Experimental Study on Enhancement of Bubble Absorption of Gaseous CO2 with Nanofluids in Ammonia

纳米颗粒强化氨水鼓泡吸收CO₂实验研究

方立军,刘洪锟,边岩,刘玉东,杨亚利

（华北电力大学（保定） 能源动力与机械工程学院）

研究目的：

探究纳米颗粒对鼓泡塔氨法吸收二氧化碳的强化作用

研究方法：

（1）试剂：氨水,质量分数为25%-28%,天津化工有限公司生产;二氧化碳气体,纯度为99.99%,氮气,99.99%,保定北方特种气体有限公司生产;纳米颗粒（SiO₂、TiO₂、CuO）,由南京埃普瑞纳米材料有限公司提供。

（2）本文纳米流体的制备方法采用的是“两步法”,首先用天平准确称取所需的纳米TiO₂、CuO、SiO₂,量取所需要的蒸馏水,然后通过机械分散20分钟,加入一定量的氨水,继续机械分散10分钟制备为不同质量分数的纳米流体,纳米流体的分散稳定性良好。

（3）实验系统：纳米颗粒强化氨水鼓泡吸收CO₂实验系统如图所示,主要包括鼓泡吸收塔、烟气配送系统、尾气测量处理系统。

实验步骤：

（1）实验前先计算出配制纳米流体所需的纳米颗粒、氨水、蒸馏水的量,用电子秤称出纳米颗粒的质量,将其加入到蒸馏水中,机械搅拌20min,加入一定量的氨水,继续机械分散10分钟制备为不同质量分数的纳米流体;

（2）打开分析仪预热30min,开通N2对整个系统进行吹扫,待CO2烟气分析仪示数降为0时。按照比例将氮气与二氧化碳充入混合瓶,混合均匀后通入分析仪,待示数达到预设值且稳定;

（3）将配制好的纳米流体加入到反应塔内,开始计数,每5s计数一次,待示数不再降低,停止计数。

为减少偶然误差带来的影响,每组实验均进行5次,然后取其平均值。为减少氨水浓度对本实验的影响,每次实验都要测量配制好的溶液的pH值,保证初始溶液具有相同pH值。

结果：

（1）纳米颗粒种类和固含量对增强因子的影响

对氨水质量分数为1%,CuO、TiO₂、SiO₂颗粒添加量分别为1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L的纳米流体进行鼓泡吸收实验,增强因子如图所示：

增强因子与纳米颗粒种类的关系

从图中可以看到只有添加TiO₂这一种纳米颗粒时,其增强因子一直大于1;添加SiO₂ 纳米颗粒,只有在1g/L、2g/L时,增强因子略大于1,其他添加量则小于1;添加CuO 纳米颗粒,其增强因子始终在1左右徘徊,没有出现出明显的增强或抑制作用。

（2） 氨水浓度对增强因子的影响

从图中可以看出,不同氨水浓度下,增强因子的变化趋势随固含量的增加先升高后降低。但是,它们的最佳固含量不同,随着氨水浓度的升高,最佳固含量降低。

（3） 纳米颗粒种类对脱除率的影响

从图中可以看出,TiO2纳米流体的吸收率要大于空白溶液,CuO纳米流体的吸收率和空白溶液相同,而SiO2纳米流体的吸收率小于空白溶液。

（4）纳米颗粒添加量对脱除率的影响

从图中可以看出,脱除率随纳米颗粒添加量的增加先增高后降低,且脱除率一直大于空白溶液实验,在纳米颗粒添加量为3.0g/L时脱除率达到最大值。

结论：

（1）纳米颗粒的添加对于部分有化学反应气液传质过程具有强化作用,其强化作用与纳米颗粒和溶剂的性质有关;

（2）对气体溶质具有选择吸附性、增溶剂性的纳米颗粒可对有化学反应的气液传质过程有强化作用。其强化作用随着纳米颗粒添加量的增加先增大后减小,即纳米TiO2的含量对强化氨水捕集CO₂存在一个最佳固含量;

（3）对气体溶质没有吸附性但具有亲溶剂性的纳米颗粒可对有化学反应的气液传质过程有抑制作用。其抑制作用随着纳米颗粒添加量的增加而逐渐增强;

（4）纳米颗粒强化有化学反应的气液传质过程的机理可总结为,纳米颗粒在布朗运动的作用下会使吸收工质内部形成微对流,从而使分子扩散系数增大。纳米颗粒对气体溶质的吸附性,使传质边界层内气相溶质浓度降低,传质边界层内的浓度梯度增大,传质推动力增加,气体吸收得到强化。

关键词：纳米颗粒;鼓泡塔吸收;氨水;CO₂捕集;强化吸收

     

膜法脱除模拟烟气中CO_2的实验研究

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规整填料内乙醇胺吸收CO2的计算流体力学模拟

为模拟规整填料单元内乙醇胺吸收烟气二氧化碳的过程,利用计算流体力学(CFD),考虑包含化学反应气液质量传递过程,建立伴有二级化学反应的气液两相流动模型.通过改变吸收过程的操作条件,如气液入口流量比、CO_2入口质量分数、乙醇胺入口摩尔分数、压强等,分析吸收塔规整填料单元内碳捕捉过程的影响因素.CFD模拟结果表明:CO_2吸收率随乙醇胺浓度与压强的增大而升高;随烟气CO_2浓度与气液流量比的增大而下降;对各影响因素影响定量排序,乙醇胺浓度对吸收效率影响最突出,其次依次是CO_2入口浓度、气液入口流量比、压强.模拟与试验结果相吻合,得出了相应的最优参数.     

基于超重力法脱除模拟烟气中CO_2的实验研究

超重力法与化学吸收法相结合的方法是一种较新的脱碳方法.为了获得各种因素对超重力法脱除CO2气体效率的影响,实验研究了模拟烟气流量、吸收剂浓度、吸收溶液流量以及转子转速对CO2脱除率的影响.实验结果表明,CO2脱除率随着模拟烟气流量的增加而降低,随着吸收剂浓度和吸收液流量的增加而增高,随着转子转速的增加呈先增后降的趋势.     

膜法捕集CO2时的系统传质系数研究

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CO2强化再生骨料的特性及其对再生混凝土性能的影响

CO₂强化不同品质和粒径再生骨料的特性研究尚不系统和完善。在约20% CO₂浓度和自然环境压力条件下,考虑再生粗骨料（RCA）品质和粒径的影响,试验测试了CO₂强化再生骨料（CRCA）的碳化率、CO₂吸收率、碱度、残留CO₂气体含量、吸水率及CO₂强化再生骨料混凝土（CRAC）的抗压强度和抗氯离子渗透性能。结果表明：CO₂强化再生骨料的碳化率和CO₂吸收率随再生骨料水灰比的增加而增加;CO₂强化显著降低了再生骨料的碱度,且CO₂强化再生骨料粒径越小、水灰比越低,其残留CO₂气体含量越高;CO₂强化显著降低了再生骨料的吸水率,明显提升CO₂强化再生骨料混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能。     

300 MW无烟煤锅炉选择性催化还原系统积灰原因分析

无烟煤锅炉由于挥发分含量低,着火困难,所以设计过程中都采用了较高的燃烧温度,从而导致选择性催化还原系统入口NOx排放浓度较高,脱硝系统压力较大。设计过程中灰颗粒尺寸选型不合理、灰黏性偏高、系统安装结构不合理以及喷氨量偏大等问题是引起脱硝系统积灰堵塞的主要原因。通过对脱硝系统优化改造和提高喷氨调整的自动化程度等,可以有效缓解选择性催化还原系统的堵塞情况;通过计算氨氮摩尔比,可以对氨逃逸浓度的测量结果进行校核。     

CO2捕集技术的研究进展

化石燃料燃烧排放的CO_2是当今温室气体中CO_2污染的主要来源。介绍了CO_2捕集技术中吸附法、吸收法和膜分离法的研究进展,并分析了各种方法的特点,归纳总结了目前新型吸附/吸收剂中金属有机骨架、相变吸收剂、离子液体吸收剂和纳米流体吸收剂的研究成果。降低能耗和成本是今后研究工作的重点。开发新型吸附/吸收剂、优化反应过程和联合使用不同方法是未来CO_2捕集技术的发展方向。     

基于Aspen Plus的燃煤电厂CO_2捕集系统模拟分析

针对乙醇胺溶液(MEA)化学吸收法在实际应用中能耗高的问题,在分析传统MEA法CO_2捕集工艺基础上,提出由菲涅尔式太阳能热泵和燃煤机组烟气余热共同提供再生热量的CO_2捕集技术。利用Aspen Plus软件对新型MEA法CO_2捕集技术模拟分析,获得具有代表性的预测结果。结果表明新型MEA法CO_2捕集工艺可节约63.80%的热能,新型CO_2捕集系统再生塔内的温度分布曲线更为平滑,更有利于CO_2快速分离。     

Leaching kinetics of low grade zinc oxide ore in NH3-NH4Cl-H2O system

The leaching kinetics of low grade zinc oxide ore in NH3-NH4Cl-H2O system was studied. The effects of ore particle size, reaction temperature and the sum concentration of ammonium ion and ammonia on the leaching efficiency of zinc were examined. The leaching kinetics of low-grade zinc oxide ore in NH3-NH4Cl-H2O system follows the kinetic law of shrinking-core model. The results show that diffusion through the inert particle pores is the leaching kinetics rate controlling step. The calculated apparent activation energy of the process is about 7.057 kJ/mol. The leaching efficiency of zinc is 92.1% under the conditions of ore particle size of 69μm, holding at 80℃ for 60 min, sum ammonia concentration of 7.5 mol/L, the molar ratio of ammonium to ammonia being 2：1, and the ratio （g/mL） of solid to liquid being 1：10.     

Atmospheric CO2 retrieval with a look-up-table based method by combining near and thermal infrared spectra

In order to precisely retrieve the atmospheric CO2 , a retrieval method based on both near infrared （NIR） and thermal infrared （TIR） is established firstly. Then a look-up-table （LUT） based fast line-by-line radiative transfer model （RTM） was integrated into the retrieval procedure to accelerate radiative transfer calculations. The LUT stores gas absorption cross-sections as a function of temperature, pressure and wavenumber. It could greatly reduce calculating time in radiative transfer compared to direct line-by-line method. Then retrieval was simulated using NIR, TIR and both bands. The retrieved CO2 profiles suggest joint approach could reconstruct CO2 profile better than those using NIR or TIR alone. Joint retrieval using both bands simultaneously could provide better constrain to CO2 vertical distribution in the whole troposphere.     

超重力旋转填充床脱除CO_2体积传质系数的研究

超重力技术应用于有机胺溶液吸收CO2是一项突破性新技术,体积传质系数KGa是衡量填料塔性能高低的重要参数.建立了填料床中气液间体积传质模型,推导出体积传质系数的数学表达式,搭建了实验台以探究转子转速、气体流量、吸收液流量、温度变化对气液间体积传质系数的影响.实验结果表明,合适的工况条件对提高气液间的体积传质系数非常重要.     

IR Spectra Analysis of SiO2-TiO2-GeO2 Gel Glass of CO2 Laser Transmitting Hollow Waveguide

Both titanium and germanium were introduced into silicon dioxide system by sol-gel method to move its region of anomalous dispersion caused by IR resonance absorption towards the wavelength of CO₂ laser. It is indicated by IR absorption spectra that as the content of SiO₂ decreases in this glass system TiO₂ and GeO₂ tends to exist in their own phases. As for the gel glass with a composition of 40 SiO₂·30TiO₂·30GeO₂, when the temperature is below 600°C, germanium atoms exist mainly in Ge−O−Ge bonds. With the temperature increasing from 800°C to 1000°C, titanium atoms in Si−O−Ti bonds abmost transform into Ti−O−Ti bonds. Furthermore, a large number of Si−O−Ti and Si−O−Ge bonds formed when the temperature approaches 800°C, which makes a notable IR absorption band round the wavelength of CO₂ laser. Therefore, sol-gel based SiO₂−TiO₂−GeO₂ gel glass is a candidate material for CO₂ laser hollow waveguide. JING Cheng-bin: Born in 1974. This work was partly financially supported by the Foundation of Key Teachers of Ministry of Education, China.     

Numerical Simulation and Analysis of Migration Law of Gas Mixture Using Carbon Dioxide as Cushion Gas in Underground Gas Storage Reservoir

One of the major technical challenges in using carbon dioxide（ CO2） as part of the cushion gas of the underground gas storage reservoir（ UGSR） is the mixture of CO2and natural gas. To decrease the mixing extent and manage the migration of the mixed zone,an understanding of the mechanism of CO2and natural gas mixing and the diffusion of the mixed gas in aquifer is necessary. In this paper,a numerical model based on the three dimensional gas-water two-phase flow theory and gas diffusion theory is developed to understand this mechanism. This model is validated by the actual operational data in Dazhangtuo UGSR in Tianjin City,China.Using the validated model,the mixed characteristic of CO2and natural gas and the migration mechanism of the mixed zone in an underground porous reservoir is further studied. Particularly,the impacts of the following factors on the migration mechanism are studied： the ratio of CO2injection,the reservoir porosity and the initial operating pressure. Based on the results,the optimal CO2injection ratio and an optimal control strategy to manage the migration of the mixed zone are obtained. These results provide technical guides for using CO2as cushion gas for UGSR in real projects.     

析水及溶解逸出对催化惰化系统性能影响

了解析水及气体溶解逸出对新型催化惰化系统性能影响,可以为系统设计提供借鉴.首先,设计了低温可控耗氧催化惰化系统流程,然后,以油箱中抽吸气体的摩尔流量为基准,推导了流经催化反应器、冷却器前后各气体组分的流量关系,并通过状态方程及气体平衡溶解关系,确定油箱气相空间各气体浓度变化.另外,在燃油中有、无气体溶解逸出情况下,研究了风机流量、载油率两个关键参数对系统中产水及冷却性能的影响.研究结果表明:油箱气相空间的氧浓度随惰化的进行逐渐降低,水蒸气摩尔分数随惰化时间逐渐增加但增长速率逐渐变缓;催化反应器和冷却器所需的冷却功率、催化反应器出口气体的相对湿度、冷却器中析出的液态水量均随时间逐渐降低;另外,燃油中氧气、氮气、二氧化碳等气体的溶解逸出对系统性能影响较大,并且考虑水析出时,冷却器中所需的冷却气体量较不考虑水析出时要高约33%.因此今后在设计催化惰化系统时,燃油中气体的溶解逸出及液态水析出对惰化系统性能影响均不容忽略.     

Component fractionation of temporal evolution in adsorption–desorption for binary gas mixtures on coals from Haishiwan Coal Mine

Adsorption–desorption experiments on CO₂–CH₄ gas mixtures with varying compositions have been conducted to study the fractionation characteristics of CO₂–CH₄ on Haishiwan coal samples. These were carried out at constant temperature but different equilibrium pressure conditions. Based on these experimental results, the temporal evolution of component fractionation in the field was investigated. The results show that the CO₂ concentration in the adsorbed phase is always greater than that in the original gas mixture during the desorption process, while CH₄ shows the opposite characteristics. This has confirmed that CO₂, with a greater adsorption ability has a predominant position in the competition with CH₄ under different pressures. Where gas drainage is employed, the ratio of CO₂ to CH₄ varies with time and space in floor roadways used for gas drainage, and in the ventilation air in Nos.1 and 2 coal seams, which is consistent with laboratory results.     

一种氨法烟气脱硫循环液优化平衡装置

基于脱硫塔升气帽漏液问题,研究了一种氨法烟气脱硫循环液优化平衡装置。本装置的漏液收集器设置在脱硫塔浓缩段上部,且位于升气帽正下方,漏液收集器下部通过弯管与平衡回流管线连接,升气帽部位漏液通过平衡装置回流到吸收剂循环系统。这就使吸收剂循环槽和(NH₄)₂SO₄循环槽液位保持正常平衡,避免因吸收剂和(NH₄)₂SO₄循环液量失衡而导致脱硫系统生产紊乱。减少了吸收剂循环槽和(NH₄)₂SO₄循环槽液位不正常现象的发生,确保了浓缩段产出的(NH₄)₂SO₄料浆品级。     

考虑实际气体效应双列螺旋槽干气密封反转性能分析

离心式压缩机在实际生产运行中,因故障停机时会发生反转,要求配置的干气密封具有一定的抗反转能力。针对双列螺旋槽干气密封,选用CO₂作为密封介质。用R-K方程表达实际气体效应,修正气体润滑Reynolds方程,分析在反转情况下,不同转速、膜厚、压差以及反向螺旋槽径向尺寸与正向螺旋槽径向尺寸之比（ε）对密封性能的影响。分别获得了正转、反转和静止3种状态下的端面开启力、泄漏率、气膜刚度和开漏比等密封性能参数。以气膜零刚度反转速度为抗反转能力性能指标,结果表明：CO₂实际气体端面开启力和泄漏率大于理想CO₂气体,而开漏比小于理想气体,分析CO₂气体润滑的双列螺旋槽干气密封性能需要考虑实际气体效应。双列螺旋槽干气密封具有一定的抗反转能力,当反转速度小于气膜零刚度反转速度时,干气密封可以正常操作。以气膜零刚度时的反转速度为最大值,本计算案例最大反转速度为2 524 r/min。     

二氧化碳管道运输系统优化模型及其应用

二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)作为能够实现煤化工行业温室气体大规模减排的前沿技术,已成为当前研究热点.而管道运输是该技术得以实施的关键环节,高昂运输成本是影响该技术大规模推广的主要因素.因此,通过开发煤化工二氧化碳(CO_2)捕集压缩、管道运输系统优化模型,实现CO_2管道运输系统内关键环节的工艺和技术优化配置,降低捕集压缩、运输及注入整个系统的总成本.将模型初步应用于陕西延长榆林煤化工CCUS项目,结果表明:当封存区域CO_2封存需求量小,而且能够在封存现场提供方便的液化压缩设备时,榆林能化煤化工企业可以采用气相压缩输送方案,并结合封存地点液化加压注入;对于大规模CO_2封存及运输需求时,推荐超临界/密相CO_2输送,能够有效减少封存区再次加压环节的成本,从而使整个流程更为经济.     

CO2做低渗气藏储气库垫层的气水边界稳定性分析

将低渗透枯竭气藏改建为地下储气库的关键问题之一是气水界面的稳定性.为分析以CO_2做垫层气的低渗透气藏改建储气库在扩容建库和季节调峰时气水界面的稳定运移,根据枯竭气藏储层的特点,建立基于低渗透微裂缝储层的双重孔隙介质模型.以中原油田文23改建储气库的地下储层为研究对象,讨论扩容建库时CO_2垫层气的注入方式对气水界面稳定性的影响,以及储气库季节调峰时气水界面的运移特性.研究表明:在扩容建库阶段,CO_2连续注气驱水能快速扩容,但降低了气水界面和储层内压力场稳定性;间歇注气扩容方式在4个周期后扩容速率降低了4.8%,但更好地保证气水界面的稳定运移和储层内压力场的稳定;在季节调峰阶段,溶解态和超临界态CO_2的相互转换更好地保证气水边界和储层内压力场的稳定,同时提高储层空间利用率.