天然气地下储气库CO2作垫层气研究现状

针对天然气地下储气库垫层气的相关研究,从CO₂和CH₄的热力学性质对比以及相关混气实验,综述了CO₂作垫层气的可行性。从静态因素和动态因素两个方面,详细综述了CO₂作垫层气与工作气混合的影响因素,包括储层孔隙度、渗透率、温度、压力、CO₂垫层气比例等。论述了“CO₂-地层水-岩石”相互作用对储层结构和稳定性的影响。研究可为CO₂作天然气地下储气库垫层气的注采动态变化规律分析以及提高储气库天然气采收率提供理论借鉴。     

磁场对氨水吸收烟气中CO2的促进作用

开发了一种新型磁场辅助氨法烟气脱碳技术。含碳烟气通入混有磁性颗粒的氨水溶液,在外加磁场的作用下发生脱碳反应。对该技术的运行特性开展了实验研究。结果表明,外加8 mT恒稳磁场,2 g·L^-1纳米级Fe₃O₄颗粒,氨水的CO₂脱除效率比不添加磁场和颗粒时最多可提高8.8%。外加磁场可以有效提高低浓度氨水的CO₂脱除效率。在模拟烟气流量增加时,外加磁场能有效减缓CO₂脱除效率下降的趋势。同时,外加磁场使得CO₂脱除效率曲线向低温方向移动5℃,有助于提高低温条件下的CO₂脱除效率。磁场可提高气液接触效率、降低相间传质阻力、增强氨水反应活性,从而提高氨水吸收CO₂性能。     

基于基团贡献法的CO2复合吸收溶剂实验研究

基于基团贡献法的基本原理,对用于脱除天然气中CO₂的复合溶剂进行组成设计。通过对比不同活化剂分子结构对其碱性、空间位阻效应等物化参数的影响,筛选出最佳的CO₂活化剂HZ,与N-甲基二乙醇胺(MDEA)水溶液混合组成复合溶剂。采用常压吸收-常压再生实验装置测定复合溶剂对CO₂的脱除能力,考察了活化剂种类、活化剂添加量、吸收温度、H₂S浓度和再生温度等因素对CO₂脱除效果的影响,以及复合溶剂的抗发泡性能。实验结果表明:活化剂HZ的活化效果优于MEA、DEA和PZ;HZ最佳添加量为0.7mol/L;最佳吸收温度为40℃;原料气中H₂S浓度增加,会降低复合溶剂对CO₂的脱除效果;最佳再生温度为115℃;复合溶剂具有良好的抗发泡性能。     

二段式吸收塔强化水洗技术提纯沼气过程

压力水洗技术已成为提纯沼气的关键技术之一。采用填料吸收塔进行CO₂脱除实验研究,考察了液气比、吸收压力、吸收温度、CO₂初始含量、填料层高度对CO₂脱除率的影响,以及液气比、沼气流量对总体积吸收系数的影响,并运用填料塔与喷雾塔结合的二段式吸收塔进行压力水洗提纯沼气的过程强化实验。实验结果表明,吸收压力和液气比的增大、吸收温度的降低、填料层高度的增加有利于CO₂的脱除,体积总吸收系数随着液气比及沼气流量的增加而增大。二段式吸收塔能够提高CO₂吸收效果,当沼气处理量为10 L·min^-1,填料层高度为100 cm,CO₂含量小于3%时,与填料塔相比二段式吸收塔可以减少约12%的吸收液用量,并且采用110 cm填料的二段式吸收塔获得最佳的提纯效果,CO₂脱除率达到97.4%。     

乙醇胺捕集燃煤烟气二氧化碳工艺模拟

有机胺法是最有效的燃煤烟气二氧化碳（CO₂）捕集技术之一。使用Aspen plus模拟乙醇胺（MEA）捕获烟气CO₂的过程,先进行单独的吸收塔与再生塔模拟,在单独系统模型收敛的基础上,再进行吸收-解吸的综合模拟。在入塔烟气流量为8.22 m³/min、CO₂物质的量分数为0.18、MEA流量为2 311.3 kg/h、MEA物质的量分数为0.12条件下,MEA捕集燃煤烟气中CO₂的模拟结果: CO₂脱除率为69.3%,净化气中CO₂物质的量分数为5.33×10^-2,再生塔顶再生气中CO₂物质的量分数为0.956,基本达到了设计要求。此为更深入地开展胺法吸收CO₂的研究提供了依据。     

2-甲基咪唑/乙二醇体系常温脱除天然气中的二氧化碳

将2-甲基咪唑溶于乙二醇中形成混合溶液体系,利用该体系常温下实现对天然气中二氧化碳的脱除。首先分别测定单组分甲烷和二氧化碳在体系中的吸收容量,在0.1 MPa下,CO₂在2-甲基咪唑/乙二醇混合溶液中溶解度约为0.87 mol·L^-1,高于同等条件下CO₂在大部分离子液体中的溶解度,二氧化碳的吸收容量远大于甲烷的;然后对混合气CH₄/CO₂进行分离,发现该体系能较好吸收分离CH₄/CO₂。最后考察了体系的再生性和重复利用性,得出2-甲基咪唑/乙二醇溶液体系能完全再生并且能重复使用。     

基于余热利用的活化MDEA法脱除CO2的天然气液化系统

沼气以及CO₂驱采油的伴生气中都含有大量的CO₂。为降低高含CO₂天然气液化的能耗,提出了活化甲基二乙醇胺（MDEA）法脱除CO₂的天然气液化系统,将液化厂中驱动压缩机的燃气轮机烟气余热用于吸收剂的再生过程,实现能耗的降低。采用HYSYS软件对系统进行了模拟研究并对脱碳过程的关键参数进行了分析。结果表明,CO₂含量不超过10%时,脱碳再生的热耗可全部由烟气余热提供,CO₂含量为30%时,烟气余热可提供接近50%的再生热耗;CO₂含量为1%～30%时,系统的比功耗为0.577～0.611 kW·h/kg。     

乙醇胺对介质阻挡耦合电晕放电同时脱除NO、SO2的影响

采用自行设计的介质阻挡耦合电晕放电等离子体反应装置进行了模拟烟气同时脱硫脱硝的研究,分别考察乙醇胺（HOCH₂CH₂NH₂,MEA）在不同模拟烟气体系中对NO、SO₂脱除的影响,深入探讨了MEA在放电过程中与NO的作用机理。结果表明：在N₂/O₂/SO₂/NO体系中,0.56% MEA的加入可以显著消除O₂对NO脱除的抑制作用;在N₂/CO₂/SO₂/NO体系中,MEA会吸收进入体系中的部分CO₂,以减弱CO₂对NO脱除的抑制;在N₂/O₂/CO₂/H₂O/NO/SO₂体系中,0.56% MEA的加入既可以有效减弱H₂O的影响,也可以使NO的脱除率达到71.28%,继续将MEA的体积分数增大至1.20%时,可将该体系下NO脱除率提高到81.25%;同时,MEA可以在短时间内高效吸收体系内的SO₂,且几乎不受其他气体成分的影响,SO₂脱除率保持在95%左右。     

等速升温流态化下CaO/生物质焦的SO2/NO联合脱除特性

燃煤锅炉污染物超低排放标准对电厂脱硫和脱硝系统提出了更高的要求。CaO作为脱硫剂可以实现循环流化床锅炉烟气中SO₂的高效脱除,焦炭作为还原剂直接还原NO,同时CaO的存在对焦炭还原NO起催化作用,可以实现燃煤烟气中SO₂/NO的联合脱除。为了探究连续温度变化对CaO/生物质焦联合脱硫脱硝性能的影响,在钙循环捕集CO₂技术背景下,研究了等速升温流态化下CaO/生物质焦的SO₂/NO联合脱除特性。探究了烟气中O₂和CO₂对CaO/椰壳焦脱除SO₂/NO的影响。结果表明,O₂通过对椰壳焦表面碳原子的活化作用降低了异相还原NO温度,在300~950℃等速升温过程中CaO/椰壳焦的NO脱除效率逐渐增加,780℃以上能实现100%脱硝。O₂也提高了CaO/椰壳焦的脱硫效率。CO₂与CaO的碳酸化反应以及与椰壳焦的气化反应对同时脱除SO₂/NO有明显抑制作用。O₂和CO₂共同作用下,在500~800℃内CaO/椰壳焦的脱硝效率随温度升高而增加,脱硫效率先降低后升高。NO促进了CaO/椰壳焦脱除SO₂,而SO₂对脱硝有抑制作用。800℃时CaO/椰壳焦同时脱除SO₂和NO的效率分别为97.7%和93.9%。     

PEBA/氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

为了获得高性能的混合基质膜,有效捕集烟道气中的CO₂,设计了对CO₂有优异的扩散选择性和吸附选择性的氮硫共掺杂多孔碳球添加剂,实现了烟道气中CO₂/N₂的高效分离。选用表面含氧基团丰富的葡萄糖作为碳源,硫脲作为氮源和硫源,通过水热法制备了氮硫共掺杂碳球（NSC）,并用KOH活化,获得了具有多孔结构的氮硫共掺杂碳球（NSPC）,再加入聚醚嵌段酰胺（PEBA）中制备出PEBA/NSPC混合基质膜。采用FTIR、XRD和BET表征了材料的化学结构和孔结构,借助力学性能表征了膜的两相界面相容性。系统研究了PEBA/NSPC混合基质膜中葡萄糖与硫脲的质量比、NSC和KOH的质量比、NSPC的添加量、操作压力、操作温度,以及模拟烟道气条件对膜CO₂渗透性、CO₂/N₂选择性的影响。结果表明：NSPC材料成功实现了氮、硫元素的共掺杂,而且具有较好的孔结构。在操作温度25℃、操作压力0.2 MPa的条件下,混合基质膜中NSPC添加量为3%（质量）时气体分离性能最优,CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性分别为589 Barrer和64,相比纯PEBA膜分别提高了244%和139%。这是因为多孔碳球的微孔结构显著提高了CO₂的扩散选择性,同时氮、硫元素的掺杂因为酸碱相互作用和良好亲和性有效提高了CO₂的吸附选择性。稳定性实验表明,PEBA/NSPC混合基质膜在360 h连续运行过程中气体分离性能稳定,具有较好的工业应用前景。     

地下煤合成气脱碳工艺优选及能耗模拟优化研究

地下煤蕴含的资源量十分巨大,地下煤合成气中CO₂含量比常规天然中的CO₂含量高,传统MDEA脱碳工艺无法较好地使地下煤合成气中的CO₂达到天然气净化指标要求。且传统的脱碳工艺再生能耗高,需要大量燃料气为脱碳再生系统提供能量。通过配方溶液筛选、工艺流程优化、关键参数研究等方法开展研究。结果表明,PZ+MDEA配方可明显提高CO₂吸收效率,超高CO₂含量合成气脱碳优化工艺可实现地下煤合成气脱碳工艺能耗同比下降55%。     

一种冷热电联供和CO2捕集的联合动力循环

针对液化天然气(LNG)的冷能利用、天然气燃烧生成烟气的余热回收和烟气中CO₂的捕集问题，提出了一种冷热电联供的CO₂回热朗肯循环和三级有机朗肯循环联合动力循环(CO₂RRC-TORC)。采用Aspen HYSYS软件对系统进行模拟，分析了CO₂回热朗肯循环透平入口压力、三级ORC透平入口温度和压缩机出口压力对热力学性能的影响。结果表明：在CO₂质量流量为3.2 kg/s,透平等熵效率为75%时，系统净输出功可达2 425.57 kW,热效率为64.76%,冷■回收率为44.78%,■效率为42.57%,年度净资产为3 503 736.70美元。相较于CO₂回热朗肯循环和单级有机朗肯循环联合动力循环(CO₂RRC-SORC),CO₂RRC-TORC系统在热力学和经济性方面均具有更大优势。     

富氧燃烧烟气冷凝塔钠碱法脱硫过程SO2和CO2共吸收建模与实验研究

建立SO₂与CO₂共吸收到钠基溶液中的吸收速率模型,假设该模型中SO₂的水解反应为瞬间反应;关于CO₂水解反应存在两种假设：有限动力学假设和瞬间反应假设。由这两种方法计算分别获得SO₂的吸收速率并与完全预混气液反应器中的的动态实验进行对比。采用瞬间反应假设可以预测反应速率的趋势,绝对反应速率误差仍然较大。而采用有限动力学假设的模拟值与实验值在pH>3吻合良好。CO₂对SO₂吸收速率的影响主要通过影响气相传质系数和相同pH下溶液总硫浓度产生。根据CO₂存在与否对SO₂吸收速率的影响,获得五个不同的相互作用pH的区间。pH>11.42时,SO₂/N₂吸收速率大于SO₂/CO₂,主要由于气相传质系数影响;7.8 < pH < 11.42时,SO₂/N₂的吸收速率和SO₂/CO₂吸收速率相似,主要由于气相传质系数和溶液总硫影响抵消;5.41 < pH < 7.8时,SO₂/CO₂的吸收速率相对较高,主要由于溶液总硫影响更大;2.8 < pH < 5.41时,SO₂/CO₂的吸收速率相对较低,主要由于气相传质系数影响;pH < 2.8时,SO₂/N₂和SO₂/CO₂吸收速率相似,主要受液相传质的控制。模拟同时获得不同pH下溶液中碳和硫相关离子的转化规律和SO₂吸收速率的控制步骤,为富氧燃烧冷却塔同时脱硫设备的设计和运行提供参考。     

高含有机硫天然气的净化研究与探索

在使用单一甲基二乙醇胺（MDEA）溶液脱除天然气中H₂S的过程中,随着有机硫含量不断地增加,常常造成出料气中H₂S和总硫含量均不能满足国家二类天然气质量要求。在改变关键参数后,脱硫效果仍然不能改善。因此,本文针对高含量的有机硫,开展了MDEA+DIPA、MDEA+DEA、环丁砜+MDEA、环丁砜+DIPA 4组高效脱硫剂的复配研究,通过对比H₂S及有机硫在溶液中的吸收分压,筛选出了吸收效果较优的脱硫剂组合为：环丁砜+MDEA。随后再利用BBD响应面分析法,以环丁砜、MDEA、H₂O的不同配比为变量,以H₂S和总硫脱除率最高为目标函数进行寻优,经过混料实验与复合优化,最终得出最优脱硫剂配比为：23.3%环丁砜+54.6%MDEA+22.1%H₂O。最优配比脱硫剂经现场装置使用后的效果表明,H₂S脱除率达到99.964%,总硫脱除率达到99.833%,出料气中H₂S含量为14.4mg/m³,总硫含量为78.5mg/m³,满足二类气标准。     

添加剂CH3COONH4对介质阻挡-电晕放电耦合法脱除NO、SO2的影响

采用自行研究设计的介质阻挡-电晕放电等离子体反应装置在模拟烟气中进行NO、SO₂的脱除研究。考察了O₂、CO₂、水蒸气等气体组分对脱除NO、SO₂的影响,并进一步探讨了添加剂CH₃COONH₄对脱除NO、SO₂的影响及作用机理。实验结果表明：O₂、CO₂和水蒸气浓度的增加对NO脱除有抑制作用,而引入CH₃COONH₄后,这些抑制作用会被减弱,使NO的脱除率得到大幅度提升,但这些抑制作用不会完全消除。在引入CH₃COONH₄后,气体组分和输入电流的变化对脱除SO₂的影响不明显,SO₂脱除率可达到94%左右。在N₂/O₂/CO₂/H₂O/NO/SO₂体系中加入0.27%的CH₃COONH₄后,NO初始浓度不变的条件下,SO₂含量较少时,对NO的脱除影响不明显,随着SO₂浓度的增加,NO的脱除率不断下降,增加CH₃COONH₄的添加量可消除SO₂的影响;另一方面,在SO₂初始浓度恒定的条件下,随着NO含量的增加,SO₂的脱除率保持在94%左右。在N₂/O₂/CO₂/H₂O/NO/SO₂体系中加入0.51%的CH₃COONH₄后,输入电流2.5A时,NO的脱除率达到72%。     

二氧化碳在CH4+CO2+N2/C2H6三元系中的结霜温度计算

含CO₂的天然气体系在历经低温工艺时,由于CO₂的三相点温度(216.55 K)较高,容易凝华结霜产生固体CO₂,因而有必要对CO₂在天然气中的结霜温度进行计算。根据气固相平衡原理,分别采用道尔顿分压定律、PR状态方程对CO₂在CH₄-CO₂-N₂和CH₄-CO₂-C₂H₆三元系中的结霜温度进行了计算。此外,还采用HYSYS软件对CO₂的结霜温度做了相应的计算。将3种方法的计算结果和实验结果进行了比较,结果表明3种方法在预测三元系中CO₂的结霜温度时,都具有良好的精度。其中,PR状态方程法和HYSYS法的精度略高于道尔顿分压定律法;道尔顿分压定律法虽精度最低,但计算最简单,且也能获得满意的精度,可做工程快速估算使用。     

煤和焦炉气联供制合成天然气过程的建模、模拟与分析

近年来中国的煤制天然气项目快速发展。然而煤制天然气项目的CO₂排放量大、污水产量高难处理,生产过程能效低。与此同时,中国焦炭工业每年产生约700亿立方米的副产物焦炉气,这些富氢的焦炉气大多被燃烧或直接排放进入大气,对环境造成严重影响,同时还浪费了巨大的经济价值。煤和焦炉气联供制天然气新工艺可有效解决这些问题。焦炉气与煤元素互补,焦炉气中的氢气可用来调节合成气的氢碳比;甲烷可通过甲烷干重整过程降低煤制烯烃过程排放的CO₂,提高碳元素利用率,实现节能减排。本文针对煤和焦炉气联供制天然气这个新的工艺过程进行建模、模拟与分析,发现新过程的能效比煤天然气烃过程提高了约8个百分点,而CO₂排放量则减少了约60%。     

天然气藏中酸气H2S与CO2协同转化研究进展

为保障国家能源安全，减少我国对国外油气资源的依存度，必须加大对国内天然气等资源的开发。在天然气的开采净化过程中，往往会产生酸气H₂S与CO₂等。现有酸气处理技术主要通过克劳斯工艺回收得到H₂S中的硫黄，并未对CO₂进行处理，造成了氢资源的浪费和严重的碳排放。如果能将H₂S与CO₂协同转化，则有望在减少碳排放的同时得到氢气、合成气和硫黄高值化学品。本文基于国内外30多年相关领域的实验研究和理论模拟，总结阐述了H₂S与CO₂协同转化的发展历史，并分别从热反应(直接热反应、工艺流程和经济性评估、催化热分解)、光催化、电催化和等离子体催化角度详细综述了H₂S与CO₂协同转化的研究进展。从催化剂、反应条件和反应产物分布等方面展开了细致的分析，对比了各种技术的优缺点。展望了H₂S与CO₂协同转化的发展趋势，近期可考虑使用绿电进行电催化技术...     

富氧燃烧烟气压缩净化及高浓度CO2制备工艺研究

富氧燃烧技术是目前最有可能大规模推广和商业应用的碳捕集与封存技术之一,其中,烟气压缩净化及CO₂提纯对于整个富氧燃烧系统至关重要。然而,目前研究多聚焦于富氧燃烧后烟气压缩净化的工艺验证,而对烟气压缩纯化各单元运行特性的研究仍不深入,特别是烟气压缩净化过程杂质污染组分的迁移转化、系统运行参数与污染物脱除效率的关联仍不明确。且现有研究对净化后烟气的深度提纯及高浓度CO₂制备的关注也相对较少,直接关系到富氧燃烧系统运行经济性。因此,针对富氧燃烧烟气净化及CO₂提纯需求,系统探究了富氧燃烧烟气压缩纯化过程SO₂、NO_x吸收脱除以及CO₂深度提纯等各子系统的运行特性,其中SO₂与NO_x脱除采用压缩-酸液吸收,CO₂深度提纯采用低温精馏。结果表明:通过烟气净化可实现SO₂脱除效率达100%,NO脱除效率达99%,同时实现纯度为99.99%的食品级液态CO₂制备。烟气净化过程中,气相反应占据主导,提高压力可缩短反应时间;当SO₂吸收塔运行压力超过0.8 MPa时,SO₂脱除效率可达100%;当NO吸收塔运行压力超过3.0 MPa时,NO排放浓度可达超低排放标准。CO₂提纯过程中,提高压力会降低液体CO₂纯度。SO₂吸收塔运行压力为1.6 MPa、NO吸收塔运行压力为3.0 MPa、CO₂提纯塔运行压力为3.8 MPa时,系统整体功耗最低,为0.37 MJ/kg。     

等离子体辅助快速合成磁性Fe3O4/NaA复合材料及其CO2吸附性能

吸附法是捕集分离CO₂等温室气体的重要方法,磁性复合材料能实现气固相快速分离而备受关注。本文利用介质阻挡放电等离子体处理方法,分别对磁性Fe₃O₄和分子筛前体进行处理,再通过水热法快速制备了Fe₃O₄/NaA复合材料。利用X射线衍射、红外光谱、扫描电镜和元素扫描等技术进行了表征,并考察了复合材料中Fe₃O₄/NaA含量比对CO₂吸附性能和磁性能的影响。结果显示,当Fe₃O₄的质量分数为23.2％时,Fe₃O₄/NaA复合材料既具有优异CO₂吸附能力（2.10mmol/g）,又具有较好的磁性（25.92emu/g）,同时CO₂吸附-脱附循环稳定性高,是一种新型磁性CO₂吸附剂。在采用流化床吸附捕集CO₂技术中,有望实现气固高效磁分离。