基于中空纤维膜技术的二氧化碳吸收和解吸研究
基于液态吸收剂的燃烧后碳捕集技术是目前短时间控制燃煤电站CO2排放最为有效的方法。在其中，基于中空纤维膜技术的CO2吸收和解吸工艺由于具有较高的吸收传质通量和低CO2再生能耗，被认为是具有前景的技术。但是对于CO2膜吸收和膜解吸来说，如何选择合适的吸收剂和提高运行的稳定性是当前亟待解决的问题。本文从吸收剂的角度出发，分别对膜吸收/解吸过程的吸收剂的开发、过程的模拟优化和膜的运行稳定性等问题进行系统深入的探讨。 在单一吸收剂方面，首先对有机胺吸收剂化学结构与CO2膜吸收/解吸的关系进行了系统研究。具体通过吸收剂结构中氨基数目、氨基上活性H原子数目、碳链长度、官能团位置和大小等对CO2吸收/解吸特性的影响进行分析。该分子结构与性能的关系研究可为未来胺类吸收剂的选择和结构预测提供经验指导。此外，建立了吸收剂综合评价体系，研究发现:TEPA和EDA为CO2膜吸收推荐的最优吸收剂;MDEA是CO2膜解吸中最为推荐的吸收剂，其次为TETA、DEA和EDA。此外，提出高温CO2膜吸收概念，对24种氨基酸盐吸收剂进行一系列的遴选实验，以寻找最适合高温CO2膜吸收的CO2吸收剂。在高温CO2膜吸收实验中，研究发现肌氨酸钾吸收剂表现最优的CO2吸收性能。 在混合吸收剂方面，建立二元混合胺吸收剂的理论传质模型，并对混合胺吸收剂的配比准则和机制进行研究。该理论的传质模型预测的总传质系数与实验值具有较高的吻合度。研究发现，推荐的最优的混合吸收剂组成为:对MEA/MDEA,MEA主体浓度为30wt％，MDEA的比例在0.1-0.3之间;对DEA/AMP，DEA主体的浓度为15wt％，AMP的比例在0.5-0.8之间;对MDEA/PZ，MDEA的主体浓度为20wt％，PZ的比例在0.3左右。 以CO2反应动力学、MEA-H2O-CO2气液平衡(VLE)模型和流体传质理论为基础，建立了MEA吸收剂富液的CO2膜解吸的二维数学模型。该模型模拟结果与文献报道的实验结果吻合度良好。基于该模型，对膜解吸过程中关键操作因素例如温度、压力、液相流速和吹扫蒸汽，以及膜接触器的参数影响进行了敏感度分析。最后对CO2膜解吸运行条件进行了优化，最优的运行压力在20kPa左右。 在膜的稳定性方面，选择MEA、THAM和KS三种吸收剂，在60℃下分别研究其对PP膜的湿润机理以及长期膜吸收运行中膜阻力的变化。研究发现跨膜压差对总传质系数有着非常大的影响，跨膜压差越大，将会导致更高的膜湿润程度。在研究的3种吸收剂当中，KS吸收剂由于具有高表面张力，因此相对其它吸收剂，其对膜的湿润程度要更弱。 最后对CO2膜解吸的运行能耗进行分析和优化评估。对MEA吸收剂来说最优的再生能耗运行工况为再生压力20kPa左右。在此运行压力下MEA吸收剂具有的最低CO2膜解吸再生能耗，与传统热再生进行比较，可以发现相对于热再生可以降低能耗28％。在研究的所有单一有机胺吸收剂当中，MDEA具有最低的CO2膜解吸再生能耗，其次为EDA和DEA。此外发现，如果在CO2膜解吸中能够避免采用吹扫蒸汽或电厂具有丰富的低品位废热提供CO2膜解吸的所需的热耗，再生能耗的优势将会更加明显，存在更好的工业应用前景。
二氧化碳;中空纤维膜技术;吸收剂;传质模型预测
浙江大学
博士
热能工程
方梦祥;骆仲泱;程乐鸣
2014
中文
TQ038.7;TQ028.14
215
2014-07-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）