CO2在中空纖維膜內(nèi)的吸收分離性能及其在PVA促進(jìn)傳遞膜內(nèi)的吸附特性.pdf

1、近些年來(lái)，隨著全球溫室效應(yīng)的不斷加劇，CO2等溫室氣體的處理因而日益受到人們的密切關(guān)注。作為未來(lái)最具潛力的減排技術(shù)，CO2捕獲與封存(CCS)技術(shù)可從根本上解決電力等行業(yè)的碳排放問(wèn)題，是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的重要戰(zhàn)略抉擇。而目前燃煤電廠中主要采用傳統(tǒng)的化學(xué)吸收法，但是該法存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置龐大、占地面積大、質(zhì)量重、氣液相控制不容易等問(wèn)題。因此，新興的膜技術(shù)工藝方法因其占地面積小、質(zhì)量輕、氣液兩相獨(dú)立操作、氣液接觸面積大等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種具有

2、較高前景和較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用方法。
　　本文首先以CO2捕集作為研究對(duì)象，初步設(shè)計(jì)并搭建了一套利用余熱回收技術(shù)的中試規(guī)模的中空纖維膜接觸器吸收與解吸混合氣中CO2的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用聚丙烯(PP)膜接觸器，以CO2/N2為模擬煙氣和去離子水為物理吸收劑，從氣體流速、液相流速、CO2體積分?jǐn)?shù)和串聯(lián)膜接觸器等方面考察了膜吸收CO2的能力。另一方面，基于有限元分析方法，利用COMSOL Multiphysics軟件模擬研究了CO2在中空纖維膜接

3、觸器內(nèi)的吸收過(guò)程。研究結(jié)果表明，在特定條件下，當(dāng)增大氣體流速或混合氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，CO2脫除率呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)；當(dāng)液體流速不斷增大時(shí)，CO2脫除率則得到增強(qiáng)；當(dāng)膜接觸器進(jìn)行串聯(lián)操作時(shí)，可以有效地提高CO2的吸收性能。此外，通過(guò)比較物理吸收CO2時(shí)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果，認(rèn)為建立的數(shù)值模型能夠可靠地預(yù)測(cè)CO2在膜接觸器內(nèi)的傳遞和吸收特性。
　　針對(duì)單一吸收劑的CO2吸收效果不佳，解吸過(guò)程能耗大等問(wèn)題，以甲基二乙醇胺/N-氨乙基

4、哌嗪(MDEA/PZEA)混合溶液作為吸收劑，考察了CO2和吸收劑在膜內(nèi)的三維濃度分布示意圖，利用第三章所建膜吸收數(shù)值模型討論了氣相流速、液相流速和濃度、CO2體積分?jǐn)?shù)、溶液添加劑相對(duì)濃度、系統(tǒng)壓力和溫度、流體流動(dòng)方向和狀態(tài)、膜接觸器串聯(lián)、膜絲內(nèi)徑、膜絲壁厚、纖維膜長(zhǎng)度和根數(shù)、膜接觸器內(nèi)徑、膜的孔隙率和曲折因子以及膜材料潤(rùn)濕性等因素對(duì)CO2脫除率和傳質(zhì)速率的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)氣體和液相流速分別增大時(shí)，CO2傳質(zhì)速率都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是C

5、O2脫除率分別升高和降低；煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)脫除過(guò)程的影響與氣速的影響具有相同的變化趨勢(shì)；當(dāng)吸收劑濃度增加時(shí)，CO2脫除效果得到增強(qiáng)。當(dāng)氣液相溫度為298-313K范圍內(nèi)，升高氣相溫度和降低液相溫度都會(huì)削弱膜吸收性能；當(dāng)系統(tǒng)壓力為由0.1MPa增加到5.0MPa過(guò)程中，CO2膜吸收過(guò)程得到進(jìn)一步改善；當(dāng)氣液兩相為逆流流動(dòng)或管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流時(shí)，由于強(qiáng)化了氣液兩相間的擾動(dòng)，因而具有更好的CO2脫除效果；當(dāng)中空纖維膜接觸器數(shù)目增加

6、時(shí)，可以強(qiáng)化CO2的脫除過(guò)程。當(dāng)增大中空纖維膜接觸器長(zhǎng)度，纖維膜根數(shù)和膜孔隙率與曲折因子之比和減小膜絲內(nèi)徑、壁厚，膜接觸器內(nèi)徑和膜潤(rùn)濕率都有利于CO2的分離。重要的是，也發(fā)現(xiàn)了當(dāng)溶液添加劑相對(duì)濃度β=1.5(即0.4mol/L MDEA和0.6mol/L PZEA)時(shí)，CO2脫除率可達(dá)95％以上，在考慮投入成本的經(jīng)濟(jì)性下，該比值的MDEA/PZEA混合溶液具有最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。
　　基于電站煙氣CO2膜吸收特性及機(jī)理，第五章將該法應(yīng)

7、用到沼氣中CO2脫除領(lǐng)域，對(duì)比了物理吸收劑H2O和化學(xué)吸收劑乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)與甘氨酸鉀(PA)溶液的沼氣提純能力，分析了氣液相參數(shù)、系統(tǒng)操作條件和膜接觸器結(jié)構(gòu)對(duì)CO2脫除率、傳質(zhì)速率和CH4回收率的影響作用。結(jié)果表明五種CO2吸收劑的吸收性能排列順序?yàn)镻A>MEA>DEA>TEA>H2O(胺基酸鹽>伯胺>仲胺>叔胺>H2O)，PA可以被作為一種新型的膜技術(shù)純化沼氣的吸收劑。當(dāng)提高吸收劑流速和濃度、

8、系統(tǒng)操作壓力，減小氣體流速和沼氣中CO2體積分?jǐn)?shù)以及膜接觸器進(jìn)行串聯(lián)連接都有利于沼氣純化；當(dāng)管內(nèi)為湍流流體時(shí)，CO2脫除率、傳質(zhì)速率和 CH4回收率比層流流動(dòng)時(shí)都有升高；當(dāng)流體逆向流動(dòng)時(shí)，其比并向流動(dòng)條件下的沼氣提純效果更為明顯。當(dāng)使用具有較小的膜絲內(nèi)徑和壁厚以及較長(zhǎng)的中空纖維膜長(zhǎng)度的膜接觸器時(shí)，其沼氣純化效率更佳。另外，也發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用有500根纖維膜時(shí)提供了最佳的沼氣純化效果。
　　最后，為改善膜材料的耐熱耐壓性能，第六章以50.

9、0wt%聚乙烯醇(PVA)，18.3wt%氫氧化鉀(KOH)，20.7wt%2-氨基異丁酸鉀(AIBA-K)或和11.0wt%聚乙烯亞胺(PEI)的自支持促進(jìn)傳遞膜為對(duì)象，利用高壓熱重分析儀考察了其吸附CO2特性的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)縮醛交聯(lián)后的PVA膜(無(wú)論是否進(jìn)行熱處理)在紅外光譜圖1142cm-1處發(fā)現(xiàn)了C-O-C鍵的伸縮振動(dòng)峰，而純PVA膜則未出現(xiàn)此處的峰值。當(dāng)減小系統(tǒng)溫度或增加系統(tǒng)壓力時(shí)，CO2在膜內(nèi)的溶解度參數(shù)都呈非線性增加；