發(fā)布時(shí)間：2020-06-25 14:17

【摘要】：CO2是導(dǎo)致全球氣候變化的主要溫室氣體之一,其減排已經(jīng)成為國際社會(huì)重大的政治和經(jīng)濟(jì)議題。捕集回收燃煤電廠、鋼鐵廠等固定源排放的CO2不僅是緩解C02排放危機(jī)最直接有效的手段,還能通過副產(chǎn)CO2降低減排成本。CO2的捕集技術(shù)主要有吸收、吸附和深冷分離等方法,其中真空變壓吸附法(VPSA)以其設(shè)備簡單、能耗低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和腐蝕問題容易處理等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注。然而,目前吸附法的捕集成本仍然偏高,限制了其大規(guī)模地工業(yè)應(yīng)用；而降低成本的主要手段在于新型吸附材料的開發(fā)和吸附工藝的系統(tǒng)優(yōu)化。本文采用新型碳材料(瀝青基活性炭小球)為吸附劑,系統(tǒng)研究了與之匹配的低能耗真空變壓吸附工藝,以滿足工業(yè)化的需求。 首先,采用磁懸浮天平分別測定了0-100 kPa和0-4000 kPa下CO2和N2在瀝青基活性炭小球上不同溫度下(303、333、363、393和423 K)的吸附等溫線,并采用Virial和Multi-site Langmuir等溫線模型對(duì)吸附平衡進(jìn)行擬合比較。結(jié)果表明,活性炭小球?qū)02具有良好的吸附量(100 kPa,303 K時(shí)吸附量為2.2mmol/g),具有適宜的C02/N2選擇性。無論是在低壓還是高壓下,Virial等溫線模型均可以很好地對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合；Multi-site Langmuir等溫線模型能夠很好地描述低壓下的吸附平衡,但在高壓下其擬合結(jié)果較差。根據(jù)純組分氣體的Virial模型參數(shù)可以進(jìn)一步預(yù)測C02/N2雙組分的吸附平衡,從而為變溫／變壓吸附過程的系統(tǒng)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 其次,采用稀釋穿透曲線法測定了303、333、363、393和423K下CO2和N2在瀝青基活性炭小球上的擴(kuò)散系數(shù),建立了雙分散二級(jí)孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散模型。結(jié)果表明,該模型能夠很好地對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,N2在活性炭小球上的擴(kuò)散遠(yuǎn)比CO2快的多；無論是對(duì)于C02還是N2,微孔擴(kuò)散均為擴(kuò)散控制步驟。CO2和N2在活性炭小球上的擴(kuò)散模型的建立以及相關(guān)擴(kuò)散參數(shù)的確定,為變溫／變壓吸附過程的設(shè)計(jì)和模擬提供另一重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 進(jìn)一步,建立了VPSA過程的數(shù)學(xué)模型和能耗計(jì)算模型,采用單塔實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,并通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬,研究了不同進(jìn)料流速、不同CO2進(jìn)料濃度、不同操作壓力、不同操作溫度和不同真空壓力對(duì)VPSA過程分離性能(包括：產(chǎn)品氣純度、回收率、生產(chǎn)能力和單位能耗)的影響。在此基礎(chǔ)上,模擬研究了三塔均壓、產(chǎn)品氣吹掃等步驟以及不同P/F值、產(chǎn)品氣回流比對(duì)VPSA分離性能的影響。結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與VPSA實(shí)驗(yàn)過程中的壓力、溫度和CO2出口流率變化曲線均擬合地較好；在不同操作條件下,采用簡單的四步法Skarstrom循環(huán),以瀝青基活性炭小球?yàn)槲絼┑膯渭?jí)VPSA過程可以將煙道氣中的CO2(15%左右)提純至40%-60%、回收率為40%-96%。 最后,模擬設(shè)計(jì)了兩級(jí)VPSA流程以得到高純度的C02,其中：第1級(jí)VPSA采用四步法Skarstrom循環(huán),在保證高回收率的情況下,將煙道氣中的CO2在近常壓下從15%提純至40%-60%；第2級(jí)VPSA采用包含均衡壓力的五步循環(huán)操作,將第1級(jí)VPSA的產(chǎn)品氣加壓至(2-5)bar后,進(jìn)一步分離提純至濃度大于95%(滿足CO2儲(chǔ)存要求)。結(jié)果表明,采用活性炭小球?yàn)槲絼?經(jīng)過兩級(jí)VPSA分離后產(chǎn)品氣的純度可達(dá)95.29%、回收率為74.36%、吸附劑的生產(chǎn)能力為0.85 mol-CO2/kg/h、總能耗為723.56 kJ/kg-CO2,顯示了碳基材料在CO2捕集中良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X701

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 陳美娟;基于重量法和核磁共振法的聚乙烯中溶解擴(kuò)散行為研究及其應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2014年

2 張明明;鈣基高溫二氧化碳吸附材料的制備及其吸附性能[D];華東理工大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2729264