多孔介质内水合物法分离CO2/H2的基础研究

CO2高效捕集是实现CO2封存的关键环节。水合物法分离CO2/H2是适用于未来IGCC电站的高效、新型CO2捕集技术，在分离机理方面缺乏有效的实验和模型研究。本项目研究以水合物法进行CO2/H2高效分离机理研究为目的，利用实验室现有的水合物基础物性测试系统，研究多孔介质、THF/SDS溶液、孔隙水饱和度等因素对水合物法分离CO2/H2过程热力学、动力学特性的影响，建立含THF/SDS溶液多孔介质中CO2/H2水合物相平衡预测模型。并结合核磁共振成像(MRI)测试技术对多孔介质内CO2/H2分离过程中的气、液运移现象进行观察，分析气体分离过程中水合物形成速度、水合物饱和度、多孔介质渗透率和气体分离效率的变化规律。该项目研究为掌握水合物法气体分离技术提供重要的理论依据，对于未来IGCC电站CO2的高效捕集和氢能的高纯利用具有重要的基础意义。

二氧化碳捕集与封存技术（CCS）是抑制大气中CO2浓度升高及改善温室效应的有效方法之一。利用水合物法实现CO2捕集，正在成为人们关注的新型方法。本项目以水合物法分离CO2/H2混合气体机理研究为目的，利用自主搭建的水合物生成与分解特性实验测试平台，对不同多孔介质、THF浓度、SDS浓度等条件下水合物的相平衡条件和气体分离效果进行了研究，并利用具有高分辨率的核磁共振成像（MRI）实验平台，对在气体流动条件下水合物的生成和分解情况进行实时监测和研究，为IGCC电厂中CO2的高效捕集提供数据支持。.本项目提出了混合添加剂对水合物法CO2/H2分离促进方法，测试得到了不同THF浓度条件下，CO2-H2-THF-SDS-H2O水合物体系的相平衡条件。发现随着THF浓度的增加，生成水合物的驱动力提高，水合物诱导时间缩短。THF的加入可以大大改善CO2-H2-THF-H2O系统的水合物生成条件，随着THF浓度的升高，相同压力条件下相平衡温度也随之升高；在THF浓度为1 mol%时相平衡曲线出现了所谓的“伪倒退”现象，这可能是由于系统中存在的结构I型到结构II型晶体结构的转变导致的。.随着多孔介质孔隙尺寸的增加，水合物相平衡温度增加、气体消耗量增大、CO2回收率增大。多孔硅胶作为气体分离载体时，水合物体系的相平衡温度有所降低，但是气体分离效果有显著提高。由于结构II型水合物的生成，THF的加入可以改善水合物相平衡条件，3 mol% THF时气体分离效果最好。SDS浓度对水合物体系相平衡条件和气体分离效果影响不显著。随着初始压力的增加，水合物体系相平衡压力增加，体系压力驱动力增加，气体的消耗量增加，气体分离效果降低。.气体流动过程对水合物生成的实验表明，加压后水合物的生成和分解反应迅速发生，水合物的生成会导致明显的阻塞现象，在大多数过程中，水合物首先在靠近容器轴线处生成，分解时轴线方向的水合物最后分解。由于水合物生成和分解过程在容器内的分布并不均匀，当其消耗或放出大量气体时会引起容器内残余溶液的移动，在MI曲线上表现为突然增加和降低的复杂变化。实验用的三种玻璃砂中，BZ-01玻璃砂的分离效果最好，随着压力的增加，CO2浓度和水合物饱和度同时增加，流速对气体分离效果的影响不明显。在所有的水合物分解气体样品中，CO2浓度的最高值为73.94%，最低值为55.21%。