论文部分内容阅读
随着人类社会现代化进程的加快，导致化石燃料燃烧排放的CO2的量与口俱增，CO2的过度排放引起的“温室效应”已成为全球性环境问题，引起了国际社会的广泛关注。CO2捕获、封存技术(CO2CaptureandStorage，CCS)和资源化利用被认为是短期内应对气候变化的重要技术手段之一。目前，世界超过80％的能源来源于化石燃料燃烧，其中火力发电厂烟道气CO2排放量占化石燃料燃烧排放量的35-40％。因而对于电厂烟道气中的CO2进行捕获对于解决全球变暖和温室效应问题具有重大意义。然而，CO2捕集是CCS全流程中成本最高的环节，约占CCS全流程成本的70％左右。因此，实现CO2捕集技术的关键在于如何降低由于捕集过程带来的能源系统效率的下降以及相应的成本上升。
本论文主要从新型吸附剂的制备和吸附工艺的开拓两方面对CO2捕获过程进行了研究。主要内容及结论如下:
1.由于碱金属基固体吸附剂具有原料成本低、循环利用效率高、对设备无腐蚀等优点而被视为是一种具有应用前景的CO2吸附剂。本论文首先在前人研究的基础上，制备了MgO/Al2O3吸附剂，通过XRD、N2吸脱附、SEM、CO2-TPD、FT-IR等表征技术，深入探讨了其结构特征和可能的吸附机理。结果表明:CO2在10wt％MgO负载的MgO/Al2O3吸附剂上吸附量最大，并形成了碳酸氢盐、双齿型和单齿型碳酸盐，适量的水蒸气有利于CO2的吸附。吸附剂在350C可以再生并在多次循环实验中未见吸附量下降，同时预测经多次吸脱附可收集到较高浓度的CO2。此外，采用失活模型对MgO/Al2O3吸附剂吸附CO2的穿透曲线进行模拟，发现失活模型完全能模拟这一过程。
对MgO/Al2O3吸附剂进行改性，合成了新型K2CO3/MgO/Al2O3吸附剂。系统地研究了制备方法以及工艺操作条件对吸附剂性能的影响，结果表明:MgO含量、温度、水分含量对K2CO3/MgO/Al2O3吸附剂吸附CO2性能影响较大。在此基础上提出了可能的吸附机理。当MgO含量为20wt％时，经水蒸气预处理后在载体Al2O3孔道和表面形成了水滑石结构，这种结构既保持了吸附剂的较高的机械强度又利于保护水滑石层状结构。此外，采用Toth吸附平衡方程描述了特定温度下CO2在吸附剂上的吸附平衡曲线。
2.针对电厂烟道气排放气流量大的特点，采用循环流化床吸附装置对K2CO3/MgO/Al2O3吸附剂在模拟电厂烟气气氛条件下CO2的吸附行为进行了研究，考察了流化床内气固流动特性并优化了工艺操作条件。结果表明:CO2吸附过程中在吸附剂表面形成了多种吸附形态，并在多次吸脱附实验中表现出较好的稳定性，在480C吸附剂可完全再生并在脱附过程中能够得到较高浓度的CO2。最后提出了循环流化床电厂烟气捕获CO2的流程。
3.通过建立流化床吸附平衡模型，描述了间歇操作的循环流化床内出口CO2浓度和固相吸附剂的吸附量的动态变化，并在计算流体力学软件(Fluent6.3)平台上，选择欧拉双流体模型对二维流化床进行了探索性仿真模拟。