复合型钠基吸收剂干法捕集CO2机理研究

Using alkali-based sorbent for post-combustion CO2 capture technology is thought to be one of the innovating and interesting methods due to the low corrosion for device, low energy consumption and so on. The purpose of this program is to study the CO2 sorption mechanism of Na-based sorbent and develop a composite sorbent combining the advantage of both organic and inorganic sorbent as well as study the CO2 sorption-desorption performance. We will modify the loaded Na-based sorbent with dopant as well as polish it with amine to improve the CO2 sorption reactivity and capacity. The composite sorbent containing active ingredient, catalyzer and support will be synthetized with sel-gel method and dried with supercritical fluid dried method to decrease effect of gas diffusion and monodispersed will be the major CO2 sorption kinetic. The CO2 sorption-desorption kinetics, synthetics mechanism and the catalytic mechanism of the developed composite sorbent will be studied. Furthermore, the composite sorbent will be applied to a novel fluidized bed reactor, which can be adjusted separately for the circulation rate and the residence time of the sorbent. Also, the effect of the conditions of the novel fluidized bed reactor will be studied to enhance the utilization efficiency of sorbent. Finally, the theory and approach of using the composite sodium-based sorbent for post-combustion CO2 capture technology will be supplied and the studies above are thought to be an important prolongation for alkali-based sorbent for post-combustion CO2 capture technology.

碱金属基吸收剂干法捕集CO2技术具有低腐蚀、低能耗等优势，近年来日益受到关注。本项目发展基于钠基吸收剂的CO2捕集技术的理论和方法，发展一种结合有机和无机吸收剂优点的新型复合型钠基吸收剂。采用多孔载体材料负载并添加掺杂剂以提高钠基吸收剂碳酸化反应活性，并进一步对负载型纳基吸收剂进行表面氨基修饰，利用溶胶凝胶法将活性成分、催化成分、载体有机结合，以最大限度地使吸收剂的脱碳机制由多层扩散吸收发展到单层表面吸收。探明掺杂剂、氨基前驱物、吸收剂载体及其前驱物与碳酸钠的合成机制；揭示表面氨基修饰复合型钠基吸收剂的脱碳机理、再生反应机理及催化机理。进一步，将复合型纳基吸收剂应用于一种能够同时独立调节循环流率和停留时间的新型流化床反应器，并研究反应器操作参数对脱碳过程的影响规律和机制。本项目最终形成的复合型钠基吸收剂干法捕集CO2技术的理论和方法，是对已有燃烧后干法捕集CO2技术的一个重要拓展。

燃煤电站作为我国最大的碳排放源，大力发展与其相适应的碳减排技术势在必行。钠基固体吸收剂脱除CO2技术以其材料成本低、储量大、吸收剂循环利用效率高、适用条件温和等优点被认为是有望大力推广的碳捕集技术之一。但相对慢的吸收速率和较低的吸收容量限制了其工业化应用。本项目发展了掺杂型、氨基修饰型等多种复合型钠基吸收剂。探明了复合型吸收剂的脱碳-再生机理，催化机理和失效机理，掌握了吸附剂合成机制，同时开发了一种能够同时独立调节循环流率和停留时间的新型流化床反应器。. 综合研究了以硅藻土、SiO2、ZrO2、TiO2和γ-Al2O3为载体的负载型钠基吸收剂的微观结构和碳酸化反应特性，选定γ-Al2O3为载体材料并系统研究了Na2CO3/Al2O3吸收剂的碳酸化反应和再生反应特性及机理。提出以5%MgO、1%TiO2或5%TiO(OH)2作为掺杂剂时Na2CO3/Al2O3吸收剂吸收容量、吸收动力学特性均有明显提升，并通过鼓泡床试验验证了该发现。镁类掺杂剂的催化作用表现在形成类水滑石结构，促进离子、分子在板层间移动，而钛基掺杂剂则通过表面大量羟基作用强化了吸收剂对水的亲和力，从而促进了碳酸化反应。. 系统考察了氨基前驱物、载体前驱物、干燥方式、组分配比等对氨基修饰型复合钠基吸收剂吸收性能的影响，掌握了复合型钠基吸收剂的合成制备工艺。基于固定床测试平台，探明了钠氨复合型吸收剂的脱碳-再生机理并对循环稳定性进行了测试。.钠氨复合型吸收剂的抗硫失效特性被解耦为负载型钠基吸收剂和氨基吸收剂的抗硫失效问题。研究结果表明，两种吸收剂均会生成难再生的亚硫酸/硫酸盐。动力学分析认为：50℃下，负载型钠基吸收剂的CO2反应竞争性最强；而氨基吸收剂CO2吸收量下降趋势随温度升高先升高（30-50℃）后降低（60-70℃）。. 完成了鼓泡流化床-输运床耦合反应器的设计、搭建、运行，掌握了各操作参数对吸收剂脱碳-再生过程的影响规律和机制，并测试了碱金属基吸收剂24小时连续脱碳的效果，CO2脱除率可稳定在80%以上。. 另外，基于第一性原理建立了碳酸钠表面碳酸化反应过程模型。