【摘要】：全球氣候變暖已成為當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問題之一,應(yīng)對全球氣候變暖,關(guān)鍵在于控制人為二氧化碳(CO_2)的排放,尤其是控制燃煤電廠煙氣中的CO_2排放。有機胺吸收法是目前較為常用且成熟的CO_2捕集方法。但傳統(tǒng)有機胺法再生能耗高,發(fā)展受到了限制。兩相胺吸收劑具有顯著的節(jié)能潛力,近年來受到研究者們的廣泛關(guān)注。該類吸收劑在吸收CO_2后能發(fā)生相變,CO_2主要富集在其中一相,因此通過相分離可減少需再生的富液量,進而大幅降低再生能耗。本論文旨在研究新型兩相胺吸收劑用于CO_2捕集,并從新型兩相胺的CO_2捕集性能、反應(yīng)機理、體系調(diào)控、動力學(xué)特性以及再生能耗等方面展開探索。論文的主要研究工作和結(jié)果如下:(1)利用多級胺二乙烯三胺(DETA)和叔胺五甲基二乙烯三胺(PMDETA)構(gòu)建了新型兩相胺吸收劑。DETA-PMDETA(5 mol/L(M),1:4)兩相胺的CO_2負荷可達0.613 mol CO_2/mol胺,其中99.7%的CO_2富集于溶液下層,且下層體積僅占吸收劑總體積的57%。反應(yīng)機理研究表明,DETA不僅可作為CO_2吸收促進劑,同時決定了體系的吸收容量,而PMDETA則主要參與反應(yīng)中的去質(zhì)子化過程。相變機制表明,CO_2產(chǎn)物在PMDETA中溶解度有限,且其密度大于PMDETA,因而遷移至溶液下層,PMDETA則遷移至上層。(2)針對DETA-PMDETA兩相胺富液粘度較大和再生性能欠佳的問題,引入了2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)作為調(diào)控劑對兩相胺進行調(diào)控。通過組分優(yōu)化,確定了0.5 M DETA+1.5 AMP+3 M PMDETA(0.5D1.5A3P)為最佳兩相胺體系�；诙喾N表征手段,探明了AMP對兩相胺的調(diào)控機制:在DETA-PMDETA體系中,CO_2吸收產(chǎn)物主要為DETA-氨基甲酸鹽。引入AMP,可使大量產(chǎn)物以HCO_3~-/CO_3~(2-)形式存在。HCO_3~-/CO_3~(2-)不易形成氫鍵,且比DETA-氨基甲酸鹽易分解。因此,引入AMP構(gòu)建DETA-AMP-PMDETA體系能有效降低兩相胺富液粘度,并提高其再生性能。此外,由于AMP的存在,吸收劑在再生時自由質(zhì)子可通過多種途徑產(chǎn)生,促進了DETA-氨基甲酸鹽的分解。(3)基于“兩性離子機理”和“雙膜理論”,建立了單組分DETA、AMP、PMDETA溶液和DETA-AMP-PMDETA兩相胺吸收CO_2的動力學(xué)模型。與單組分胺溶液吸收CO_2的動力學(xué)對比,發(fā)現(xiàn)DETA-AMP-PMDETA兩相胺吸收CO_2的反應(yīng)速率主要由DETA和AMP決定。另外,兩相胺體系中PMDETA分子會發(fā)生群聚,因而形成PMDETA簇,PMDETA群簇的形成對體系吸收CO_2有一定限制作用。兩相胺吸收CO_2的動力學(xué)特性可用簡單的擬一級動力學(xué)模型描述,通過模型預(yù)測得到的總反應(yīng)速率常數(shù)k_(ov,mix)與實驗值具有良好的吻合度。(4)利用簡易的再生塔模型對再生能耗進行評估,結(jié)果表明,利用兩相胺捕集CO_2可大幅降低再生能耗。0.5D1.5A3P兩相胺可將再生能耗降至1.83 GJ/ton CO_2,相比于傳統(tǒng)MEA吸收劑降低了52%。兩相胺較低的再生能耗主要歸因于其較低的再生顯熱和潛熱。本文所研究的兩相胺吸收劑具有良好的CO_2捕集性能,并兼具低再生能耗的優(yōu)點,可望為高效低耗的CO_2捕集提供新的吸收劑選擇。
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X701
【圖文】：

1.1 課題背景1.1.1 全球變暖與 CO2減排伴隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境問題已成為當(dāng)前人類社會發(fā)展不可忽視的問題，其中全球氣候變暖是當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問題之一[1,2]。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告（Intergovernmental Panel on Climate ChangeFifth Assessment Report，IPCC AR5），自 1850 年以來，地球表面溫度總體上呈不斷上升的趨勢（圖 1.1）[3]。報告顯示，1983 年到 2012 年間，地球表面的年平均溫度迅速上升，這段時間可能是北半球過去 1400 年中最溫暖的 30 年。通過線性趨勢計算的數(shù)據(jù)可知，在 1880 年至 2012 年期間全球陸地和海洋表面氣溫平均升高了 0.85oC。據(jù)預(yù)計，如不加以控制，未來全球氣候?qū)⒁悦?10 年約升高 0.2oC 的速率繼續(xù)變暖。全球變暖會使冰川和凍土消融、海平面上升以及厄爾尼諾現(xiàn)象頻繁發(fā)生，不僅危害自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，也將嚴重威脅人類的生存。

N2O 的 GWP 分別為 1.0、21 和 310，而氟氯烴類物質(zhì)的 GW3900[5]。雖然 CO2的 GWP 相對較低，但在所有 GHG 的排放中，，占總 GHG 排放量的 70%以上（圖 1.2），其對溫室效應(yīng)的貢獻達到了 60%以上。隨著工業(yè)的發(fā)展，大量 CO2排放使大氣中 CO斷上升的趨勢。2007 年，大氣中 CO2濃度為 383 ppm，到 2013 年7 ppm，目前已接近 400 ppm，這比工業(yè)革命開始前大氣中 CO2濃值高出了 43%[6]。因此，作為最重要的溫室氣體，CO2的減排對進而防止氣候繼續(xù)惡化至關(guān)重要[7]。為此，國際能源署（Inte Agency，IEA）提出了 CO2減排目標：到 2050 年，CO2的排放量 年排放量的 50%[8]。類活動排放的 CO2主要來源于林業(yè)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量占總排放量的 85%以上（圖 1.2石燃料利用過程中，電力行業(yè)排放的 CO2量約占總排放量的 78%的控制與減排而言，首先要控制電力行業(yè)的 CO2排放，尤其是燃排放。

圖 1.3 不同 CO2捕集方式的流程圖Fig. 1.3 Schematic diagram of different CO2capture methods1.2 燃燒后 CO2捕集技術(shù)1.2.1 吸附分離技術(shù)吸附分離 CO2技術(shù)是通過固態(tài)吸附劑將煙氣中的 CO2吸附于表面，再用適宜的方法將 CO2解吸，實現(xiàn) CO2分離和富集的目的。該技術(shù)的原理是利用吸附劑表面的活性位點與各氣體分子之間的引力差異來實現(xiàn)氣體分子的分離。在煙氣中，由于 CO2的分子空間結(jié)構(gòu)和極性等特性與其他氣體分子不同，因此特定的吸附劑可對 CO2進行選擇性吸附，其他難于被吸附的氣體分子則隨煙氣排出。根據(jù)操作方式的不同吸附法可分為變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）、變溫吸附（Temperature Swing Adsorption，TSA）和變溫變壓吸附（Pressure＆Temperature Swing Adsorption，PTSA）等[24]。PSA 技術(shù)是結(jié)合了加壓和減壓

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 陳新明;史紹平;閆姝;方芳;許世森;段立強;;燃燒前CO_2捕集技術(shù)在IGCC發(fā)電中的應(yīng)用[J];化工學(xué)報;2014年08期

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3 劉芳;王淑娟;陳昌和;徐旭常;;電廠煙氣氨法脫碳技術(shù)研究進展[J];化工學(xué)報;2009年02期

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7 夏明珠,嚴蓮荷,雷武,王風(fēng)云,朱彬,趙小蕾;二氧化碳的分離回收技術(shù)與綜合利用[J];現(xiàn)代化工;1999年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 高潔;混合乙醇胺吸收劑體系對煙氣中CO_2捕集性能的研究[D];華東理工大學(xué);2018年

2 晏水平;膜吸收和化學(xué)吸收分離CO_2特性的研究[D];浙江大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 汪明喜;基于燃煤煙氣CO_2捕集的相變吸收劑試驗研究[D];浙江大學(xué);2013年

本文編號：2795794