【摘要】：過量二氧化碳氣體排放所引發(fā)的溫室效應已經(jīng)成為嚴重的世界問題。如何減緩二氧化碳的排放量引起人們極大的關注,已經(jīng)成為目前及未來人類保護環(huán)境、保護地球的重要工作。變壓吸附分離提純工業(yè)廢氣中CO2的技術具有吸附劑使用周期長、工藝流程簡單、自動化程度高、環(huán)境效益好、無污染產(chǎn)生等優(yōu)點。 活性炭和沸石是最常用的變壓吸附捕集CO2的吸附劑。與活性炭相比,13X沸石在干燥進氣條件下對二氧化碳具有更高的吸附能力。但是13X具有超強的親水性,水分子會污染13X而使其失去活性。而實際從電廠中排出的廢氣中仍含有一部分飽和水蒸氣在室溫條件下不能被除去。如果處理二氧化碳之前通過增加干燥塔等設備來除去電廠廢氣中的飽和水蒸氣,將會增加操作成本,降低變壓吸附技術的優(yōu)越性。因而本研究采用兩種不同方法在分離C02的同時解決水蒸氣的問題。一種方法采用多層變壓吸附工藝在吸附床內(nèi)裝有至少兩種吸附劑,前層吸附劑用來吸附水蒸氣,而主吸附劑用來吸附C02；另外一種方法是應用疏水性活性炭材料分離高濕廢氣中的CO2。本研究利用試驗與模擬相結(jié)合的方式設計了不同變壓吸附工藝。 測定了CO2、N2及H20在各種吸附劑上的等溫吸附曲線,通過吸附平衡探討了不同吸附劑在分離C02和除水方面的優(yōu)缺點。結(jié)果表明,13X沸石和LiX沸石因為其較大的C02吸附量和較高的對C02/N2的吸附選擇性,是良好的吸附分離C02的吸附劑材料。而H20在BASF Sorbeads WS、F200舌性氧化鋁和活性炭纖維上的等溫吸附曲線表明這三種材料都非常適合真空變壓吸附截留廢氣中的水蒸氣。最后,不同氣體在活性炭上的單組分等溫吸附曲線和CO2/H2O的雙組分等溫曲線表明活性炭不僅可以分離C02,而且H20也很容易被解吸下來。H2O/CO2單、雙組分在雙層VSA及活性炭吸附床中的穿透曲線顯示,C02在多種吸附劑上的的吸附速率都遠快于H20的吸附速率,而溫度變化曲線表明H20在吸附劑材料上的吸附釋放的熱量遠大于CO2吸附釋放的熱量。 在多層變壓吸附分離C02的工藝中,利用MINSA軟件模擬了以Sorbead和F200為前層吸附劑,以13X為主吸附劑的循環(huán)操作過程。LBET方程被用來擬合了水蒸氣在F200上的吸附等溫線,而CDS和CMMS方程被用來擬合了水蒸氣在Sorbead上的吸附等溫線。結(jié)果顯示,兩種吸附劑都可以成功截留住水蒸氣而保護13X主吸附層。本工藝采用九步循環(huán)操作步驟使?jié)舛葹?2%的CO2濃縮至純度最高達91%,CO2的回收率也可達80%。簡單的單床三步試驗裝置測試了不同吸附劑材料的性能及多層VSA的可行性。結(jié)果表明,LiX三層實驗可以提高CO2的回收率和產(chǎn)率。而ACF三層VSA實驗中,水蒸氣峰面在吸附床的位置低于其他兩種實驗條件下水蒸氣的峰面。簡單的三步實驗過程可以使CO2的純度最高達68%,回收率最高為81%。最后,把13X+Sorbead雙層VSA試驗應用在三床半工業(yè)化裝置中測定了吸附床內(nèi)的壓力、溫度變化,水蒸氣和CO2的濃度分布以及各操作參數(shù)對CO2分離效果的影響。分別采用六步和九步循環(huán)操作步驟進一步提高了CO2的分離純度。結(jié)果顯示,解吸壓力、進氣流速和Sorbead與13X的體積比為三個最重要的影響分離效果和H2O分布的操作參數(shù)。6步循環(huán)操作可以使進氣濃度為12%的CO2純度達到72.3%,回收率超過85%,而9步VSA實驗操作中可以得到96.1%的CO2,回收率為80.5%。 以活性炭為吸附劑的CO2-VSA工藝探討了水蒸氣對CO2分離效果的影響。結(jié)果表明,H2O的存在幾乎不影響活性炭對CO2的分離效果。與13X相比,活性炭對CO2解吸壓力要求不高,但是由于活性炭對CO2/N2選擇性不高,三床六步實驗可以得到純度為57.2%的CO2,回收率為68%。 本研究最后設計了雙級VSA工藝。第一級工藝以活性炭為吸附劑,第二級工藝以13X為吸附劑。在不需要增加沖洗等復雜操作步驟的情況下不但解決了工業(yè)廢氣中的水蒸氣問題,而且獲得了純度為大于99%的CO2,并且CO2回收率可以高達90%以上,滿足了碳的捕獲與存儲的要求,具有很好的工業(yè)應用前景。
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：X773
【圖文】：

第一章諸論或制氫，以及生物質(zhì)燃燒過程中也排放C02。圖1.1展示了各種二氧化碳排放源所占的比例。顯然，bll工廠廢氣排放的C02占了所布排放量的將近一半。2000年全球使用的化石燃料排放總量為23.5千兆(：02/年（6千兆噸碳/年）。其中接近60%的排放是歸因于大的(〉0.1兆噸CCV年）固定排放源。m甜，大多數(shù)大排放源的C02濃度低于15% (有些情況F遠低于此值）。然而，一小部分（不到2%)基于化石燃料的工業(yè)源的C02濃度可超過95%。3% ‘?Siationarv ciiorft'9% ‘“Fugitive emissionsr 5?. “ , J ?Indiistrinl processes殘 ,‘Agriciikiire-；y ？Land yseuiul forestryWdsle丨冬11.丨丨I 'J的CO2排放源及所111的比例Fig. 1.1 Different source of CO2 emission and the percentage of each source1.1.2 CO2的捕獲和封存簡介為了減緩全球性氣候變化，控制及處理大氣巾過量二氧化碳排放，碳的捕獲和存儲(carbon capture and storage, CCS)的概念1丨_.丨\431-(；1101:1:丨十1977年提丨丨|丨[6]。一氧化碳捕獲和存儲足指C02從工業(yè)或相關能源的源分離出來，濃度達到95%以上，Hi縮117輸送到?個封存地點，并LLK;期與大氣隔絕的?個過程。1992年

Fig. 1.4 Overview of CO： capture process and system燃燒后:r.業(yè)廢氣中C02的濃度--?般會在5-15%之N波動。廢氣從鍋爐出來后經(jīng)過脫硫、脫n糯ο鄭詈蠼氬痘穹擲氬街�。窋S牒蟮囊謊躉寂ǘ然岣吒

本文編號：2716992