混合胺溶液和叔胺溶液吸收二氧化碳的反应动力学研究
发布时间：2020-06-21 18:58
【摘要】：近年来,全球经济的快速发展使得人类对化石燃料的需求越来越大,能源消耗量的增加导致了全球CO_2气体排放量增加,进而导致了严重的温室效应。目前来说,有机胺溶剂捕获CO_2技术是应用最广泛、最有应用前景的CO_2减排技术。但是有机胺溶液捕获CO_2的动力学和反应机理研究并不系统完善,一定程度上限制了其工业化应用。动力学和反应机理是有机胺溶液捕获CO_2最重要研究方向之一,因而本文从以下两个方面展开。一方面,本研究使用stopped-flow动力学测定装置测定了在293-313 K温度下MEA+DEA混合溶液与CO_2的反应动力学,总反应速率常数k_0随温度的升高和胺浓度的增加而增加。在不同MEA与DEA浓度配比情况下,MEA-DEA-CO_2-H_2O体系的反应情况是不一样的。将得到的动力学数据分成两组,分别为DEA低浓度组和DEA高浓度组。用修正的三分子机理分别拟合两组所有的动力学数据,得到的动力学方程能很好的预测总反应速率常数k_0,而且实验值和预测值的绝对平均偏差都在合理的范围内,DEA低浓度组和DEA高浓度组分别为4.71%和3.33%。探讨了DEA低浓度组和DEA高浓度组在吸收CO_2的过程中MEA和DEA之间的竞争和协同关系。在DEA低浓度组中,竞争关系较为明显。在DEA高浓度组中,协同关系较为明显。另一方面,本研究使用stopped-flow动力学测定装置测定了在293-313 K温度下负载CO_2的MDEA溶液与CO_2的反应动力学。考察了MDEA溶液中CO_2负载量对吸收CO_2反应动力学的影响,发现CO_2负载量影响MDEA溶液中氢氧根含量,从而对MDEA溶液吸收CO_2动力学有较大影响,结果表明氢氧根对动力学的影响不能够被忽略。在此基础上,本研究提出了计算MDEA-CO_2-H_2O体系的反应动力学的新模型。该模型成功解释了动力学数据,拟合得到的动力学方程能很好地预测总反应速率常数,实验值和预测值的绝对平均偏差为4.59%。将本研究得到的负载MDEA-CO_2-H_2 O体系和无负载MDEA-CO_2-H_2O体系的二级反应动力学常数(k_2)和文献值进行了对比,发现本研究得到的负载体系的k_2值与文献中大部分不同设备得到的值较吻合,包括气液传质设备和快速混合设备,说明本研究得到的负载体系的修正k_2值是有效的。为了得到本征动力学,本研究建议使用负载CO_2的胺溶液用于研究stopped-flow装置中叔胺-CO_2-H_2O体系动力学。通过研究胺溶液吸收CO_2的动力学可以得到胺溶液吸收CO_2的速率,为胺溶液吸收CO_2的填料塔的设计及流程模拟提供可靠的数据支撑,同时可以从动态角度深入研究相同类型胺体系与CO_2反应的机理。本研究使得有机胺吸收CO_2的动力学和机理研究更加全面系统,为有机胺捕获二氧化碳反应机理研究、工业应用及后续研究提供参考和依据。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.1
【图文】：
图 1.1 典型 IGCC 工艺流程图燃烧前捕获工艺较复杂，能耗消耗较高，主要能耗在于水煤气和蒸汽重整，若 CO2浓度和分压高，可以使用成本较低的分离技术，降低一定的能耗。工艺总成本非常高，虽然比传统标准电站运行成本低，但是高于燃烧后捕获电站的运行成本。如果将燃烧前捕获技术应用于传统的燃煤电厂，需要进行大幅度的工艺改造，复杂繁琐，因此 IGCC 技术仅适用于新电厂的建设。1.2.2 富氧燃烧技术富氧燃烧（Oxy-fuel Combustion）又名纯氧燃烧，最早由 Abraham 于 1982年提出，是指在现有电站锅炉系统的基础上，用高纯度氧气替代空气作为燃烧氧化剂，同时增加烟气循环的技术。通常从空气中分离出高纯度的氧气（O2纯度 95%以上），通入锅炉中与化石能源或者生物质进行充分燃烧，产物主要是 CO2、H2O及少量其他成分。相比于传统工艺，产物中 CO2浓度更高，其他成分更少。再将燃烧的产物气体循环送入炉膛中继续充分燃烧，直到产物几乎是 H2O 和 CO2。经
胺溶液和叔胺溶液吸收二氧化碳的反应动力学研究6图 1.2 利用富氧燃烧技术捕集 CO2流程图1.2.3 燃烧后捕获技术燃烧后捕获（Post-combustion Capture）是指直接从一次燃烧后的烟道气中分离出 CO2的技术。燃烧后捕获技术是常用于处理燃煤电厂烟道气，常规燃煤电厂烟道气的特点如下：CO2体积分数一般为 14-16%，分压较低，气体流量大，出口温度较高，含有大量 N2，杂质 SOx、NOx浓度较高。捕获费用偏高主要是由于 CO2浓度和分压较低。燃烧后捕获技术的主要工艺流程如下：先将烟道气进行预处理，包括水洗、冷却、脱硝、静电除尘、脱硫等工序除去杂质，再通入一定温度压力下的脱碳设备，最后将高纯度的 CO2经过压缩，用于封存或者利用。工艺流程示意图如图 1.3 所示。图 1.3 燃烧后捕获技术用于燃煤电厂捕集 CO2工艺流程图燃烧前捕获技术和富氧燃烧技术都需要对原有的工厂进行改造来捕集 CO2，燃烧后捕获技术只需要在现有工厂的尾部加上 CO2捕获装置，不需要对原有的工
本文编号：2724494
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.1
【图文】：
图 1.1 典型 IGCC 工艺流程图燃烧前捕获工艺较复杂，能耗消耗较高，主要能耗在于水煤气和蒸汽重整，若 CO2浓度和分压高，可以使用成本较低的分离技术，降低一定的能耗。工艺总成本非常高，虽然比传统标准电站运行成本低，但是高于燃烧后捕获电站的运行成本。如果将燃烧前捕获技术应用于传统的燃煤电厂，需要进行大幅度的工艺改造，复杂繁琐，因此 IGCC 技术仅适用于新电厂的建设。1.2.2 富氧燃烧技术富氧燃烧（Oxy-fuel Combustion）又名纯氧燃烧，最早由 Abraham 于 1982年提出，是指在现有电站锅炉系统的基础上，用高纯度氧气替代空气作为燃烧氧化剂，同时增加烟气循环的技术。通常从空气中分离出高纯度的氧气（O2纯度 95%以上），通入锅炉中与化石能源或者生物质进行充分燃烧，产物主要是 CO2、H2O及少量其他成分。相比于传统工艺，产物中 CO2浓度更高，其他成分更少。再将燃烧的产物气体循环送入炉膛中继续充分燃烧，直到产物几乎是 H2O 和 CO2。经
胺溶液和叔胺溶液吸收二氧化碳的反应动力学研究6图 1.2 利用富氧燃烧技术捕集 CO2流程图1.2.3 燃烧后捕获技术燃烧后捕获（Post-combustion Capture）是指直接从一次燃烧后的烟道气中分离出 CO2的技术。燃烧后捕获技术是常用于处理燃煤电厂烟道气，常规燃煤电厂烟道气的特点如下：CO2体积分数一般为 14-16%，分压较低，气体流量大，出口温度较高，含有大量 N2，杂质 SOx、NOx浓度较高。捕获费用偏高主要是由于 CO2浓度和分压较低。燃烧后捕获技术的主要工艺流程如下：先将烟道气进行预处理，包括水洗、冷却、脱硝、静电除尘、脱硫等工序除去杂质，再通入一定温度压力下的脱碳设备，最后将高纯度的 CO2经过压缩，用于封存或者利用。工艺流程示意图如图 1.3 所示。图 1.3 燃烧后捕获技术用于燃煤电厂捕集 CO2工艺流程图燃烧前捕获技术和富氧燃烧技术都需要对原有的工厂进行改造来捕集 CO2，燃烧后捕获技术只需要在现有工厂的尾部加上 CO2捕获装置，不需要对原有的工
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