基于电化学催化解吸再生的低能耗烟气CO2捕集化学吸收体系研究

The high energy consumption is the bottleneck of CO2 capture, utilization and storage (CCUS) for the conventional technology based on primary amine (MEA) solvents due to high regeneration energy demand from the high reaction heat and high decomposition temperature. The project will focus on designing a novel amine absorbent system with lower reaction heat and higher CO2 capacity and creating a catalytic electrochemistry method for CO2 regeneration at lower temperature, which could effectively decrease the regeneration energy consumption from decomposition reaction heat, sensible heat and vaporization heat of solvents. The preparation method of electrodes and the redox reaction principles for the electrochemical catalytic reaction will be developed. The route for CO2 electrochemical catalytic decomposition and the proton transfer mechanism will be studied. The instrument with excellent absorbents and dielectric coupling system for the electrochemical catalytic reaction will be established by the simulation and calculation of thermodynamics, acid-base equilibrium and electrochemistry. A new CO2 capture solvent system and an electrochemically catalyzed solvent regeneration process will be established. The minimal energy demand for solvent regeneration will be decreased to 2.0-2.5 GJ/tCO2 from 4.0-4.5 GJ/tCO2. It will provide a solid theoretic basis for CO2 capture system by chemical absorption with low energy consumption.

传统MEA化学吸收捕集CO2系统反应热大、分解温度高，致使吸收剂再生能耗高，是烟气CO2捕集、利用、封存（CCUS）的瓶颈。设计、合成新型低热效应、高容量的复合有机胺溶液体系，从反应原理上有效降低再生过程反应热；利用电化学催化解吸手段，实现低温分解再生，从工艺上减少再生溶液升温显热和再生塔废热损失；从而可以有效降低CO2捕捉能耗。在电极催化材料制备技术、电化学氧化还原反应原理等方面取得突破；研究CO2的电化学分解路线、溶液体系中的质子扩散规律，通过电化学、酸碱平衡和热力学平衡的计算和模拟，建立以吸收剂、电解质双介质循环为特征的电化学催化反应装置。项目将构建全新的CO2吸收系统和电化学催化再生工艺路线，将烟气CO2捕集能耗从目前的4.0-4.5GJ/tCO2降低到2.0-2.5GJ/tCO2水平，为建立低能耗化学吸收CO2捕集系统奠定理论基础。

本项目针对乙醇胺（MEA）化学吸收捕集CO2体系反应热大、溶剂再生分解温度高带来的吸收剂再生能耗高、损耗大的问题，根据能耗来源及分布分析，从吸收剂分子设计、新的捕集工艺及解吸过程强化出发，系统、详细研究了降低CO2捕集过程能耗的方法及可行性，为建立低能耗化学吸收CO2捕集系统奠定理论基础。.设计、构建了多种新型CO2化学吸收体系，包括具有较低反应热、比热的高沸点非水溶剂体系、减少解吸量的相变体系、金属离子参与的热互补体系。如1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)+甘油、二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯（DBN）+甘油非水溶剂体系，MEA+NHD（聚乙二醇二醚）+H2O体系、DMAPA（3-二甲氨基丙胺）+NHD+H2O相变体系，Cu(Ⅱ)+MMEA（2-(甲基氨)乙醇）+H2O金属离子参与的体系，研究了这些体系的物性、CO2吸收-解吸特性、循环使用稳定性，估算了捕集过程的再生能耗。结果表明，这些体系的再生能耗相较于30 wt% MEA溶液降低约25%-60%，可以达到2.0 GJ/t CO2左右，具有应用潜力。.为构建溶剂分子结构和CO2吸收性能的定量构效关系，采用密度泛函方法计算有机胺吸收体系的分子结构特征，通过统计学建模方法，建立了有机胺-二氧化碳吸收容量的定量构效关系模型，发展了单一胺和混合胺体系吸收二氧化碳的活度系数模型，用于预测体系的相变行为。.建立了室温附近的吸收-矿化CO2工艺过程、利用工业偏钛酸制备了固体酸催化强化CO2解吸过程、通过纳米流体强化高黏度CO2吸收体系的传质传热过程，显著降低了CO2解吸过程温度，从而降低捕集过程的再生能耗。.选用氢醌类化合物钛铁试剂(QH2) 作为反应介质，利用此类物质氧化还原反应可以改变溶液pH的特点，设计了CO2电化学捕集-解吸工艺，即阳极氧化QH2释放质子，增强溶液酸性，促使CO2富液解吸；阴极还原Q夺取质子，增强溶液碱性，用于吸收CO2。研究了QH2+NaOH+H2O溶液体系、QH2+MDEA+H2O体系捕集CO2的电化学反应原理、吸收-解吸性能、过程优化和强化，设计了电化学反应装置。解吸过程可以近室温条件下进行，从而有效降低吸收剂再生能耗，并减小吸收剂的热损耗。