發(fā)布時(shí)間：2020-08-17 20:27

【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(wèn)題之一,應(yīng)對(duì)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(jī)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(jī)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(lái)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(guò)相分離可減少需再生的富液量,進(jìn)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(jī)理、體系調(diào)控、動(dòng)力學(xué)特性以及再生能耗等方面展開(kāi)探索。論文的主要研究工作和結(jié)果如下:(1)利用多級(jí)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(fù)荷可達(dá)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(jī)理研究表明,DETA不僅可作為CO_2吸收促進(jìn)劑,同時(shí)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(guò)程。相變機(jī)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(duì)DETA-PMDETA兩相胺富液粘度較大和再生性能欠佳的問(wèn)題,引入了2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)作為調(diào)控劑對(duì)兩相胺進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)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(duì)兩相胺的調(diào)控機(jī)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(shí)自由質(zhì)子可通過(guò)多種途徑產(chǎn)生,促進(jìn)了DETA-氨基甲酸鹽的分解。(3)基于“兩性離子機(jī)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(dòng)力學(xué)模型。與單組分胺溶液吸收CO_2的動(dòng)力學(xué)對(duì)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(huì)發(fā)生群聚,因而形成PMDETA簇,PMDETA群簇的形成對(duì)體系吸收CO_2有一定限制作用。兩相胺吸收CO_2的動(dòng)力學(xué)特性可用簡(jiǎn)單的擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型描述,通過(guò)模型預(yù)測(cè)得到的總反應(yīng)速率常數(shù)k_(ov,mix)與實(shí)驗(yàn)值具有良好的吻合度。(4)利用簡(jiǎn)易的再生塔模型對(duì)再生能耗進(jìn)行評(píng)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?dú)w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(diǎn),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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：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(wèn)題已成為當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展不可忽視的問(wèn)題，其中全球氣候變暖是當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一[1,2]。根據(jù)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告（Intergovernmental Panel on Climate ChangeFifth Assessment Report，IPCC AR5），自 1850 年以來(lái)，地球表面溫度總體上呈不斷上升的趨勢(shì)（圖 1.1）[3]。報(bào)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(shí)間可能是北半球過(guò)去 1400 年中最溫暖的 30 年。通過(guò)線性趨勢(shì)計(jì)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(jì)，如不加以控制，未來(lái)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(huì)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(yán)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(duì)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(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)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(shì)。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(kāi)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(duì)進(jìn)而防止氣候繼續(xù)惡化至關(guān)重要[7]。為此，國(guó)際能源署（Inte Agency，IEA）提出了 CO2減排目標(biāo)：到 2050 年，CO2的排放量 年排放量的 50%[8]。類活動(dòng)排放的 CO2主要來(lái)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(guò)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(guò)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(shí)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(diǎn)與各氣體分子之間的引力差異來(lái)實(shí)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(duì) CO2進(jìn)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(xiàn)】

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(qiáng);;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(bào);2014年08期

2 李新春;孫永斌;;二氧化碳捕集現(xiàn)狀和展望[J];能源技術(shù)經(jīng)濟(jì);2010年04期

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(jìn)展[J];化工學(xué)報(bào);2009年02期

4 張斌,倪維斗,李政;火電廠和IGCC及煤氣化SOFC混合循環(huán)減排CO_2的分析[J];煤炭轉(zhuǎn)化;2005年01期

5 張斌,倪維斗,李政;IGCC及煤氣化固體氧化物燃料電池混合循環(huán)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J];動(dòng)力工程;2005年01期

6 聶會(huì)建,李政,張斌;整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)全生命周期CO_2排放計(jì)算及分析[J];動(dòng)力工程;2004年01期

7 夏明珠,嚴(yán)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(duì)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(yàn)研究[D];浙江大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2795794