中空纤维膜接触器分离燃煤烟气中二氧化碳的试验研究

论文摘要

全球变暖是由于温室气体的大量排放所导致的温室效应的加剧引起的，是目前世界上最主要的环境问题之一，CO2是对温室效应贡献最大的温室气体。以矿物燃料为主要能源的电力生产是CO2的一个集中排放源，随着社会经济的迅速发展，对电力需求逐渐增大，导致CO2排放量的不断增大，因此研究火电厂CO2的排放控制和分离回收技术对于应对全球变暖、温室效应问题具有重要的意义。膜吸收法是近年来发展起来的分离回收CO2的工艺，该工艺结合了化学吸收法的选择性和膜分离法的紧凑性，是一种很有前景的CO2脱除工艺。本研究首先进行了吸收液对CO2的吸收机理试验，试验中选择不同吸收液浓度，分别比较了MEA（一乙醇胺）、MDEA（甲基二乙醇胺）和AAAP（氨基乙酸钾）三种单一吸收液对CO2吸收和解吸的效果，结果发现在对CO2进行吸收时，MEA溶液和AAAP溶液的吸收能力要好于MDEA溶液，而在解吸时，这两种溶液的解吸能力要弱于MDEA溶液。在此基础上选择不同浓度MDEA溶液，将MEA和AAAP作为添加剂添加到MDEA溶液中组成混合吸收液，针对不同添加剂浓度的混合吸收液对CO2的吸收和解吸进行研究，结果表明在添加MEA和AAAP后，基于MDEA的混合吸收液的吸收能力比单一的MDEA溶液有了很大的提高。设计并搭建了中型中空纤维膜接触器分离烟气中CO2的试验台，采用具有中心分配管的膜接触器，以AAAP、MEA和MDEA的单一水溶液为吸收液，在试验台上进行了模拟烟气中CO2的分离回收试验，分析了吸收液温度、气液流速、吸收液浓度、烟气中CO2浓度等条件对传质速率和脱除效率的影响，同时进行了膜接触器对实际烟气中CO2的脱除试验，并和模拟烟气进行了比较，最后进行了连续循环吸收试验。结果表明，三种吸收液的吸收效果为AAAP溶液＞MEA溶液＞MDEA溶液，另外MDEA溶液吸收容量大，解吸容易，MEA溶液比AAAP溶液解吸效果好，但润湿性略逊于AAAP溶液；在试验范围内，传质速率随烟气CO2浓度逐渐增加。在搭建的小型和中型试验台上采用不同中空纤维膜接触器，考察MDEA+MEA和MDEA+AAAP这两种混合吸收液对CO2的吸收状况，并就三种膜接触器对CO2的吸收情况进行了比较，结果表明膜吸收法中在MDEA溶液中添加MEA或AAAP作为添加剂可以有效的提高MDEA溶液对CO2的吸收；当添加剂的浓度一定时，提高MDEA溶液的浓度并不能够提高其对CO2的吸收，高浓度MDEA混合溶液的吸收能力反而有所下降；另外通过对三种膜接触器的

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

2排放状况'>1.1 温室效应和CO₂排放状况

2排放控制措施'>1.2 CO₂排放控制措施

1.2.1 吸收分离法

1.2.2 吸附分离法

1.2.3 膜法

1.2.3.1 膜分离法

1.2.3.2 膜吸收法

1.2.4 低温蒸馏法

1.2.5 富氧燃烧技术

1.2.6 化学链燃烧技术

2'>1.2.7 石灰石法脱除燃煤烟气中的CO₂

2分离回收技术经济性比较'>1.3 火电厂CO₂分离回收技术经济性比较

2固定利用技术'>1.4 CO₂固定利用技术

1.4.1 物理固定或利用

1.4.2 化学固定或利用

1.4.3 生物固定或利用

1.5 本论文选题背景和主要内容

1.6 本章小结

第二章膜吸收技术

2.1 膜与膜技术概述

2.1.1 膜的定义及分类

2.1.2 膜吸收技术

2.2 膜接触器定义及分类

2.2.1 气-液膜接触器

2.2.2 液-气膜接触器

2.2.3 液-液膜接触器

2.2.4 非多孔膜接触器

2.3 膜接触器分离二氧化碳工艺的研究进展

2.3.1 系统工艺和性能

2.3.2 吸收液

2.3.3 膜的结构和材料

2.3.4 数学模型

2.4 本章小结

第三章吸收液吸收二氧化碳的机理试验研究

3.1 前言

2反应机理'>3.2 吸收液与CO₂反应机理

3.3 试验设备和试验方法

3.3.1 试验设备

3.3.2 吸收试验方法

3.3.3 解吸试验方法

3.3.4 吸收液碳化度分析

2的吸收与解吸'>3.4 单一吸收液对CO₂的吸收与解吸

2的吸收'>3.4.1 单一吸收液对CO₂的吸收

2的解吸'>3.4.2 单一吸收液对CO₂的解吸

2的吸收与解吸'>3.5 混合吸收液对CO₂的吸收与解吸

2的吸收'>3.5.1 混合吸收液对CO₂的吸收

3.5.1.1 MDEA+MEA混合吸收液的吸收曲线

3.5.1.2 MDEA+AAAP混合吸收液的吸收曲线

3.5.1.3 MDEA+MEA与MDEA+AAAP混合吸收液的吸收性能比较曲线

2的解吸'>3.5.2 混合吸收液对CO₂的解吸

3.5.2.1 MDEA+MEA混合吸收液的解吸曲线

3.5.2.2 MDEA+AAAP混合吸收液的解吸曲线

3.5.2.3 MDEA+MEA与MDEA+AAAP混合吸收液的解吸性能比较曲线

3.6 本章小结

2的吸收'>第四章单一吸收液在膜接触器中对CO₂的吸收

4.1 前言

4.2 试验流程及装置

4.2.1 试验流程

4.2.2 膜柱尺寸和结构

4.2.3 试验用吸收剂

4.2.4 试验方法及参数测量

4.3 疏水膜的润湿性试验

4.4 试验结果的表征

4.5 吸收液饱和试验及其解吸试验

4.5.1 不同吸收液浓度的饱和试验

4.5.2 不同解吸时间吸收液的饱和试验

4.5.3 不同吸收液流速的饱和试验

4.5.4 饱和试验中碳化度变化

4.6 新鲜吸收液不循环试验

4.6.1 膜柱连接方式试验

4.6.2 吸收液温度影响试验

4.6.3 吸收液流速对吸收效果的影响

4.6.4 吸收液浓度对吸收效果的影响

4.6.5 烟气流速对吸收效果的影响

2浓度对吸收效果的影响'>4.6.6 烟气CO₂浓度对吸收效果的影响

4.6.7 膜吸收法与化学吸收法的比较

4.6.8 实际燃煤烟气与模拟烟气的比较

4.7 吸收液连续运行试验

4.8 系统阻力

4.9 本章小结

2的吸收'>第五章混合吸收液在膜接触器中对CO₂的吸收

5.1 前言

5.2 试验流程及装置

5.2.1 试验流程和膜组件

5.2.2 试验用吸收剂

5.3 小型试验台试验

5.3.1 膜柱数目对吸收效果的影响

5.3.2 烟气流速和吸收液流速对吸收效果的影响

5.3.3 不同浓度添加剂对吸收效果的影响

5.3.4 吸收液连续运行试验

5.4 中型试验台试验

5.4.1 添加剂类型对脱除效果的曲线

5.4.2 吸收液浓度对脱除效果的曲线

5.4.3 吸收液连续运行试验

2吸收的比较'>5.5 不同膜接触器对CO₂吸收的比较

5.6 本章小结

2的模型研究'>第六章膜接触器分离CO₂的模型研究

6.1 前言

6.2 传质模型

6.2.1 气相分传质系数

6.2.2 膜传质系数

6.2.3 液相分传质系数

6.2.4 总传质系数

6.3 脱除效率模型

6.4 参数设置

6.5 模型计算结果与讨论

6.5.1 模型计算结果

2的预测'>6.5.2 利用模型对膜接触器脱除CO₂的预测

6.6 本章小结

2的经济性分析'>第七章燃煤电厂分离CO₂的经济性分析

7.1 前言

7.2 工艺路线

7.2.1 超超临界电厂采用化学吸收法和膜吸收法

7.2.2 富氧燃烧电厂

7.2.3 IGCC电厂

7.3 经济性分析

7.4 经济性分析结果

7.5 各种因素对经济性分析的影响

2脱除系统对单位投资的影响'>7.5.1 CO₂脱除系统对单位投资的影响

2脱除费用的评价'>7.5.2 CO₂脱除费用的评价

2脱除系统对发电成本的影响'>7.5.3 CO₂脱除系统对发电成本的影响

7.6 本章小节

第八章全文总结

8.1 全文的主要工作和结论

8.2 本文的创新点

8.3 下一步工作的展望

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

致谢

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