新型CO2低温捕集与N2/O2分离复合系统性能分析

提出了一种CO₂低温捕集液化与N₂/O₂分离的新型复合系统,并且对该系统的性能以及优势进行了分析。这一系统不仅将CO₂低温捕集液化与N₂/O₂的分离结合起来,而且能达到降低能耗与减少投资的目的。采用理论分析和软件模拟相结合的方法,对该系统进行可行性分析。结果显示,这一新型系统不仅能量消耗低于传统醇胺吸收捕集CO₂的系统,该新型复合系统捕集1 t CO₂耗能3.29 GJ·t^-1,而传统MDEA吸收法耗能4.11 GJ·t^-1。而且在该系统中,CO₂分离液化的同时,可以获得副产物N₂与O₂。本研究阐明了一种CO₂低温捕集液化与N₂/O₂分离复合系统的新思想。     

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。     

燃烧后二氧化碳捕集技术与应用进展

二氧化碳是主要的温室气体之一，其大量排放已对全球的气候环境造成严重影响，迫切需要开发经济有效的碳捕集技术。目前，碳捕集技术主要有吸收分离法、吸附分离法、膜分离法和低温分离法。首先，介绍了碳捕集技术的发展现状、应用研究进展和未来发展趋势；总结了国内外碳捕集示范项目；重点对比了各碳捕集技术的优势与缺点，同时强调了捕集技术面临的困难与挑战；指出目前主要的碳捕集技术均难以独立实现高效、节能、经济的碳捕集分离，需针对不同的应用场景，选择适合的分离技术，并提出了适用分离场景的应用建议；最后，简要介绍了混合捕集技术的研究成果，提出混合捕集技术可能是一种突破单一捕集技术瓶颈的可行方法。     

CO2捕集技术的研究现状

针对目前主要的CO2捕集技术进行了综述,总结了各种技术的优缺点,并阐述了各种方法目前存在的问题,指出了可能的改进方法,并提出未来CO2捕集技术研究的重点以及方向.     

用于燃烧后CO2捕集系统的胺基固态吸附材料研究进展

随着工业化的发展和大量化石燃料的消耗,大量的CO₂气体排放到大气中并引发了一系列严重的环境问题,而采用燃烧后CO₂捕集技术可以有效地应对这一问题。寻找一种高效吸附、稳定、价格低廉的固态吸附材料对于开展燃烧后CO₂捕集系统的研究具有重要的实际意义。近年来,胺基固态吸附材料因其高CO₂吸附能力和高吸附选择性成为研究的热点。本文综述了近年来国内外学者对不同胺基固态吸附材料在合成方法、载体材料选择以及性能测试等方面进行的研究,重点讨论了以沸石分子筛、介孔硅分子筛、多孔碳和金属有机骨架为载体的胺基固态吸附材料对CO₂的吸附行为,并指出多孔载体材料的结构改进及有机胺和促进剂的合理选择将会成为未来胺基固态吸附材料的重点研究方向。     

电化学介导胺再生CO2捕集系统电化学性能研究

二氧化碳(CO2)捕集是实现我国碳中和目标的重要手段.电化学介导胺再生(EMAR)CO2捕集系统是一种极具应用前景的碳捕集技术.为了进一步研究EMAR的电化学性能,利用H型电解池,对以乙醇胺(MEA)溶液为吸收剂,铜离子为金属配体的体系开展电化学行为研究.结果表明:阴极和阳极反应均是分步进行的,且均由扩散和电荷传递共同...     

湿法再生CO2空气捕集材料的能耗与性能优化

湿法再生阴离子交换树脂膜材料,可通过调控湿度驱动CO₂的吸附与脱附,材料再生成本极低。该材料需经过高温水热预处理张开孔结构,增强气体扩散速率,能耗较高;此外,利用液态水润湿材料以驱动脱附时,材料的解吸比（脱附量/吸附量）只有~30%。通过系统研究不同预处理水温及时间下膜材料的CO₂吸附/脱附性能,发现采用常温水浸泡预处理亦可获得良好的材料微观孔结构以及碳捕集性能,显著降低预处理能耗;更重要的是,基于微观尺度的气体吸附和液体浸润相关理论,实验发现超声雾化所获得的微米级水颗粒,由于更易扩散进入孔隙,可将解吸比从~30%提升到~60%,极大提升了树脂膜材料的再生性能。这些预处理能耗与脱附性能的优化,为大规模空气捕集的工程化实施提供了有利条件。     

CO2的捕集及资源化利用

新型吸附材料对CO₂进行吸附分离并催化转化为高附加值产品,具有绿色清洁的优点,是未来全球应对气候变化的重要技术选择之一,但在复杂环境CO₂的捕集过程中存在无法高效吸附分离以及成本较高的问题。本文简述了CO₂吸附材料最新研究进展以及资源化利用的有效途径,主要介绍了金属有机骨架（MOF）、分子筛、多孔碳材料、共价有机骨架（COF）等吸附材料的物化性质等对吸附量和选择性的影响,从催化转化的角度对合成甲酸、甲醇以及烯烃等小分子化合物进行了论述。基于含CO₂废气的综合治理问题,探讨了将钢铁行业中的烟道气以及高炉煤气等进行加氢的可行性,在CO₂捕集和转化的科学技术进步上开拓了新思路,对CO₂更加清洁高效利用,实现低碳化、智能化多能融合进行展望。     

烟气CO2捕集热能梯级利用节能工艺耦合优化

醇胺法捕集CO₂技术是一种较成熟的CO₂捕集技术,具有吸收速度快、脱除效果好等显著优点,但其操作费用高、解吸能耗大。本文以降低醇胺法捕集烟气中CO₂系统再生能耗为出发点,对常规醇胺法捕集CO₂工艺统进行了节能优化研究。在常规工艺流程基础上引入压缩式热泵节能技术,并利用Aspen Plus软件建立了基于压缩式热泵技术的CO₂捕集工艺流程模型。研究了压缩式热泵与机械蒸汽压缩回收（MVR）热泵、分流解吸、分布式换热、级间冷却4种节能工艺耦合,通过模拟计算与优化,结果说明了最佳节能工艺组合为“解吸塔压缩式热泵+贫液MVR热泵+分流解吸+级间冷却”耦合的CO₂捕集工艺流程,当解吸塔顶气体分流比为0.25∶0.75、冷富液分流比为0.05∶0.95、级间冷却器位于吸收塔17块塔板位置、吸收塔输入冷量为-3.0GJ/h时,系统再生能耗最低,为2.533 GJ/tCO₂,相比常规有机胺工艺（再生能耗4.204GJ/tCO₂）节能率39.748%。     

面向CO2分离的膜-深冷耦合过程优化

二氧化碳的分离与纯化是当前的研究热点,而随着环保要求的提高,传统单一的分离手段难以满足行业要求,多种分离方法的集成逐渐得到研究者的重视。以整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）流程中二氧化碳的分离与回收环节为例,在流程模拟的基础上,拟合出该体系状态方程的多项式形式。进一步,构建耦合膜-闪蒸超结构数学模型,在设定最低产物纯度和回收率的情况下,以最小化年度费用为目标,筛选出最优的分离序列。     

Design and study of a novel ammonia-based CO2 capture process with bipolar membrane electrodialysis

Aqueous ammonia is a promising absorbent in the field of post combustion CO₂ capture. However, the high volatilization of NH₃ results in a high energy requirement, as well as solid precipitation during the CO₂ regeneration process. A novel process was designed to reduce energy consumption and solve the problem. The bipolar membrane electrodialysis (EDBM) unit and CO₂ regeneration reactor were taken as the regeneration part. In the novel process, the bubble in the EDBM unit would be eliminated, and the regeneration of CO₂ and aqueous ammonia would be operated separately, which significantly reduced energy consumption and avoided the risk of precipitation during regeneration. According to the simulation and calculation results, the CO₂ regeneration energy consumption of the novel process using H₂SO₄ for CO₂ regeneration is 39.0% lower than that of the conventional ammonia-based process, which shows good energy saving potential. Moreover, the novel process will be more competitive as membrane technology develops.     

N2优先渗透ZIF-8复合膜的制备及其CO2捕集

为了获得经济节能的烟道气CO₂回收方法,制备了一种新型的N₂优先渗透ZIF-8复合膜。以柔性聚砜(PSf)多孔膜为支撑层,采用Zn²⁺与壳聚糖的交联溶液对聚砜支撑层表面改性,使Zn²⁺固定在PSf膜表面;然后与2-甲基咪唑(Hmim)配位得到ZIF-8晶种层;最后通过界面聚合法二次生长制得ZIF-8复合膜。采用FTIR、XRD及SEM对ZIF-8复合膜的形貌结构进行表征,结果显示成功制备了致密的ZIF-8复合膜。在进料气为纯气条件下,探究了二次生长时间、Zn²⁺溶液的浓度、测试时间及测试压力对ZIF-8复合膜N₂/CO₂分离性能的影响,阐明其N₂优先渗透机理;并进一步考察了混合气分离性能。结果表明：在25℃和0.1 MPa下,最优ZIF-8复合膜的N₂渗透性为523 GPU,N₂/CO₂选择性为19;同条件下混合气的N₂渗透性和N₂/CO₂选择性分别为517 GPU和18。所制备的ZIF-8复合膜可以使N₂优先渗透,实现烟道气中高浓度N₂渗透,低浓度CO₂截留在膜的上游侧。原因主要是ZIF-8复合膜含有较多的CO₂强吸附位点,使CO₂被吸附在膜内不易从膜的下游侧脱附,渗透性小,而N₂优先渗透,这为N₂优先渗透膜的制备提供了一种新思路。     

多孔液体在CO2捕集与利用领域的研究进展

为助力中国早日实现“双碳目标”,深入落实化工领域绿色低碳可持续发展的重要举措,吸附-吸收耦合有望成为气体分离的绿色变革性分离技术,其关键是高性能吸附（收）材料的开发。多孔液体（PLs）作为一类具有永久孔隙的液体材料,兼具了液体吸收剂的易于管道输送、传质传热效果好等优点和固体吸附剂的高比表面积、高孔隙率等优点,有望成为新一代CO2捕集的绿色变革性介质。该文首先简单介绍了多孔液体发展脉络;然后,重点聚焦于多孔液体在CO2的吸附/吸收、膜分离、催化转化等领域的应用展开探讨,并对多孔液体性能和优缺点进行分析归纳。最后,对多孔液体目前面临的挑战和未来发展趋势进行了展望。     

Adsorption-hydration hybrid process for CO2 capture in a fixed bed of activated carbons

This work reports an investigation of using a fixed bed of activated carbons (ACs) to capture CO₂ at hydrate formation conditions. The experiments were conducted at 277.15 K and 3.5 MPa. The water saturation (WS) of the fixed bed of ACs varies from 0% to 100%. The results indicate that an adsorption-hydration hybrid process occurred in the fixed bed of wet ACs while a single adsorption process occurred in the fixed bed of dry ACs. The adsorption-hydration hybrid process performs better than the single adsorption process for CO₂ capture. Gas consumption at 100% WS is 3.18 times greater than that obtained using dry ACs (single adsorption process). It is found that 40% WS is an optimal value, and the gas consumption obtained at this WS is larger than that obtained at 0%, 70%, and 100% WS. This gas consumption is also greater than that obtained using stirred reactors at the same temperature and pressure conditions, so the adsorption-hydration hybrid process achieved in the fixed bed of wet ACs has a greater potential to capture CO₂ in comparison with the single adsorption or hydrate formation process.     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

CO_2捕集的吸收溶解度计算和过程模拟

为了降低CO2吸收法捕集技术的能耗和成本,以目前常用的单乙醇胺(MEA)溶液吸收CO2为例,采用电解质非随机双流体热力学模型(E-NRTL),对溶液中的CO2气体溶解度进行计算,计算过程包含了化学反应平衡和汽液平衡,计算结果和文献数据相吻合。在此基础上,建立了CO2吸收过程模拟程序和包括解吸能耗、气体压缩能耗以及液体输送能耗的过程总体能耗的计算方法,继而通过过程模拟分析了吸收塔和解吸塔压力、溶液浓度和流量等因素对吸收捕集过程的总体能耗的影响,获取了最优的工艺条件,为以后新CO2吸收捕集过程提供能耗分析方法基础。     

Mixed oxygen ionic-carbonate ionic conductor membrane reactor for coupling CO2 capture with in situ methanation

CO₂ methanation is one of the vital reactions to utilize CO₂ and realize power to gas process. To decrease the CO₂ capture cost and alleviate the hot spots during the strong exothermic methanation reaction, here, we report a coupling of CO₂ capture process with in situ CO₂ methanation process through a ceramic-molten carbonate (MC) dual phase membrane reactor over the Ni-based catalyst. The performance of the membrane reactor was systematically investigated and compared with the traditional fixed-bed reactor. The results show that the performance of the membrane reactor is higher than that of the fixed-bed reactor, since the produced steam through the methanation process can be partially removed through the dual-phase membrane, which promotes the reaction shift to right side. A stability test shows no obvious degradation within 32 h. These results indicate that the membrane reactor is promising for coupling CO₂ capture with in situ methanation process.     

基于钠基吸附剂的烟气脱碳系统余热利用研究

针对基于钠基固体吸附剂的燃烧后脱碳技术应用于燃煤电厂后综合能耗偏高的问题,本文提出与供热机组结合的碳捕集/供热双机组系统,利用低温热网回水回收系统低品位余热。依据双机组的抽汽混合与否构建了两种系统流程,分析了两种不同方案下的系统性能。研究结果表明,在有效回收脱碳系统碳酸化反应余热后,独立抽汽方案中碳捕集综合能耗从4.05GJ/t CO₂降低至1.26GJ/t CO₂,而混合抽汽方案中碳捕集综合能耗降低至1.13GJ/t CO₂,同时双机组系统的热网供热量较单供热机组分别增加了67.5%和72.8%,经济效益显著。分析了混合抽汽方案的系统中碳捕集综合能耗随相关运行参数变化的规律,发现碳酸化反应温度和热网回水温度因为能够直接影响系统余热利用程度因而更易对碳捕集综合能耗产生影响。