新型氨法催化吸收分離回收燃煤煙氣中CO2研究

《新型氨法催化吸收分離回收燃煤煙氣中CO2研究》是依託東南大學，由金保昇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型氨法催化吸收分離回收燃煤煙氣中CO2研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：金保昇
• 依託單位：東南大學

中文摘要

本項目針對CO2減排的國家重大需求提出，是工程熱物理和能源利用領域的重要基礎研究內容，是當前研究前沿和熱點問題。氨化學吸收法是國際公認的最有望在近期實現工程套用的CO2減排技術之一，但目前還存在氨水吸收和再生過程氨水損失嚴重、再生能耗高等問題。與常規化學吸收工藝不一樣的是，本項目提出氨法催化吸收新思路，即基於無機強鹼和有機添加劑等催化劑工藝，提高氨水的吸收速率和吸收容量，減少氨逃逸和氨水吸收劑循環量，降低系統能耗。通過理論、實驗和多相流動與化學反應耦合數值模擬研究相結合，解決高效廉價氨催化吸收催化劑和催化吸收和再生過程工藝參數最佳化兩個關鍵科學問題，發展具有創新性的CO2減排新思路，為今後大規模減排燃煤CO2工程套用提供理論基礎。

結題摘要

整個研究工作緊緊圍繞項目計畫，從實驗研究和數值計算兩方面展開:在實驗研究方面，首先建立了半連續CO2吸收實驗和吸收液解吸實驗裝置。考察了多種胺類添加劑、醇類添加劑、新型離子液添加劑及陽離子添加劑對氨法脫碳的吸收和解吸兩方面的影響，並最終選擇哌嗪(PZ)作為添加劑進一步深入研究。在此基礎上，搭建了濕壁塔反應系統，考察了氨水溶液、添加劑溶液及哌嗪活化氨溶液吸收CO2的傳質及化學反應動力學特性，並為吸收反應的關鍵性動力學參數的獲得奠定基礎。隨後，進一步放大研究對象，建立了實驗室規模的CO2噴淋吸收系統，考察了添加劑量、氨水濃度、吸收液流量、吸收液溫度、煙氣流量及煙氣溫度對脫碳效率、出口NH3濃度、CO2體積總傳質係數及氨逃逸率的影響，為脫除CO2三維數值模型的建立奠定基礎。在數值計算方面，基於量子化學理論，採用隱式溶劑模型與顯式溶劑模型相結合的方法考察了氨法脫碳中各反應物之間存在的反應路徑。通過AIM（Atoms in Molecules）分析及自然布居分析（Natural Population Analysis），探究了反應過程中反應物、過渡態及產物的成鍵情況及原子電荷分布情況。隨後，進一步考察了添加劑PZ對上述反應路徑的影響及其自身與CO2的作用機制，通過比較分析揭示了添加劑對氨法脫碳的活化機制。基於量子化學計算基礎，結合濕壁塔實驗結果，針對PZ活化氨溶液吸收CO2提出了反應吸收模型。基於前述的基礎性研究結果，在數值實驗基礎平台上，採用DPM模型及自行編譯的傳熱傳質反應模組（UDF），建立了耦合氣液流動、傳熱傳質及化學反應的哌嗪活化氨溶液脫除CO2的三維數值模型。模擬結果揭示了反應器內部氣液兩相流動的速度場、溫度場、組分分布、CO2吸收速率及NH3揮發速率等重要特性。 目前，已發表SCI收錄論文4篇，EI收錄論文8篇，參加國際會議1次，國內會議3次，尚有1篇SCI刊物論文再審，1篇SCI正在修改。