基于“膜吸收-膜再生”调控新机制的IGCC电厂CO2分离研究

High-concentration carbon emission reduction from Integrated Gasification Combined Cycle has become one of the most important ways to vigorously develop the clean energy technology. At present, the physical solvent-based process is still an ideal method for CO2 capture in the world. However, the cost and the energy consumption of existing decarbonization methods are much too high, so a new separation mechanism, namely, “membrane absorption, lash evaporation and membrane regeneration” is proposed to control the mass transfer force between the absorption solution and CO2 at absorption and regeneration stages. In order to obtain satisfactory separation effect and flow properties, low CO2 partial pressure is ensured at absorption stage. At the same time, high CO2 partial pressure is ensured at regeneration stage to reduce the regeneration energy consumption. By researching the absorption characteristic of alcohol ether, the invigoration effect of organic membrane on the lean solution absorption performance and rich solution regeneration performance, this study reveals the action of “membrane absorption, lash evaporation and membrane regeneration” mechanism and discusses the impact factors, such as the organic membrane, microstructure and the functional group of solvent, which can provides a new theory of CO2 separation with high effective and low energy consumption characteristic.

从整体煤气化联合循环发电系统合成气中分离高浓CO2是推广清洁能源技术大力发展的重要途径。现阶段，物理吸收法是较为理想的CO2分离技术，但其面临再生能耗和运行成本过高的难题。基于此，本项目根据吸收液对CO2吸收和再生过程特点，提出了一项新型CO2 分离机制，即利用“膜吸收-闪蒸-膜解吸”物理吸收机制来调控吸收剂在CO2吸收和再生阶段的传质推动力，使吸收液在CO2 吸收时处于相对较低CO2分压状态，从而获得良好的CO2脱除、传质和流动特性，而再生中则处于高浓度高CO2分压状态，从而改善再生性能和有效降低再生能耗。通过对新型醇醚类吸收剂的CO2吸收特性，有机膜对贫液吸收性能和富液再生性能的研究，揭示溶剂种类与膜材料、微观结构对吸收对再生性能改善的机理，掌握溶液“膜吸收-闪蒸-膜再生”调控CO2分离机制，为高效低耗合成气中CO2分离提供一种新理论。

近年来，全球性气候变暖已经严重威胁到人类社会、生存环境以及经济的发展，减排问题刻不容缓。IGCC同CCS技术的结合有望实现CO2近零排放，成为当前的研究热点。现阶段，物理吸收法是较为理想的 CO2 分离技术，但其面临再生能耗和运行成本过高的难题。基于此，本项目根据吸收液对 CO2 吸收和再生过程特点，提出了一项新型 CO2 分离机制，即利用“膜吸收-闪蒸-膜解吸”物理吸收机制来调控吸收剂在 CO2 吸收和再生阶段的传质推动力，使吸收液在 CO2 吸收时处于相对较低 CO2 分压状态，从而获得良好的 CO2 脱除、传质和流动特性，而再生中则处于高浓度高 CO2 分压状态，从而改善再生性能和有效降低再生能耗。.课题采用实验与理论分析相结合的方法，首先对高性能、低解吸能耗的CO2吸收剂进行了深入研究。实验测定了中高压下CO2气体在二十余种溶剂中的溶解度，综合考虑溶剂的沸点、稳定性、粘度和价格等因素，提出新型、高效吸收剂八甲基四硅氧烷。当温度为298.15K，压力为1MPa时，八甲基四硅氧烷对CO2吸收容量可较甲醇提高230％，较碳酸丙烯酯提高87%，较碳酸二甲酯提高20%。在实验数据的基础上，开发基于八甲基四硅氧烷的新型脱碳工艺，该工艺流程简单，操作温度温和，脱碳效率达95%以上，溶剂损失降低30%以上，且可实现吸收与再生过程中的能量匹配优化。.基于电子轨道理论，利用Gaussian 03软件，对溶剂分子之间相互作用进行了初步研究。结果表明，分子结构中醚氧键和酯基的存在，会导致溶剂分子间相互作用能变弱，使其对CO2的吸收能力变强，与实验结果相符。 .为进一步改善物理吸收过程中CO2脱除、传质和流动特性，提出了“膜吸收”强化CO2分离技术。结果表明，CO2脱除效率和CO2渗透通量随吸收液流速的增加而增加，且吸收剂与CO2分子结构差别越大，CO2脱除效果越好，且与高压反应釜小试实验相比，碳酸丙烯酯CO2脱除率可提高12%左右，二乙二醇丁醚醋酸酯CO2脱除率可提高23%左右，八甲基四硅氧烷CO2脱除率可提高36%左右。.针对现有热再生工艺能耗高的问题，提出了基于亲水性膜技术的吸收剂富CO2溶液减压再生技术，实验考察了交联剂类型和含量、温度和流速等工艺条件对解吸效果的影响，并建立了CO2吸收——膜解吸耦合新工艺。与传统热再生相比，减少溶剂损失36％以上，降耗潜能达88%以上。