新型相变有机胺吸收捕集CO2技术研究进展

CO₂捕集、利用与封存(CCUS)技术是实现碳减排的关键技术之一,有机胺吸收技术是目前研究最广泛、最成熟的CO₂捕集技术,已有少数工业应用案例。吸收剂是吸收技术的核心,吸收剂的研发创新是该领域的热点方向。相比于单一相的有机胺吸收剂,相变吸收剂在吸收CO₂后产生相变行为,仅需对富相进行再生,可大幅减少再生体积,降低再生能耗。本文介绍了传统混合胺相变吸收体系的典型工艺、吸收机理和吸收剂研究进展,分析了吸收剂吸收CO₂后富相黏度高、富相体积占比大及其导致的再生能耗增加的问题。本文系统梳理了为解决上述问题而研发的四种新型的相变吸收体系,分别为空间位阻胺混合型相变吸收剂、物理溶剂混合型相变吸收剂、醇胺混合型相变吸收剂、催化剂-有机胺复合型相变吸收剂,对各类新型相变吸收体系的设计构建原理及性能强化机制进行了分析。最后,基于对研究进展的深入分析,提出了相变吸收剂的未来研究方向。     

CO2捕集溶剂吸收法的研究进展

针对最主要的CO₂捕集方法溶剂吸收法，系统梳理了吸收剂有机胺、离子液体、低共熔溶剂以及相变溶剂在碳捕集领域的技术发展历程和现状，并分析了相关技术的发展趋势。目前溶剂吸收法主要以有机胺为主，但仍面临能耗和降解率高等问题，新型胺液溶剂的开发和应用还需时间验证。离子液体、低共熔溶剂和相变溶剂尽管具有替代有机胺捕集CO₂的潜力，但受成本和溶剂黏度的限制，依然面临着较多的技术挑战。因此，溶剂吸收法捕集CO₂技术开发仍有很大的提升空间。     

相变离子液体体系吸收分离CO2的研究现状及展望

全球工业化的迅速发展及人口增长使得化石燃料消耗不断增加，导致二氧化碳(CO₂)排放量逐年递增，引发全球化气候问题。醇胺吸收法目前在工业CO₂捕集应用最广泛，主要以单乙醇胺、甲基二乙醇胺等水溶液为吸收剂，存在溶剂损耗大、再生能耗高等问题，开发高效低能耗的新型吸收剂是实现CO₂大规模捕集的关键。离子液体具有气体亲和性好、蒸气压低、结构性质可调等特点，其中相变离子液体体系因节能潜力大被认为是新一代CO₂吸收剂，其吸收CO₂后由均相变为互不相溶的液-液或液-固两相，再生时仅需对CO₂富相加热处理，可有效减少吸收剂再生体积，降低再生能耗。重点总结近五年相变离子液体体系在CO₂分离的研究现状和进展，对不同相变行为的液-液和液-固相变离子液体体系分类阐述和讨论，并对其发展趋势进行展望。     

有机胺非水溶液吸收CO2的动力学研究进展

有机胺水溶液吸收法是CO₂捕集最常用且成熟的方法之一,但是再生能耗高和吸收剂严重降解等关键问题阻碍了其大规模推广和应用。采用有机溶剂代替强极性水溶剂构建的非水吸收剂体系,在降低能耗方面具有巨大潜力,在近年来受到格外关注。非水吸收剂的CO₂吸收动力学研究有助于了解吸收过程的反应机理以及不同有机胺和溶剂类型对反应动力学的影响。本文从有机胺在非水溶剂中的反应机理出发,介绍了CO₂吸收动力学研究的典型实验方法和原理,系统评述了采用不同结构的有机胺在不同溶剂体系中吸收CO₂的动力学研究进展,深入分析了溶剂特性与胺的反应级数和反应动力学常数之间的关联性,并指出了普遍的规律性特征即有机伯胺和仲胺的反应级数随溶剂极性的降低而增大,反应速率常数随着溶剂的溶解度参数增大而呈现近似线性变化。在分析目前动力学研究中存在的问题基础上,对今后非水体系动力学的研究方向进行了展望。     

烟气胺法CO2捕集技术进展与未来发展趋势

全球气候变化是目前世界面临的严峻问题之一,CO₂等温室气体的过量排放是导致全球气候变暖的主要原因。碳捕集、利用和封存(CCUS)是现阶段解决全球气候变暖的必要手段,基于有机胺的化学吸收法因捕集效率高、烟气适应性好,成为目前燃煤燃气电厂捕集CO₂的关键技术路径。本文详细介绍了胺法CO₂捕集技术的基本原理及胺法CO₂捕集技术工艺流程,分析了新型吸收剂的开发、节能技术的优化等降低胺法CO₂捕集技术再生能耗和成本的关键手段。结合研究现状以及烟气胺法CO₂捕集需求,对其未来的发展趋势进行展望。     

燃煤电厂烟气MDEA/PZ混合胺法碳捕集工艺模拟分析

采用混合胺吸收剂替代传统一乙醇胺（MEA）吸收剂是降低有机胺法碳捕集工艺能耗的重要方法。利用Aspen plus软件模拟了以甲基二乙醇胺(MDEA)/哌嗪(PZ)混合胺为吸收剂的燃煤电厂每年百万吨CO₂捕集工艺系统，考察了贫液负荷、MDEA/PZ混合胺浓度、MDEA/PZ比例和解吸压力等因素对解吸塔再沸器热负荷和冷凝器冷负荷的影响。通过对这些影响因素下吸收塔内液相温度分布和CO₂负荷分布变化揭示了MDEA/PZ对CO₂的吸收特性。此外，进一步分析了不同影响因素下解吸塔内气液相CO₂浓度驱动力和气液相级间温度驱动力分布特性，发现了强浓度驱动力和低温度驱动力分布更有利于降低再生能耗。研究表明，由30%MDEA和20%PZ组成的混合胺液在贫液负荷为0.08和解吸压力为2.02×10⁵Pa时，再沸器热负荷和塔顶冷凝负荷分别为2.76GJ/tCO₂和0.60GJ/tCO₂，相比传统MEA吸收剂降低了20.92%和40.0%。     

相变吸收酸性气体的发展现状

酸性气体,如CO₂、SO₂和H₂S的过量排放已经造成温室效应或酸雨等一系列环境危害。传统的溶剂吸收法由于技术成熟、成本低廉而得到了广泛应用,但它依然存在吸收剂再生能耗高、产物附加值低的缺点。近年来,一种新的吸收方式,相变吸收（即均相体系在吸收酸性气体后分为两相,酸性气体主要富集于其中一相）,引起了人们的广泛关注。该法在吸收剂再生时只需要对其中的富相进行处理,从而减少了处理量,降低了解吸能耗,且富相中的酸性气体作为一种已经被改性的原料可以直接用于合成含硫或含碳化学品,从根本上避免再生过程。本文阐述了相变吸收的研究现状,依次对CO₂、SO₂以及H₂S体系作了详细的介绍。将相变吸收分为液-液相变、液-固相变两类,介绍了两种相变吸收的研究进展,并分析比较了它们优缺点。在实际使用中,不同领域应综合考虑。目前,相变吸收实现了吸收剂对SO₂气体的质量吸收量为1.56g SO₂ /g DMEA,对H₂S的为0.205g H₂S/ g DBN,对CO₂的摩尔吸收量为1.87mol CO₂/mol （TETA/PEG200）,与其他方法相比,相变吸收的吸收量非常高。这些结果表明相变吸收是一种极具潜力的酸性气体捕集方式。     

低能耗化学吸收碳捕集技术展望

低能耗的CO₂捕集技术对“碳减排”有重要意义。化学吸收法是工业常用的CO₂捕集方法,过程能耗高、成本高,限制了大规模的工业应用。近年来,随着新型吸收剂的开发和吸收解吸装置的设计,过程能耗有所降低,在我国已有多套碳捕集示范装置。然而进一步降低捕集能耗,节约捕集成本是实现“碳中和”的不变追求。本文基于溶剂化学吸收CO₂研究,提出以下化学吸收法的研究方向：开发广泛的相变吸收理论,构建吸收体系数据库,建立定量预测模型,以实现吸收体系的分子设计;强化气液传质,设计液相传热部件和气液分离空间,研发高效吸收解吸设备,以提升碳捕集效率;耦合化学吸收和矿化,实现原位CO₂吸收固定,提升过程经济性。通过化学吸收技术的系统研发,以期促进低能耗的碳捕集,助力祖国实现“碳中和”。     

N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液CO2吸收解吸性能的实验研究

胺法捕集回收二氧化碳工艺存在的最大缺陷是高吸收速率与低再生能耗不能共存,高效溶剂的开发是解决这一问题的有效途径之一。为筛选出吸收解吸综合性能良好的吸收剂,本文利用溶剂快速筛选实验装置对几种不同醇胺吸收剂进行了实验研究,主要从溶液吸收负载、吸收速率、解吸负载、解吸速率、循环容量及相对再生能耗等方面进行了分析比较,实验结果显示N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液表现出较好的CO₂捕获性能。此外,通过溶解度装置、填料吸收塔及再生塔分别对DEEA溶液的平衡溶解度、传质系数及再生能耗进行了实验研究与验证。实验结果表明:增加溶液浓度会降低其CO₂平衡溶解度;增加CO₂分压能增加其CO₂平衡溶解度;增大进料温度能增加溶液在填料塔中的传质系数;提高富液负载及贫液负载会降低溶液的再生能耗。因此,基于其较好的吸收解吸性能,DEEA是一种可以工业化应用的潜在吸收剂。     

基于MDEA的烟气SO2捕集过程工艺参数和能量集成分析

有机胺吸收法是一种高效环保型烟气脱硫技术,而从系统工程的角度对烟气SO₂捕集工艺的分析、优化和能耗评估尚未有详细报道。对N-甲基二乙醇胺（MDEA）为吸收剂的烟气SO₂捕集过程工艺进行研究,考察了MDEA浓度、温度、SO₂解吸率对捕集效果的影响规律。结果显示,MDEA溶液浓度为30%（质量）、烟气温度不高于45℃、回流贫液温度不高于41℃时,SO₂吸收效果较好;增加SO₂解吸率是以降低解吸气中SO₂纯度和增大再沸器负荷为代价,水分汽化是再生能耗增高的主要原因。针对吸收剂再生过程能耗大的问题,采用热泵辅助精馏对解吸过程进行能量集成,吸收剂再生能耗可降低47%,年度总费用（TAC）可降低9.93%。本研究对有机胺体系的SO₂捕集系统工业化应用具有重要的指导作用。     

Experimental study of the mass transfer behavior of carbon dioxide absorption into ternary phase change solution in a packed tower

Phase change absorbents for CO₂ are of great interest because they are expected to greatly reduce the heat energy consumption during the regeneration process. Compared with other phase change absorbents, monoethanolamine (MEA)-sulfolane-water is inexpensive and has a fast absorption rate. It is one of the most promising solvents for large-scale industrial applications. Therefore, this study investigates the mass transfer performance of this phase change system in the process of CO₂ absorption in a packed tower. By comparing the phase change absorbent and the ordinary absorbent, it is concluded that the use of MEA/sulfolane phase change absorbent has significantly improved mass transfer efficiency compared to a single MEA absorbent at the same concentration. In the 4 mol·L^-1 MEA/5 mol·L^-1 sulfolane system, the CO₂ loading of the upper liquid phase after phase separation is almost zero, while the volume of the lower liquid phase sent to the desorption operation is about half of the total volume of the absorbent, which greatly reduces the energy consumption. This study also investigates the influence of operating parameters such as lean CO₂ loading, gas and liquid flow rates, CO₂ partial pressure, and temperature on the volumetric mass transfer coefficient (K_Ga_V). The research shows that K_Ga_V increases with increasing liquid flow rate and decreases with the increase of lean CO₂ loading and CO₂ partial pressure, while the inert gas flow rate and temperature have little effect on K_Ga_V. In addition, based on the principle of phase change absorption, a predictive equation for the K_Ga_V of MEA-sulfolane in the packed tower was established. The K_Ga_V obtained from the experiment is consistent with the model prediction, and the absolute average deviation (AAD) is 7.8%.     

液-液相变溶剂捕集CO2技术研究进展

化学溶剂吸收法是最有应用潜力的燃烧后二氧化碳脱除技术之一,较高的溶剂再生能耗阻碍了其进一步的工业应用。液-液相变溶剂由于具有降低吸收再生能耗的潜力,成为新型吸收剂的研究热点。综述了液-液相变溶剂的研究现状,从溶剂组成及其相变机理角度出发,将液-液相变溶剂分为热致相变溶剂、有机胺-低吸收速率胺溶剂、化学-物理溶剂、有机胺-离子液体溶剂四类吸收剂,分别介绍各类溶剂的研究进展,重点阐述其吸收性能及相变机理,并分析比较了各溶剂的优缺点。分析表明液-液相变溶剂节能潜力较大,今后的研究工作应侧重于相变溶剂的设计原则及分层机理的深入探讨。     

膜分离捕集燃煤电厂烟气CO2过程优化设计

全球CO₂的排放量不断升高,导致气候问题频发。“双碳”目标下,如何高效、低成本地捕集燃煤电厂烟气CO₂已经成为迫在眉睫的问题。传统的化学吸收法由于能耗高、成本高、溶剂易挥发等问题严重制约了其发展,而膜法碳捕集因为其操作简单、能耗低、环境污染小等优势被认为是最有前景的捕集方式。本文以PI中空纤维膜为分离膜,建立和求解了气体分离膜模型。并以燃煤电厂烟气CO₂为捕集目标,利用多岛遗传算法求解了膜分离捕集CO₂工艺的不同配置,并优化了分离过程中的关键参数(膜面积、操作压力)。结果显示：在二级膜分离工艺中,二级一段膜分离工艺的第一级膜和第二级膜操作压力分别为5.8 bar和7.1 bar,第一级膜和第二级膜的面积分别为448000 m²和180000 m²时,单位捕集成本为27.36 USD/t CO₂。与二级二段膜分离以及其他几种传统的CO₂捕集方法(MEA法、相变吸收法)相比,二级一段膜分离捕集CO₂的捕集成本和能耗均最小。本研究将为CO₂捕集实现低能耗和低成本化提供依据。     

The CO2 absorption and desorption performance of the triethylenetetramine + N,N-diethylethanolamine + H2O system

Post-combustion CO₂ capture (PCC) process faces significant challenge of high regeneration energy consumption. Biphasic absorbent is a promising alternative candidate which could significantly reduce the regeneration energy consumption because only the CO₂-concentrated phase should be regenerated. In this work, aqueous solutions of triethylenetetramine (TETA) and N,N-diethylethanolamine (DEEA) are found to be efficient biphasic absorbents of CO₂. The effects of the solvent composition, total amine concentration, and temperature on the absorption behavior, as well as the effect of temperature on the desorption behavior of TETA-DEEA-H₂O system were investigated. An aqueous solution of 1 mol·L^-1 TETA and 4 mol·L^-1 DEEA spontaneously separates into two liquid phases after a certain amount of CO₂ is absorbed and it shows high CO₂ absorption/desorption performance. About 99.4% of the absorbed CO₂ is found in the lower phase, which corresponds to a CO₂ absorption capacity of 3.44 mol·kg^-1. The appropriate absorption and desorption temperatures are found to be 30℃ and 90℃, respectively. The thermal analysis indicates that the heat of absorption of the 1 mol·L^-1 TETA and 4 mol·L^-1 DEEA solution is -84.38 kJ·(mol CO₂)^-1 which is 6.92 kJ·(mol CO₂)^-1 less than that of aqueous MEA. The reaction heat, sensible heat, and the vaporization heat of the TETA-DEEA-H₂O system are lower than that of the aqueous MEA, while its CO₂ capacity is higher. Thus the TETA-DEEA-H₂O system is potentially a better absorbent for the post-combustion CO₂ capture process.     

耦合膜分离的新型CO2低温捕集系统性能优化

CO₂捕集作为温室气体排放控制的有效手段已成为重要研究课题。作为新兴捕集技术之一，低温CO₂捕集因产品纯度高、无附加污染等优势受到关注。然而，该技术能耗和捕集率对于气体中CO₂浓度十分敏感，对于高CO₂浓度气体可获得较高的CO₂捕集率和较低能耗水平。基于此，本文提出了耦合膜分离的新型CO₂低温捕集系统，通过膜材料选择渗透性实现待捕集气体CO₂浓度主动调控，并在最优浓度下进行CO₂低温捕集。首先基于不同传统低温捕集系统特点，对比分析了不同耦合系统模式，从而确定了最优耦合系统结构。针对最优耦合系统进行了运行参数优化，并分别基于实现系统捕集能耗最低与捕集率最高的目标，获得了膜渗透侧CO₂浓度与进气CO₂浓度间的关系式，为该耦合系统中膜组件选型提供指导。研究表明，本文提出的耦合系统捕集能耗为1.92MJ/kgCO₂，相比于传统单一低温系统捕集能耗可降低16.5%。     

化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇过程参数优化与分析

我国能源结构决定了以煤为主的甲醇生产路线。传统煤制甲醇过程主要存在过程能量效率低、CO₂捕集能耗高等问题。本文提出了一种化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇新过程，以降低能耗、二氧化碳排放及提高能源效率。化学链空分技术的集成可以替代传统煤制甲醇过程的空气分离单元，并在一定程度上降低能耗。化学链制氢技术的集成，一方面可以替代水煤气变换装置，并且可以极大程度降低二氧化碳捕集能耗；另一方面，化学链制氢技术还可生产用于调整合成气氢与碳比的氢。本文对新过程的核心单元进行了参数优化以及全流程的模拟，基于模拟对新过程的性能进行了分析，结果表明新过程与传统的煤制甲醇过程相比，空分和二氧化碳捕集能耗分别降低了41%和89%。同时，新过程的能量效率提高了18%，二氧化碳排放量降低了45%。