化石能源系统CO2富集分离液化一体化集成机理

在化石能源系统中实现低能耗、低成本的CO2减排是新世纪能源科学研究的前沿性课题。本课题从能源、化工与环境的交叉领域出发，从能的梯级利用与CO2富集分离液化一体化的角度入手，将能源转化过程中的碳组分定向迁移、混合物相变机理与低温冷能利用潜力统一考察，通过理论研究、模拟分析以及关键过程的实验验证，研究能源系统中实现低能耗碳组分定向迁移与CO2富集的新思路、CO2回收过程中基于混合物相变特性的分离液化一体化集成机理以及化石能源系统CO2富集分离液化过程的能量梯级利用集成机理，开拓多种CO2富集分离液化一体化的新型化石能源系统，实现其CO2减排能耗和成本相对于常规技术方案降低30%以上。本课题将开拓解决温室气体控制问题的新途径，为发展低能耗、低成本的CO2回收系统提供新思路，为开拓近零CO2排放的新型可持续化石能源系统提供理论支撑。

本项目通过集成理论研究、流程模拟与关键过程实验验证，重点研究能源系统中实现低能耗碳组分定向迁移与CO2富集的新思路、CO2回收过程中基于混合物相变特性的分离液化一体化集成机理以及化石能源系统CO2富集分离液化过程的能量梯级利用集成机理。. 项目对能源系统的组分迁移规律、迁移途径与能耗代价进行了深入分析。在此基础上提出一种新型富氢燃料生产与CO2捕获一体化流程，该流程通过系统集成不仅实现了碳组分和氢组分的定向迁移与富集，而且在提高富氢燃料产量的同时降低了CO2捕获能耗。同时，针对CO2初步富集后的混合气，提出CO2分离-液化-提纯一体化系统，该系统采用多级压缩、多级冷却、多级分离的方式确保一定的分离率，同时采用高压近常温条件下的低温精馏确保产品纯度。系统性能分析显示新系统不仅有效降低了CO2的回收能耗，还使分离出的CO2纯度达到99.9%以上。. 项目还对含CO2混合物的相变分离特性以及温度、压力对高浓度CO2混合物相变特性及纯度的影响进行模拟与分析。结果表明提高混合气中CO2的浓度以及混合气初始压力能有效地改善低温分离法的性能，保证CO2分离率处在较高的水平。项目还对高压条件下CO2混合气的相变特性进行了实验，结果显示对CO2-N2混合气，当温度降至-41.5℃时，液态中CO2的浓度为97.71%；对于CO2-N2-O2-Ar混合气，当温度降至-34.12℃时，液态中CO2的浓度达到97.73%。这说明对于CO2-N2和CO2-N2-O2-Ar混合气，将温度降至-35℃左右即可将混合气中大部分CO2以液态形式分离，由此验证了所提出的CO2分离液化一体化系统的可行性以及混合物相变分离过程的组分迁移规律。项目还基于能量的梯级利用原理与CO2分离液化集成机理，构筑新型煤基氢电联产CO2回收系统。该系统通过变压吸附制氢单元和CO2回收单元的有效集成，大大降低了脱碳流程对新系统热效率的影响，脱碳带来的系统综合热效率降幅在3%以内；在保证94%的CO2减排率的前提下，新系统具有优良的技术经济性能其减排成本仅为6.4$/tCO2。 . 在项目研究期间，相关研究成果在国际和国内该领域核心学术刊物上发表论文18篇（其中SCI收录论文7篇，EI收录论文12篇，一篇论文被SCI和EI双收录），参加国内外学术会议2次，申请了3项国家发明专利。