鉀基吸收劑CO2捕集過程機(jī)理建模及系統(tǒng)仿真.pdf

1、近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)和人口的迅速增長，溫室氣體排放所造成的全球變暖問題成為國際社會普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，其中大部分是燃煤電站釋放出的CO2氣體。目前，對于絕大多數(shù)火力發(fā)電技術(shù)，包括新建和改造機(jī)組，均可以采用燃燒后脫碳的方法捕集CO2。在眾多燃燒后CO2捕集技術(shù)中，采用堿金屬基固體吸收劑吸收煙氣中的CO2，具有原料成本低、反應(yīng)能耗低、循環(huán)利用效率高、設(shè)備無腐蝕以及無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究表明，將鉀基吸收劑負(fù)載在具有發(fā)

2、達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的載體上，獲得了良好的碳酸化特性。目前，國內(nèi)外對鉀基吸收劑碳酸化特性的研究還處于起步階段，對其碳酸化反應(yīng)機(jī)理的研究還不夠充分，影響鉀基吸收劑碳酸化特性的因素還未完全掌握。國內(nèi)外在反應(yīng)器級鉀基吸收劑碳酸化反應(yīng)的研究上，主要集中在小型鼓泡流化床試驗(yàn)裝置，較大規(guī)模的CO2脫除-吸收劑循環(huán)再生連續(xù)脫碳的綜合試驗(yàn)研究開展的還較少，且獲得的研究成果有限。
　　針對上述問題，本文旨在探尋鉀基吸收劑顆粒的反應(yīng)機(jī)理及其在反應(yīng)器中的反應(yīng)特性

3、，在吸收劑顆粒、小型鼓泡床反應(yīng)器、綜合脫碳試驗(yàn)系統(tǒng)等三個層面開展機(jī)理模型和數(shù)值模擬工作。首先，圍繞著機(jī)理模型開展了一系列試驗(yàn)研究，為其提供建模依據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，主要包括:(1)利用改進(jìn)的熱重試驗(yàn)平臺，對比分析了不同粒徑的純K2CO3吸收劑和負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑顆粒的碳酸化特性，研究了其微觀結(jié)構(gòu)的差異以及在碳酸化過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律;(2)在熱重試驗(yàn)平臺上，對比研究了純K2CO3吸收劑和負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑碳

4、酸化產(chǎn)物的再生反應(yīng)特性;(3)在小型鼓泡床試驗(yàn)系統(tǒng)上，考察了主要操作參數(shù)對負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑碳酸化特性的影響規(guī)律。其次，在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，開展了吸收劑顆粒機(jī)理模型和反應(yīng)器系統(tǒng)數(shù)值模擬及綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真研究，主要包括:(1)以熱重試驗(yàn)及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了純K2CO3吸收劑顆粒縮核反應(yīng)模型和負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑顆粒粒子反應(yīng)模型，并對所建立的模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和進(jìn)一步分析;(2)建立了小型鼓泡床反應(yīng)器的C

5、FD-DEM模型，并利用該模型對小型鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)碳酸化反應(yīng)的細(xì)節(jié)特征和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析;(3)以CFD-DEM模擬和相關(guān)試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，以Kunii-Levenspiel氣固兩相模型（K-L兩相模型）為基礎(chǔ)，耦合了吸收劑顆粒碳酸化反應(yīng)機(jī)理模型和傳熱模型，建立了小型鼓泡床反應(yīng)器宏觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用該模型對小型鼓泡床反?yīng)器進(jìn)行了模擬計(jì)算;(4)以CO2脫除-吸收劑循環(huán)再生綜合試驗(yàn)系統(tǒng)為對象，建立了“CO2脫除-吸收劑循環(huán)再生連續(xù)脫碳系統(tǒng)”

6、的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上開展了一系列的仿真試驗(yàn)研究。
　　對純K2CO3吸收劑和負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑微觀結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)的研究表明，純K2CO3吸收劑是致密性固體，顆粒內(nèi)部氣體擴(kuò)散系數(shù)較小，屬于氣固縮核反應(yīng)模型的范疇，而負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑是疏松固體，顆粒內(nèi)部氣體擴(kuò)散系數(shù)較大，屬于粒子反應(yīng)模型的范疇。本文利用縮核反應(yīng)模型描述純K2CO3吸收劑的碳酸化反應(yīng)機(jī)理，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了其氣體內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)與

7、吸收劑轉(zhuǎn)換率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，利用此關(guān)聯(lián)式改進(jìn)了模型，改進(jìn)后的模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，從而驗(yàn)證了所選取的機(jī)理模型和建立的關(guān)聯(lián)式是合適的。利用粒子反應(yīng)模型描述負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑的碳酸化反應(yīng)機(jī)理，結(jié)合負(fù)載型吸收劑的物理結(jié)構(gòu)特征，對傳統(tǒng)的粒子模型進(jìn)行了改造，采用改造后的粒子模型對負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑碳酸化特性進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。通過對鉀基吸收劑機(jī)理模型的研究，加深了對吸收劑碳酸化反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)

8、識，為進(jìn)一步開展反應(yīng)器級的模擬研究提供基礎(chǔ)，同時本文的研究思路和研究方法也為開展類似的氣固反應(yīng)機(jī)理模型研究提供了思路和方法，具有一定的借鑒意義。
　　利用CFD-DEM模擬方法對小型鼓泡床反應(yīng)器碳酸化反應(yīng)開展了模擬研究，模擬研究的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。CFD-DEM模擬研究結(jié)果表明:在小型鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)，吸收劑顆粒濃度和溫度總體上分布較均勻;氣泡對吸收劑的CO2吸收反應(yīng)具有雙重影響，一方面氣泡強(qiáng)化了吸收劑顆?；旌蠌亩欣谔妓峄?/p>

9、應(yīng)，另一方面氣泡本身作為反應(yīng)氣體的短路途徑而不利于吸收劑碳酸化反應(yīng)。利用該模型考察了主要操作參數(shù)對反應(yīng)器脫碳特性的影響，有助于深入了解反應(yīng)器內(nèi)吸收劑的碳酸化特性。
　　在CFD-DEM模擬研究的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)建立反應(yīng)器宏觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男枰?，選取了K-L鼓泡兩相模型作為宏觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀L試在K-L兩相模型中耦合顆粒的反應(yīng)機(jī)理模型，取得了較好的結(jié)果。通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，K-L兩相模型能正確反映出小型鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)負(fù)載型K2CO3/Al

10、2O3吸收劑吸收CO2的反應(yīng)過程，同時也能夠?qū)Ω鞣N不同操作條件對反應(yīng)的影響特性進(jìn)行估算。結(jié)果表明，K-L兩相模型簡單可靠，計(jì)算量小，實(shí)時性好，能夠適應(yīng)實(shí)時仿真模擬的需要。
　　以“CO2脫除-吸收劑循環(huán)再生連續(xù)脫碳綜合試驗(yàn)系統(tǒng)”為對象，以小型鼓泡床反應(yīng)系統(tǒng)宏觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，在自主研發(fā)的仿真支撐系統(tǒng)上，開發(fā)了綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)平臺，用于研究負(fù)載型K2CO3/Al2O3吸收劑在綜合試驗(yàn)系統(tǒng)上碳酸化特性。利用綜合試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真

11、試驗(yàn)系統(tǒng)的精度，結(jié)果表明仿真試驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)較吻合且具備了一定的精度。利用該仿真試驗(yàn)系統(tǒng)開展了一系列的模擬試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)由于吸收劑碳酸化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，且吸收劑的碳酸化反應(yīng)溫度較狹窄，通過冷卻水有效的控制反應(yīng)溫度是至關(guān)重要的;(2)在碳酸化-再生過程中，存在一個最佳循環(huán)倍率使得系統(tǒng)脫碳效率能達(dá)到設(shè)計(jì)要求;(3)煙氣中CO2濃度在較小的值波動時，對系統(tǒng)脫碳效率影響不大，當(dāng)CO2體積濃度超過一定值后，系統(tǒng)脫碳效率下降

12、較快;(4)氣體表觀氣速對脫碳效率影響較大，增大氣體表觀氣速，造成一部分CO2氣體未能及時參與碳酸化反應(yīng)就被帶出反應(yīng)區(qū)。在確保吸收劑流化良好的基礎(chǔ)上，選取較小的流化數(shù)有利于提高CO2吸收效率;(5)再生反應(yīng)器內(nèi)，吸收劑獲得及時有效的再生是確保系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ);(6)通過吸收反應(yīng)器串聯(lián)運(yùn)行的方式能有效進(jìn)一步提高系統(tǒng)的脫碳效率，同時也能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　總之，本文從吸收劑顆粒、小型鼓泡床試驗(yàn)系統(tǒng)以及綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的角