【摘要】：我國是以化石燃料為重要能源的國家，CO2排放總量居世界各國之首，主要排放源是燃煤電廠，燃煤電廠排放煙氣中所含的CO2，是造成溫室效應的主要因素。因此分離煙氣混合氣體中的CO2，是一個迫切需要解決的問題。 混合氣體的分離方法包括吸收法、吸附法、膜分離法等，其中吸附法以設備簡單、無腐蝕和能耗低等優(yōu)勢，成為人們在工程實際中研究應用的焦點。然而，若采用吸附法捕獲煙氣中CO2，由于燃煤電廠中煙氣具有較高流速和溫度，且所含的CO2濃度較低，致使吸附法捕獲煙氣中CO2的研究，存在諸多的技術難點，目前尚無法獲得工程應用。 本文首先分析了含CO2的燃煤電廠煙氣的特性，通過搭建的實驗系統(tǒng)，以N2和CO2混合氣體模擬煙氣，選取活性炭、沸石分子篩、聚丙烯腈基活性碳纖維和粘膠基活性碳纖維四種常用吸附劑，，針對不同溫度和不同流量工況，分別測定了吸附器出口N2和CO2的濃度，通過繪制穿透曲線，計算CO2的吸附量，得出這四種吸附劑對N2的吸附穿透時間都很短，而對CO2的穿透時間屬粘膠基活性碳纖維最長，為360s，說明粘膠基活性碳纖維對吸附煙氣中的CO2，具有較好的可選擇性。并且粘膠基活性碳纖維的再生熱穩(wěn)定性最好，吸附量穩(wěn)定在2.33mol/kg。 測試了粘膠基活性碳纖維的動力學性能，包括測試粘膠基活性碳纖維對CO2的吸脫附性能以及導電性能、通電脫附性能，擬合得出活性碳纖維的吸脫附等溫線方程，通電實驗結果表明：在相同裝填質(zhì)量下，活性碳纖維的電流與電壓基本呈線性關系，電阻為定值。 基于熱力學和吸附動力學建立CO2吸附捕獲的數(shù)學模型，首先對方程進行無量綱化處理，然后采用有限差分法對方程組進行求解，利用實驗測試數(shù)據(jù)的對比驗證，證明了模型的可靠性。并進一步分析了換熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)對吸附過程的影響，得出換熱系數(shù)對出口濃度影響較大；而隨著傳質(zhì)系數(shù)的增大，煙氣中CO2組分的出口濃度，先減小后增大；降低吸附器所處的環(huán)境溫度，能夠提高吸附速度和飽和吸附量。 在分析了粘膠基活性碳纖維脫附傳質(zhì)和傳熱特性基礎上，研究建立了脫附過程的數(shù)學模型，模擬計算了變壓脫附時脫附量和脫附率變化，得出在降壓脫附條件下，脫附率僅為78%，且脫附過程受脫附熱效應的影響較大；模擬了不同環(huán)境溫度下脫附過程脫附率的差異，得出脫附過程在較高的環(huán)境溫度下能夠提高脫附速度和脫附終了時的脫附率。 為提高吸附捕獲CO2的吸脫附率，提出了技術改進方案，包括：吸附器外設置套管和通電加熱吸附劑的改進措施；根據(jù)改進措施設計了套管式吸附器和通電式吸附器，并建立了各自的計算模型，進行了典型工況計算，得出結論：套管式吸附器吸附過程中通入冷水，能夠降低40s的吸附時間，并提高0.08mol/kg的吸附量；套管式吸附器脫附時通熱水，能降低90s的脫附時間，并將脫附率從0.78提高到0.81；通電式吸附器通入低壓電雖使脫附時間延長180s，但會使脫附率從78%上升到84%；變電變溫變壓聯(lián)合工藝脫附時間僅為310s，而脫附率高達92.4%。 最后本文在綜合上述研究內(nèi)容基礎上，設計雙塔變壓變電變溫聯(lián)合捕獲CO2的系統(tǒng)，建立連續(xù)捕獲過程的動態(tài)數(shù)學模型，模擬計算了吸附器內(nèi)吸附劑上吸附的CO2量隨時間的變化。通過捕獲時間、捕獲率、能量消耗等性能指標研究CO2捕獲過程吸附分離的動態(tài)性能，發(fā)現(xiàn)新系統(tǒng)在少量增加水泵能耗和通電能耗的基礎上，能夠提高20.62%的捕獲量，降低35.63%的捕獲時間，并將捕獲率由0.65上升到了0.88。 通過本文的研究，證明了變壓吸附變電變溫脫附在燃煤電廠煙氣中CO2的捕獲方面應用的可行性。本文的研究成果將為捕獲燃煤電廠煙氣中CO2系統(tǒng)的應用提供理論基礎和技術支持。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：X773

【參考文獻】

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本文編號：2699978