碳材料捕获燃烧后二氧化碳过程研究

发布时间：2020-06-25 14:17

【摘要】：CO2是导致全球气候变化的主要温室气体之一,其减排已经成为国际社会重大的政治和经济议题。捕集回收燃煤电厂、钢铁厂等固定源排放的CO2不仅是缓解C02排放危机最直接有效的手段,还能通过副产CO2降低减排成本。CO2的捕集技术主要有吸收、吸附和深冷分离等方法,其中真空变压吸附法(VPSA)以其设备简单、能耗低、易于实现自动化操作和腐蚀问题容易处理等优点受到越来越多的关注。然而,目前吸附法的捕集成本仍然偏高,限制了其大规模地工业应用；而降低成本的主要手段在于新型吸附材料的开发和吸附工艺的系统优化。本文采用新型碳材料(沥青基活性炭小球)为吸附剂,系统研究了与之匹配的低能耗真空变压吸附工艺,以满足工业化的需求。首先,采用磁悬浮天平分别测定了0-100 kPa和0-4000 kPa下CO2和N2在沥青基活性炭小球上不同温度下(303、333、363、393和423 K)的吸附等温线,并采用Virial和Multi-site Langmuir等温线模型对吸附平衡进行拟合比较。结果表明,活性炭小球对C02具有良好的吸附量(100 kPa,303 K时吸附量为2.2mmol/g),具有适宜的C02/N2选择性。无论是在低压还是高压下,Virial等温线模型均可以很好地对实验结果进行拟合；Multi-site Langmuir等温线模型能够很好地描述低压下的吸附平衡,但在高压下其拟合结果较差。根据纯组分气体的Virial模型参数可以进一步预测C02/N2双组分的吸附平衡,从而为变温／变压吸附过程的系统优化提供基础数据。其次,采用稀释穿透曲线法测定了303、333、363、393和423K下CO2和N2在沥青基活性炭小球上的扩散系数,建立了双分散二级孔结构扩散模型。结果表明,该模型能够很好地对实验结果进行拟合,N2在活性炭小球上的扩散远比CO2快的多；无论是对于C02还是N2,微孔扩散均为扩散控制步骤。CO2和N2在活性炭小球上的扩散模型的建立以及相关扩散参数的确定,为变温／变压吸附过程的设计和模拟提供另一重要的基础数据。进一步,建立了VPSA过程的数学模型和能耗计算模型,采用单塔实验对模型进行验证,并通过实验和理论模拟,研究了不同进料流速、不同CO2进料浓度、不同操作压力、不同操作温度和不同真空压力对VPSA过程分离性能(包括：产品气纯度、回收率、生产能力和单位能耗)的影响。在此基础上,模拟研究了三塔均压、产品气吹扫等步骤以及不同P/F值、产品气回流比对VPSA分离性能的影响。结果表明：数值模拟结果与VPSA实验过程中的压力、温度和CO2出口流率变化曲线均拟合地较好；在不同操作条件下,采用简单的四步法Skarstrom循环,以沥青基活性炭小球为吸附剂的单级VPSA过程可以将烟道气中的CO2(15%左右)提纯至40%-60%、回收率为40%-96%。最后,模拟设计了两级VPSA流程以得到高纯度的C02,其中：第1级VPSA采用四步法Skarstrom循环,在保证高回收率的情况下,将烟道气中的CO2在近常压下从15%提纯至40%-60%；第2级VPSA采用包含均衡压力的五步循环操作,将第1级VPSA的产品气加压至(2-5)bar后,进一步分离提纯至浓度大于95%(满足CO2储存要求)。结果表明,采用活性炭小球为吸附剂,经过两级VPSA分离后产品气的纯度可达95.29%、回收率为74.36%、吸附剂的生产能力为0.85 mol-CO2/kg/h、总能耗为723.56 kJ/kg-CO2,显示了碳基材料在CO2捕集中良好的工业应用前景。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X701

【引证文献】