以有效地提高CO2的生产率。该工艺的单位能耗为4.55 MJ·kgCO2-1,与已报道的TSA工艺基本相当。


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