化学溶剂吸收法捕获二氧化碳过程降低热能消耗关键科学问题研究

CO2 emissions are continuing to rise due to the burning of fossil fuels, which caused extreme climate changes such as greenhouse effect, acid rain and haze. But the chemical absorption process by aqueous amine solutions, which can capture large amount of CO2 in the exhaust gas from power stations, still have vital problem of high energy consumptions. In order to reach the target of high efficiency and low energy consumption of chemical absorption process by aqueous amine solutions, this project is proposed to investigate the structure-functional effect of chemical absorption/desorption through the functional group of structure modified amine and alkyl group, find the methodology of design functional structure-modified amine solutions which have better CO2 capture abilities. Also, the combination of structure-modified amine solution system and the chemical absorption/catalytic desorption processes can reach the CO2 separation target with high efficiency and low energy consumptions. At the same time, this project is proposed to investigate the catalytic desorption performances and mechanism of functional structure amine solution in different CO2 loadings. Finally, this project propose theoretical/semi theoretical models instead of empirical models available in this area, which can further more reduce energy consumption by combination of absorption/desorption model and process optimizations. This theoretical models and methodology could solve the vital problem of high energy consumptions in CO2 capture process based on amine solutions, and can provide the fundamental data and theoretical guidance to the industrial design of CO2 capture.

化石能源不断燃烧产生大量二氧化碳，造成温室效应、雾霾等极端恶劣天气，而有望大规模捕获燃烧尾气中二氧化碳的胺溶剂却普遍存在热能消耗偏高的问题。为实现胺溶剂高效低能耗捕集回收二氧化碳，本项目拟通过对结构改性胺溶剂功能性官能团与烷基取代基对二氧化碳吸收再生性能影响的构效科学规律的研究，探寻设计具有优良二氧化碳捕获性能的功能化结构改性胺溶剂的方法；同时，通过结构改性溶剂反应体系与二氧化碳的溶解-催化解离与再生脱气的穿梭耦合过程来实现二氧化碳的高效低能耗分离回收，并深入探索不同载碳量的改性胺溶液的催化热再生性能及其解吸过程机理；最后，建立理论/半理论模型取代传统经验模型，通过吸收-解吸模型的高效耦合和流程优化研究进一步探索降低能耗的科学规律。相关理论模型与技术，有望解决基于有机胺溶液捕获二氧化碳能耗高的关键科学问题，可为二氧化碳捕获的工业化设计提供基础数据与理论指导。

化石能源不断燃烧产生大量二氧化碳，加剧温室效应并引发频繁的极端恶劣天气，而有望实现大规模捕获燃烧尾气中二氧化碳的胺溶剂法却普遍存在热能消耗偏高的问题。为实现胺溶剂高效低能耗捕集回收二氧化碳，本项目首先基于快速溶剂筛选法测试了一系列结构改性有机胺溶剂捕获二氧化碳的二级反应速率常数、反应热及循环容量等参数，并结合分子模拟实验验证，揭示了胺溶剂功能性官能团与烷基取代基对二氧化碳吸收再生性能影响的构效科学规律。进而明确了具有优良二氧化碳捕获性能的胺溶剂结构，并确定了DEAB、IPAB、DEEA、1DMA2P等新型结构改性胺溶剂具有优良的碳捕获性能，且设计了新的合成路线并进行放大合成制备。其次，通过实验测定了结构改性胺溶液及其复合胺溶溶液在不同操作条件下的物性、热力学、动力学、传质、再生和降解性能参数，明确了其对二氧化碳分离回收过程的影响规律与作用机制。基于现有的模型提出关联操作参数的改进型模型，进而对各项性能参数进行数模计算和拟合，并建立相应的经验或半理论半经验模型方程。然后，基于结构改性胺及其复合胺溶液常规热解吸与催化解吸强化过程的研究，深入探索不同载碳量的改性胺溶液的催化热再生性能，明确催化剂催化活化的作用机制及其解吸过程机理，建立理论/半理论模型取代传统经验模型，并开发了多种具有工业应用价值的高效催化剂（如HZSM-5、Al-ZSM和SZA）和新型催化解吸工艺，实现催化解吸能耗相对传统MEA溶液解吸能耗最大降低至33.9%。最后，基于中试实验装置的吸收-解吸单元的高效耦合，测试了结构改性复合溶液高效的吸收传质、解吸性能以及捕集能耗实验测定其再生能耗为2.90 MJ/kg CO2，其解吸能耗相对传统MEA溶液降低30.95%。并使用Promax软件进行整体流程的集成与优化，提出的改进分流工艺的再沸器负荷将进一步降低能耗至2.19 MJ/kg CO2。本项目得到的相关理论模型与技术，将解决基于有机胺溶液法捕获二氧化碳能耗高的关键科学问题，并为二氧化碳捕获的工业化设计提供基础数据与理论指导。