新型两相胺吸收剂捕集二氧化碳研究
发布时间：2020-08-17 20:27
【摘要】：全球气候变暖已成为当今世界面临的重大环境问题之一,应对全球气候变暖,关键在于控制人为二氧化碳(CO_2)的排放,尤其是控制燃煤电厂烟气中的CO_2排放。有机胺吸收法是目前较为常用且成熟的CO_2捕集方法。但传统有机胺法再生能耗高,发展受到了限制。两相胺吸收剂具有显著的节能潜力,近年来受到研究者们的广泛关注。该类吸收剂在吸收CO_2后能发生相变,CO_2主要富集在其中一相,因此通过相分离可减少需再生的富液量,进而大幅降低再生能耗。本论文旨在研究新型两相胺吸收剂用于CO_2捕集,并从新型两相胺的CO_2捕集性能、反应机理、体系调控、动力学特性以及再生能耗等方面展开探索。论文的主要研究工作和结果如下:(1)利用多级胺二乙烯三胺(DETA)和叔胺五甲基二乙烯三胺(PMDETA)构建了新型两相胺吸收剂。DETA-PMDETA(5 mol/L(M),1:4)两相胺的CO_2负荷可达0.613 mol CO_2/mol胺,其中99.7%的CO_2富集于溶液下层,且下层体积仅占吸收剂总体积的57%。反应机理研究表明,DETA不仅可作为CO_2吸收促进剂,同时决定了体系的吸收容量,而PMDETA则主要参与反应中的去质子化过程。相变机制表明,CO_2产物在PMDETA中溶解度有限,且其密度大于PMDETA,因而迁移至溶液下层,PMDETA则迁移至上层。(2)针对DETA-PMDETA两相胺富液粘度较大和再生性能欠佳的问题,引入了2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)作为调控剂对两相胺进行调控。通过组分优化,确定了0.5 M DETA+1.5 AMP+3 M PMDETA(0.5D1.5A3P)为最佳两相胺体系。基于多种表征手段,探明了AMP对两相胺的调控机制:在DETA-PMDETA体系中,CO_2吸收产物主要为DETA-氨基甲酸盐。引入AMP,可使大量产物以HCO_3~-/CO_3~(2-)形式存在。HCO_3~-/CO_3~(2-)不易形成氢键,且比DETA-氨基甲酸盐易分解。因此,引入AMP构建DETA-AMP-PMDETA体系能有效降低两相胺富液粘度,并提高其再生性能。此外,由于AMP的存在,吸收剂在再生时自由质子可通过多种途径产生,促进了DETA-氨基甲酸盐的分解。(3)基于“两性离子机理”和“双膜理论”,建立了单组分DETA、AMP、PMDETA溶液和DETA-AMP-PMDETA两相胺吸收CO_2的动力学模型。与单组分胺溶液吸收CO_2的动力学对比,发现DETA-AMP-PMDETA两相胺吸收CO_2的反应速率主要由DETA和AMP决定。另外,两相胺体系中PMDETA分子会发生群聚,因而形成PMDETA簇,PMDETA群簇的形成对体系吸收CO_2有一定限制作用。两相胺吸收CO_2的动力学特性可用简单的拟一级动力学模型描述,通过模型预测得到的总反应速率常数k_(ov,mix)与实验值具有良好的吻合度。(4)利用简易的再生塔模型对再生能耗进行评估,结果表明,利用两相胺捕集CO_2可大幅降低再生能耗。0.5D1.5A3P两相胺可将再生能耗降至1.83 GJ/ton CO_2,相比于传统MEA吸收剂降低了52%。两相胺较低的再生能耗主要归因于其较低的再生显热和潜热。本文所研究的两相胺吸收剂具有良好的CO_2捕集性能,并兼具低再生能耗的优点,可望为高效低耗的CO_2捕集提供新的吸收剂选择。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X701
【图文】：
1.1 课题背景1.1.1 全球变暖与 CO2减排伴随着工业的迅猛发展，环境问题已成为当前人类社会发展不可忽视的问题，其中全球气候变暖是当今世界面临的重大环境问题之一[1,2]。根据政府间气候变化专门委员会第五次评估报告（Intergovernmental Panel on Climate ChangeFifth Assessment Report，IPCC AR5），自 1850 年以来，地球表面温度总体上呈不断上升的趋势（图 1.1）[3]。报告显示，1983 年到 2012 年间，地球表面的年平均温度迅速上升，这段时间可能是北半球过去 1400 年中最温暖的 30 年。通过线性趋势计算的数据可知，在 1880 年至 2012 年期间全球陆地和海洋表面气温平均升高了 0.85oC。据预计，如不加以控制，未来全球气候将以每 10 年约升高 0.2oC 的速率继续变暖。全球变暖会使冰川和冻土消融、海平面上升以及厄尔尼诺现象频繁发生，不仅危害自然生态系统的平衡，也将严重威胁人类的生存。
N2O 的 GWP 分别为 1.0、21 和 310，而氟氯烃类物质的 GW3900[5]。虽然 CO2的 GWP 相对较低，但在所有 GHG 的排放中，，占总 GHG 排放量的 70%以上（图 1.2），其对温室效应的贡献达到了 60%以上。随着工业的发展，大量 CO2排放使大气中 CO断上升的趋势。2007 年，大气中 CO2浓度为 383 ppm，到 2013 年7 ppm，目前已接近 400 ppm，这比工业革命开始前大气中 CO2浓值高出了 43%[6]。因此，作为最重要的温室气体，CO2的减排对进而防止气候继续恶化至关重要[7]。为此，国际能源署（Inte Agency，IEA）提出了 CO2减排目标：到 2050 年，CO2的排放量 年排放量的 50%[8]。类活动排放的 CO2主要来源于林业和其他土地利用以及化石燃料而化石燃料利用所排放的 CO2量占总排放量的 85%以上（图 1.2石燃料利用过程中，电力行业排放的 CO2量约占总排放量的 78%的控制与减排而言，首先要控制电力行业的 CO2排放，尤其是燃排放。
图 1.3 不同 CO2捕集方式的流程图Fig. 1.3 Schematic diagram of different CO2capture methods1.2 燃烧后 CO2捕集技术1.2.1 吸附分离技术吸附分离 CO2技术是通过固态吸附剂将烟气中的 CO2吸附于表面，再用适宜的方法将 CO2解吸，实现 CO2分离和富集的目的。该技术的原理是利用吸附剂表面的活性位点与各气体分子之间的引力差异来实现气体分子的分离。在烟气中，由于 CO2的分子空间结构和极性等特性与其他气体分子不同，因此特定的吸附剂可对 CO2进行选择性吸附，其他难于被吸附的气体分子则随烟气排出。根据操作方式的不同吸附法可分为变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）、变温吸附（Temperature Swing Adsorption，TSA）和变温变压吸附（Pressure＆Temperature Swing Adsorption，PTSA）等[24]。PSA 技术是结合了加压和减压
本文编号：2795794
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X701
【图文】：
1.1 课题背景1.1.1 全球变暖与 CO2减排伴随着工业的迅猛发展，环境问题已成为当前人类社会发展不可忽视的问题，其中全球气候变暖是当今世界面临的重大环境问题之一[1,2]。根据政府间气候变化专门委员会第五次评估报告（Intergovernmental Panel on Climate ChangeFifth Assessment Report，IPCC AR5），自 1850 年以来，地球表面温度总体上呈不断上升的趋势（图 1.1）[3]。报告显示，1983 年到 2012 年间，地球表面的年平均温度迅速上升，这段时间可能是北半球过去 1400 年中最温暖的 30 年。通过线性趋势计算的数据可知，在 1880 年至 2012 年期间全球陆地和海洋表面气温平均升高了 0.85oC。据预计，如不加以控制，未来全球气候将以每 10 年约升高 0.2oC 的速率继续变暖。全球变暖会使冰川和冻土消融、海平面上升以及厄尔尼诺现象频繁发生，不仅危害自然生态系统的平衡，也将严重威胁人类的生存。
N2O 的 GWP 分别为 1.0、21 和 310，而氟氯烃类物质的 GW3900[5]。虽然 CO2的 GWP 相对较低，但在所有 GHG 的排放中，，占总 GHG 排放量的 70%以上（图 1.2），其对温室效应的贡献达到了 60%以上。随着工业的发展，大量 CO2排放使大气中 CO断上升的趋势。2007 年，大气中 CO2浓度为 383 ppm，到 2013 年7 ppm，目前已接近 400 ppm，这比工业革命开始前大气中 CO2浓值高出了 43%[6]。因此，作为最重要的温室气体，CO2的减排对进而防止气候继续恶化至关重要[7]。为此，国际能源署（Inte Agency，IEA）提出了 CO2减排目标：到 2050 年，CO2的排放量 年排放量的 50%[8]。类活动排放的 CO2主要来源于林业和其他土地利用以及化石燃料而化石燃料利用所排放的 CO2量占总排放量的 85%以上（图 1.2石燃料利用过程中，电力行业排放的 CO2量约占总排放量的 78%的控制与减排而言，首先要控制电力行业的 CO2排放，尤其是燃排放。
图 1.3 不同 CO2捕集方式的流程图Fig. 1.3 Schematic diagram of different CO2capture methods1.2 燃烧后 CO2捕集技术1.2.1 吸附分离技术吸附分离 CO2技术是通过固态吸附剂将烟气中的 CO2吸附于表面，再用适宜的方法将 CO2解吸，实现 CO2分离和富集的目的。该技术的原理是利用吸附剂表面的活性位点与各气体分子之间的引力差异来实现气体分子的分离。在烟气中，由于 CO2的分子空间结构和极性等特性与其他气体分子不同，因此特定的吸附剂可对 CO2进行选择性吸附，其他难于被吸附的气体分子则随烟气排出。根据操作方式的不同吸附法可分为变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）、变温吸附（Temperature Swing Adsorption，TSA）和变温变压吸附（Pressure＆Temperature Swing Adsorption，PTSA）等[24]。PSA 技术是结合了加压和减压
【参考文献】
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3 刘芳;王淑娟;陈昌和;徐旭常;;电厂烟气氨法脱碳技术研究进展[J];化工学报;2009年02期
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6 聂会建,李政,张斌;整体煤气化联合循环(IGCC)全生命周期CO_2排放计算及分析[J];动力工程;2004年01期
7 夏明珠,严莲荷,雷武,王风云,朱彬,赵小蕾;二氧化碳的分离回收技术与综合利用[J];现代化工;1999年05期
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本文编号：2795794
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