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膜技术脱除煤层气中CO_2的应用及特性研究

张娜  
【摘要】:由人类活动产生的大量二氧化碳排放到大气中导致全球变暖正威胁着生态环境和人类生存条件。煤层气直接排放到空气中,会产生巨大的温室效应,大约是二氧化碳的21倍。而且,它还引起了一系列其他问题。随着各国对能源需求的不断增长,煤层气作为非常规天然气扮演着重要角色。通过将煤层气液化并与天然气混合,在环保节能方面具有突出优势,实现了能源的综合利用。在煤层气液化之前,需要进行脱碳处理才能达到管道运输的标准。膜吸收是煤层气脱碳的一种新方法,在运行过程中可以分别控制气相和液相。该技术较传统的吸收方式具有气液接触面积大、传质速率快、无雾沫夹带现象、操作弹性大和设备灵活等优点,被认为是一种具有良好发展前景的应用技术。本文开发了一个二维数学模型,采用膜吸收法脱碳。运用软件COMSOL Multiphysics进行模拟研究了四种胺溶液(乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、(三乙醇胺)TEA和1-(2-羟乙基)吡咯烷(1-(2-HE)PRLD))在不同气液流速、吸收液浓度、膜结构尺寸和膜组件串联情况下对脱碳效率的影响。模拟结果与实验数据具有良好的一致性。数值结果表明,吸收液浓度对脱碳效率具有显著影响。此外,注意到1-(2-HE)PRLD溶液比另外三种吸收液具有更好的脱碳性能。最后,通过参数优化确定了膜技术分离酸性气体的最佳操作条件,即0.3 m/s气体速度,0.06 m/s吸收速度和0.5 mol/L的1-(2-HE)PRLD溶液。同时,可证明膜吸收法在煤层气净化方面具有良好的潜力。结合煤层气中实际气体的组分,在第二章已有的单一脱碳模型基础上建立了可以实现同时脱除煤层气中CO_2和H_2S气体的数学模型。在中空纤维膜接触器中以K_2CO_3/赖氨酸钾混合溶液作为吸收剂,考察了同时吸收CO_2和H_2S与吸收剂在膜接触器中的三维浓度分布示意图。利用第四章所建立的可同时脱CO_2和H_2S的数值模型研究了气体流速和吸收液的流速、浓度和温度对CO_2和H_2S脱除效率的影响。模拟结果与实验数据相吻合。模拟结果表明,气体流速是影响脱除效率的最主要因素。此外,注意到K_2CO_3/赖氨酸钾混合溶液比单一的K_2CO_3吸收液具有更好的脱碳性能。通过等高线图分析可得,气体流速是影响K_2CO_3/赖氨酸钾混合溶液中CO_2和H_2S脱除效率的最主要因素。为了实现低能耗高脱除率,由响应曲面图分析可得最佳的操作条件,即气体速度0.5 m/s,液体流速0.035 m/s,液体温度303K和K_2CO_3/PL混合溶液浓度0.3 mol/L。同时,证明了氨基酸盐在膜吸收法中的应用方面具有良好的潜力。


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