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烟气CO_2捕集新技术及传质特性研究

张新军  
【摘要】:全球气候变化问题日益严峻,已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一,削减温室气体特别是燃煤电厂烟气CO2的排放以减缓气候变化成为当今国际社会关注的热点。有机醇胺化学吸收法脱除烟气CO2是目前最有效的方法之一,是目前的研究热点,并且在国内外已建设了多个示范工程。但醇胺法当前存在溶剂吸收性能不稳定,吸收率、吸收负荷、再生率低,再生温度、腐蚀率、降解率高等一系列难题,同时醇胺复合溶剂的动力学研究还没有形成体系,成为限制CO2化学吸收领域发展的瓶颈。 以N2和CO2混合气作为模拟烟道气,应用搅拌釜试验装置对三种不同的有机胺溶液一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)进行了性能评价,筛选出MEA为较佳的基础溶剂;在基础溶剂选定的基础上对活化剂哌嗪(PZ)、N-甲基哌嗪(N-MPP)和氨乙基哌嗪(AEP)进行了筛选,研究表明氨基乙基哌嗪综合性能最好。对一乙醇胺胺和氨基乙基哌嗪进行配比优选,通过吸收量、吸收速率、反应温度、再生量和再生率等方面综合对比,12%MEA+8%AEP水溶液为最佳的MEA-AEP双胺体系配方溶剂。在配方溶剂基础上对缓蚀剂、抗氧化剂进行了优选,研究结果表明500mg/L的CI-03(缓蚀剂)、质量分数为0.1%的AOD-01(抗氧化剂)为较佳的复合比例。 在溶剂开发的基础上,应用小试实验(圆盘塔实验系统)对MEA+AEP双胺体系开展了传质动力学的试验研究。实验分析了影响CO2吸收解吸传质性能的因素(温度、压力、浓度、气体组成、溶剂流量、吸收时间等),实验测试了双胺体系吸收CO2的传质动力学物性参数(扩散系数、亨利系数、密度、粘度),并与文献值进行了比较分析,为动力学模型的建立与验证提供了数据支撑。 在小试实验(圆盘塔试验)的基础上对MEA-AEP双胺体系进行了连续模试实验研究,烟气实验规模为10Nm3/h,通过模拟现场生产参数测试评价了复合溶剂MEA-AEP和MEA溶液连续吸收模拟烟气CO2的传质动力学性能。实验分析了贫液负荷、富液负荷、烟气流量、吸收液浓度、气液比、烟气中CO2浓度、吸收温度、再生温度、再生热负荷等参数对MEA-AEP溶液捕集率及再生性能的影响,优化出最佳工艺参数:吸收温度40℃,溶剂浓度3mol/L,液气比10L/m3,再生温度105℃。在此工况条件下,MEA-AEP复合溶液的再生效果达到最佳,溶液对烟气中的CO2捕集率≥90%,贫液负载α CO2 0.1L/L。对同浓度的MEA-AEP复合吸收剂与MEA吸收剂进行了比较分析,研究结果表明:在再生能耗条件相同的情况下,单位体积MEA-AEP相比MEA吸收容量高30%以上;在捕集率相同的情况下,单位体积MEA-AEP相比MEA再生能耗降低30%以上 在100吨/天CO2捕集纯化中试装置上开展了MEA-AEP药剂的中试试验评价,试验结果表明,新型MEA-AEP复合溶剂相比于传统MEA溶剂,蒸汽能耗降低29%以上,产品气产量提高20%以上 在小试(圆盘塔)、模试、工业中试的基础上进行了双胺体系吸收CO2的传质动力学研究。以两性离子反应机理与快速拟一级反应模型为基础,建立了CO2+B(liquid1)+C(liquid1)→products类型双胺溶液体系传质动力学模型: 并针对MEA-AEP双胺溶液吸收CO2的反应规律建立了传质动力学模型: 对MEA-AEP双胺体系吸收速率模型进行了参数求解分析,得到总速率常数为: 表观速率常数为(无氢氧基效应): 通过圆盘塔、模试试验与工业中试试验验证了MEA-AEP双胺传质动力学模型的精确度,试验结果表明模型与试验数据的拟合度较好。


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