可凝气体直接抽提CO2低温再生热质传递耦合研究

Aiming to solve the problem of high energy penalty in traditional steam stripping process of CO2 chemical absorption, a novel direct non-aqueous gas stripping technique for CO2 regeneration has been put forward in this proposal. CO2 regeneration energy consumption can be greatly reduced by using phase change solvents at low temperature regeneration with non-aqueous gas as the stripping gas. The correlation between molecular structure and thermodynamic properties of solvents under low temperature will be established for the selection of suitable solvent. Meanwhile, the detailed mass and heat transfer mechanism of non-aqueous gas stripping process will be carefully analyzed. To deal with the low regeneration kinetics under low temperature regeneration, catalytic nanoparticles will be added to enhance the kinetics of heat transfer, chemical reactions, and CO2 transportation. By revealing the micro-scale mechanisms of nanoparticles to CO2 regeneration performance, suitable nano-material based catalysts will be developed for regeneration enhancement. The heat recovery of regeneration gas will be achieved by using a novel membrane heat exchanger. The effect of the characteristics of membrane heat exchanger on the heat and mass transfer performance will be systematically studied in order to optimize the heat exchanger performance and realize the efficient recovery of latent heat of the regeneration gas. Finally, the operation parameters of CO2 regeneration reactor and heat recovery system will be combined and systematically optimized based on the experimental study and process simulation to build the solid foundation for industrial implementation.

针对传统CO2化学吸收技术中存在的高再生能耗等问题，本项目提出一种革新性的可凝性气体抽提CO2再生技术。通过结合低能耗两相吸收剂低温再生特性和可凝气体抽提再生技术，大幅度降低CO2化学吸收工艺再生能耗。通过基于AMP基混合胺及亲脂性胺两大类两相吸收剂在低温下的热力学特性及其与溶液内在结构关系研究，遴选合理的低温再生两相吸收剂配方。研究可凝气体直接抽提吸收剂富液再生过程中的热质耦合规律，探索纳米颗粒对CO2再生的微观作用机制和低温催化再生机理，开发基于纳米颗粒的新型复合CO2再生催化剂。为实现抽提气/蒸汽热质有效回收，探索新型膜换热器实现再生气回收机理，实现潜热的高效回收。在此基础上，形成可凝气体抽提CO2再生及膜热质回收方法，通过实验研究和流程模拟软件分析，对再生反应器内操作工况及关键结构参数进行优化，从而为可凝性气体抽提再生工艺的工业应用提供坚实基础。

针对传统CO2化学吸收技术中存在的高再生能耗等问题，本项目提出一种革新性的可凝性气体抽提CO2再生技术。通过结合低能耗两相吸收剂低温再生特性和可凝气体抽提再生技术，大幅度降低CO2化学吸收工艺再生能耗。本研究项目基本按照预定的计划执行，并达到了预期的目标。主要结果为：. （1）首次提出烷醇胺-烷醇胺混合类型的两相吸收剂DMH和DAH，并对其进行分相特性、吸收-解吸性能以及再生能耗进行评价。DAH的再生能耗为2.58 MJ/kgCO2，比30%MEA降低32%。. （2）提出了一个可以直接嵌入传统化学胺吸收过程的戊烷吹扫再生工艺流程，在Aspen Plus中地建立了胺/ CO2-戊烷/H2O新的热力学模型，并使用基于速率的模型和双膜理论计算再生过程。对于MEA、AMP和MDEA化学吸收剂，直接戊烷吹扫工艺均的再生能耗，分别比直接蒸汽吹扫和传统再沸器再生低15-25％和38-60％，其中潜热和显热的降低对能耗减少贡献最大。. （3）操作参数对陶瓷膜水热回收效果的影响较大。当富液流速从 20ml/min (0.38cm/s)升高至 50ml/min (0.95cm/s)时，系统的热回收通量上升幅度最高可达 60%。当再生气温度从 90°C 上升到 105°C时，热回收量上升幅度约为 87%。长度和孔径均影响系统的热回收效果，10nm 孔径、300mm 长的CMHE-2陶瓷膜换热器具有最优的热回收效果。. （4）提出了一种直接有机蒸汽抽提 CO2吸收剂再生工艺。研究结果表明直接有机蒸汽抽提工艺相比于水蒸汽抽提工艺除了能够提供较大的传质推动力之外，还会促进液相中的水分蒸发，从而提高了额外的传质推动力。实验中，戊烷的最低再生能耗分别为 2.38MJ/kg CO2，相比于传统再生模式（3.88MJ/kg CO2）下降了 38.8%。. 本项目研究结果为大幅度降低碳捕集能耗提供新思路，本项目共发表论文8篇，其中SCI收录6篇，中文核心收录2篇；参加国际会议6人次，参加国内会议4人次,国际会议特邀报告一次，举办国际会议1次；申请发明专利2项；已经培养博士2人和硕士5人。