真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析

采用工业硅胶作为吸附剂,利用两塔变压吸附装置进行了烟道气变压吸附碳捕集实验。利用gPROMS软件建立两塔变压吸附模型对实验过程进行模拟,对比了实验和模拟的结果,验证了模型的准确性。通过两塔变压吸附可将15%的CO_2富集到74%,收率为91.52%。在模型基础上考察了变压吸附碳捕集过程中进料量、吸附时间、顺放压力与二氧化碳收率、纯度和能耗的关系,定性分析了吸附塔压力和进料量对压缩机能耗的影响。结果表明:增大进料量、延长吸附时间、降低顺放压力,可以有效提高产品气中CO_2浓度,但同时也导致收率的下降,前两者还会造成单位能耗的增加;吸附压力越高,进料流量越大,压缩机能耗越大。     

真空变压吸附提纯沼气的实验

以煤基碳分子筛为沼气净化吸附剂,借助扫描电镜观察了碳分子筛的表面形貌,并通过物理化学吸附仪表征了碳分子筛的孔径分布。基于静态容积法测定了CO₂与CH₄在碳分子筛的静态吸附量,并估算了CO₂与CH₄在碳分子筛的动力学扩散系数。单塔穿透实验考察了吸附压力与进料流量对原料气中CO₂穿透曲线的影响,选取吸附压力为0.3 MPa,进料流量为4 L·min-1进行两塔六步真空变压吸附提纯沼气的实验研究,并考察了吸附步骤时长与产品气冲洗率对CH₄富集效果的影响。实验结果表明,吸附步骤时长为140 s,冲洗率为0.05时,产品气中CH₄纯度可达98%,收率可达82%。     

带循环的二阶变压吸附碳捕集工艺模拟、实验及分析

针对日益严重的温室效应及传统CO₂捕集和储存技术的不足,设计带循环的二阶四塔变压吸附装置捕集电厂烟道气中的二氧化碳,采用炭分子筛作为第一阶二塔处理装置吸附剂,采用13X作为第二阶二塔处理装置的吸附剂。建立上述工艺的数学模型,通过实验验证数学模型和模拟结果的准确性。模拟结果表明,本工艺可以将烟道气中的CO₂（15%）富集为纯度95%的产品气,收率为93.92%,工艺处理量为4.576 mol CO₂·h^-1·kg^-1,能耗为0.847 MJ·（kg CO₂）^-1,通过对比,本工艺具有处理量大、回收率高、纯度高的优点。在此基础上,根据数学模型分析二阶床层在一个周期内的压力变化、温度分布、固相和气相组成分布、能耗组成、生产能力。     

集成供冷的燃煤电厂碳捕集、封存系统优化分析

利用碳捕集、封存系统(CCS)减排燃煤电厂CO₂是碳中和必经之路，但目前较高的碳捕集、封存成本限制了该技术的发展和应用。针对某300 MW燃煤机组，利用Aspen Plus模拟软件提出并搭建了基于碱金属基干法碳捕集、封存耦合供冷系统，利用凝结水循环进行深度耦合，达到回收CO₂压缩封存过程中冷量的目的，有效降低碳捕集成本。在不耦合供冷过程的情况下，通过回收CO₂吸附过程释放的反应热，降低碳捕集系统单位耗电量至413.79 kWh/t(以CO₂计，下同);此时CO₂压缩封存过程能耗仍巨大。为此，在上述碳捕集封存系统进一步耦合供冷机组。通过模拟计算可得集成后新系统降低了CO₂压缩程度，此时加压封存过程的单位耗电量降至247.54 kWh/t,降低了2.3%,CO₂捕集封存总运行成本进一步降低33.77%。此外，供冷机组的引入还会降低额外投资成本，如通过提高CO₂吸附床内的换热温差，减少受热面布置量和吸附剂装载量，从而减...     

基于双回流变压吸附工艺的空气分离模拟及分析

双回流变压吸附是一种在吸附塔中间位置进料,塔顶和塔底分别采用轻、重组分回流的变压吸附过程,能够同时生产两种高纯度、高回收率的产品气。以实验室自主合成的LiLSX分子筛为吸附剂,利用Aspen Adsorption模拟软件,对进料组成为78%N₂/21%O₂/1%Ar的实际空气进行了两塔双回流变压吸附的模拟研究。模拟结果表明：当原料气为78%N₂/21%O₂/1%Ar,吸附压力为2 bar(1 bar=10⁵ Pa),解吸压力为0.3 bar,进料量为0.4 m³/h,轻组分回流流量为0.095 L/min,重组分回流流量为5.22 L/min时,能够得到体积分数为95.67%的O₂和体积分数为98.25%的N₂,回收率分别为94.60%和99.91%。并且进一步探究了进料位置、吸附时间、轻组分回流流量、重组分产品气流量等因素对O₂和N₂两种产品气纯度和回收率的影响。     

高浓度氨水捕集二氧化碳的能耗与氨逃逸分析

针对低浓度氨水捕集CO₂速率慢、再生能耗高的问题，利用AspenPlus软件模拟高浓度氨水(质量分数为16%～22%)为吸收剂的燃煤电厂CO₂捕集工艺系统，对比高浓度与低浓度氨水捕集CO₂工艺的能耗特性与氨逃逸速率，揭示高浓度氨水脱碳过程中氨逃逸和能耗与氨水浓度、碳负载、解吸塔富液入口温度之间的关联特性。研究表明：再生过程中存在氨逃逸浓度转变的临界再生温度和贫液碳负载的限制，当氨水质量分数为20%时，再生温度不宜高于107℃，贫液碳负载率不宜低于0.25；与低浓度氨水(质量分数为4%～8%)脱碳相比，高浓度氨水脱碳工艺的CO₂再生能耗可降低26.2%～32.2%，考虑氨回收能耗后的总体能耗仍可降低21.6%～25%，为低能耗氨法碳捕集工艺的开发提供了指导。     

一种低能耗捕集CO2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO₂浓度降低,从而导致CO₂捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO₂煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H₂和CO₂,CO₂浓度提高,在此时进行CO₂捕集可实现捕集能耗的降低。经CO₂捕集后,得到富H₂气体,富H₂气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO₂捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO₂捕集能耗下降30.3%。     

ZIF-8浆液中试分离CO2/N2过程模拟及能耗分析

ZIF-8/2-甲基咪唑-乙二醇-水浆液(ZIF-8浆液)可以高效低耗能地分离CO₂。为了进一步评估ZIF-8浆液在填料塔中分离CO₂的塔效率及能耗,使用Peng-Robinson(PR)状态方程,求出CO₂和ZIF-8浆液的二元交互作用参数(k_CO2),将二元交互作用参数和Aspen Plus软件进行关联,对CO₂/N₂多级吸收分离进行过程模拟。计算结果表明在中试填料塔中,ZIF-8浆液仅需要5块理论塔板即可将CO₂浓度由20%(mol)降低至2%(mol)以下,填料塔的塔板效率为25%。对中试分离CO₂/N₂进行能耗计算,结果表明当解吸条件为解吸温度333 K,解吸压力0.8 MPa和空气吹扫流量200 L/h时,CO₂捕集等效功最低可至0.474 GJ/t CO₂。在同样条件下使用ZIF-8浆液和MEA(30%(mass))水溶液进行碳捕集时,CO₂捕集等效功分别为0.507 GJ/t CO₂和0.957 GJ/t CO₂,ZIF-8浆液的CO₂捕集等效功仅为MEA水溶液的53%。     

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。     

玻璃工业窑炉二氧化碳烟气捕集、提纯与应用

随着国民经济的快速增长,我国已成为全球第一大CO₂排放国。而在我国传统高耗能工业中,建材工业已占全国能源活动CO₂排放量的15%。在2030碳达峰和2060碳中和的目标引领下,建材工业节能减排行动已势在必行。中建材集团率先推动玻璃工业碳减排,为建材工业探索低碳绿色发展在技术、建设和运行管理等方面累积经验,填补了玻璃工业碳捕集、提纯与应用技术空白,开创了世界玻璃工业回收利用CO₂气体的先河。本文介绍了5万吨食品级CO₂项目玻璃工业窑炉CO₂烟气捕集、提纯和应用技术,全新设计了玻璃窑炉CO₂烟气捕集、提纯装置,克服了原有技术的不足。研究表明,采用变压吸附加吸附精馏工艺,玻璃窑炉CO₂烟气回收率可达95%,纯度99.9%以上,社会效益和经济效益显著。     

真空变压吸附分离CH4/N2/O2实验、模拟与安评

针对CH₄/N₂/O₂混合物脱氧效果差以及安全性低等问题,采用实验室自制活性炭为吸附剂,通过数值模拟和实验进行了双塔真空变压吸附（VPSA）分离25% CH₄/59% N₂/16% O₂混合物的工艺研究。通过考察进料流量和置换流量对甲烷产品纯度和回收率的影响,实验验证了数值模型的准确性。在模拟和实验的基础上,对VPSA工艺全流程进行了系统的安全性分析,并针对存在安全隐患的过程,提出一种更为安全的VPSA工艺流程。研究结果表明,通过双塔VPSA可以获得甲烷纯度为51.36%的产品气,甲烷回收率可达85.65%,存在安全隐患的过程主要集中在吸附、均压和终升压步骤,通过原料气的惰化过程,可以实现VPSA工艺的安全操作。     

Design and experiment of high-productivity two-stage vacuum pressure swing adsorption process for carbon capturing from dry flue gas

A two-stage vacuum pressure swing adsorption (VPSA) process that coupled kinetically controlled and equilibrium controlled separation process with reflux has been investigated for capturing carbon dioxide from dry flue gas (85% N₂/15% CO₂). In the first enriching stage, carbon molecular sieve (CMS), which shows kinetic selectivity for CO₂/N₂, is adopted as the adsorbent to remove most N₂ in feed gas, thereby upgrading CO₂ and significantly reducing the amount for further refinement. The second stage loads zeolite 13X as adsorbent to purify the CO₂-rich flow from the first stage for meeting the requirements of National Energy Technology Laboratory. Series of experiments have been conducted for adsorption isotherms measuring and lab-scale experimental validation as well as analysis. The effect of feed composition on the separation performance of the PSA system was studied experimentally and theoretically here. The optimal results achieved 95.1% purity and 92.9% recovery with a high CO₂ productivity (1.89 mol CO₂·h^-1·kg^-1) and an appropriate energy consumption of 1.07 MJ·(kg CO₂)^-1. Further analysis has been carried out by simulation for explicating the temperature, pressure, and concentration distribution at cyclic steady state.     

真空变压吸附分离氮气甲烷流程灵敏度分析与优化

首先采用实验室自制椰壳活性炭为吸附剂,进行了氮气/甲烷(65%/35%)原料气的真空变压吸附工艺(VPSA)分离实验。通过对比实验和gPROMS 动态模拟软件的分离效果,对变压吸附数学模型进行了验证,证明了所采用数学模型的准确性。在此基础上,对影响产品气甲烷纯度、回收率的关键决策变量进行了灵敏度分析。分析结果表明:产品气纯度主要由原料气流量和置换气流量来进行调控,产品气回收率则需要关键变量共同的作用才能实现最大化。依据灵敏度分析结果,对两塔分离氮气甲烷混合气的变压吸附工艺进行了动态优化。在最优的工况下,可以将进料组成为35%的甲烷富集到75%,回收率达到97.08%;从而达到对于废混合气的高效回收利用。     

规整复合吸附剂真空变压吸附分离CH4/N2工艺模拟与分析

为减少甲烷排放,实现低浓度煤层气有效资源化利用,探究了使用规整复合吸附剂真空变压吸附富集低浓度煤层气的工艺。采用静态容积法测定了甲烷、氮气在规整复合吸附剂上的吸附等温线,同时建立了包括质量、热量和动量守恒在内的严格吸附床数学模型,设计了三塔连续进料的真空变压吸附工艺并进行模拟。分析了工艺达到循环稳态后吸附床层轴向温度分布和压力变化,并且探究了进料量、解吸压力、原料气中甲烷浓度和吸附压力对纯度、回收率、工艺能耗和吸附剂产率等工艺性能的影响。模拟结果表明,在进料量为100 L·min^-1,解吸压力为0.1 bar（1 bar=0.1 MPa）,原料气甲烷浓度为30%,吸附压力为3 bar时可以生产纯度为59.07%,回收率为93.64%的富CH₄产品气,同时单位能耗为18.70 kJ·mol^-1,吸附剂产率为4.56 mol·h^-1·kg^-1。表明规整吸附剂对CH₄/N₂具有良好的吸附分离效果,能够实现低浓度煤层气中甲烷高效富集。     

沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中CH4

利用高硅疏水性沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中的甲烷,对其吸附平衡、吸附动力学以及真空变压吸附分离过程进行了理论和实验研究。通过重量法和穿透曲线法测定了CH₄/N₂单组分及双组分的竞争吸附平衡数据,并采用Multisite Langmuir吸附等温线模型对其进行拟合。结合CH₄和N₂稀释穿透曲线实验数据和等温无动量损失的双分散二级孔结构扩散模型,获得CH₄和N₂在沸石ZSM-5上的微孔扩散系数。建立并求解包含质量、动量及能量传递的固定床吸附分离模型方程,预测了CH₄和N₂在沸石ZSM-5上的竞争吸附穿透曲线。进一步采用ZSM-5吸附剂填充床单柱四步真空变压吸附实验考察了进料浓度、进料流速、进料时间以及吹扫比对分离效果的影响。结果发现沸石ZSM-5对CH₄具有较好的选择性,沸石晶粒内的微孔扩散为吸附速率控制步骤,真空变压吸附工艺可将模拟煤层气中20%的CH₄提纯至31%～41%,回收率为93%～98%。     

真空变压吸附分离氮气甲烷的模拟与控制

采用实验室自制的活性炭为吸附剂,进行了真空变压吸附（VPSA）分离氮气/甲烷的实验、模拟和控制研究。建立了一套双塔VPSA实验装置,并将其数学模型建立在gPROMS软件中,通过改变进料气流量做多组对比实验,通过模拟数据和实验数据的对比,验证了数学模型的准确性。通过双塔VPSA的模拟调试,可以将甲烷的纯度由30%提升到80%,同时保证83%的回收率。随后,针对实际生产中不可避免的状态干扰因素,选取了3种常见的扰动状况,以产品气纯度快速回归至80%为控制目标,根据本文所采用的VPSA系统设计了PID控制器,进行了模拟和控制的研究。研究结果表明,引入PID控制器可以使纯度受到扰动影响时较快速地回归至合格纯度,同时保证装置较为稳定的运行。     

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%。     

真空变温吸附捕集干烟道气中CO2的模拟研究

为减缓气候变化,减少CO₂的排放,对真空变温吸附(TVSA)从干烟道气中捕集CO₂进行了系统的研究。以沸石13X为吸附剂,设计了实验室规模的4塔连续进料的TVSA工艺,并建立数学模型进行数值模拟。模拟结果表明,通过四塔TVSA可获得纯度为97.54%,回收率为96.79%的CO₂产品气,其产率为1.7 mol· ( \mathrm{k} \mathrm{g} \text{?} \mathrm{a} \mathrm{d} \mathrm{s} ) ^-1·h^-1,能耗为3.14 \mathrm{M} \mathrm{J} · ( \mathrm{k} \mathrm{g} \text{?} \mathrm{C} {\mathrm{O}}_{\mathrm{2}} {)}_{}^{-\mathrm{1}} 。此外,考察了进料量、循环回流步骤时间、真空度对产品气纯度、回收率、吸附剂产率和工艺能耗的影响,并且分析了塔内压力与温度变化,详细探讨了塔内气固相浓度随轴向的分布。良好的工艺效果表明,TVSA有潜力成为一种能够生产高纯度高回收率的CO₂产品气,并具有良好经济效益的捕碳工艺。     

Integrated adsorption and absorption process for post-combustion CO2 capture

This study explored the feasibility of integrating an adsorption and solvent scrubbing process for post-combustion CO₂ capture from a coal-fired power plant. This integrated process has two stages: the first is a vacuum swing adsorption (VSA) process using activated carbon as the adsorbent, and the second stage is a solvent scrubber/stripper system using monoethanolamine (30 wt-%) as the solvent. The results showed that the adsorption process could enrich CO₂ in the flue gas from 12 to 50 mol-% with a CO₂ recovery of >90%, and the concentrated CO₂ stream fed to the solvent scrubber had a significantly lower volumetric flowrate. The increased CO₂ concentration and reduced feed flow to the absorption section resulted in significant reduction in the diameter of the solvent absorber, bringing the size of the absorber from uneconomically large to readily achievable domain. In addition, the VSA process could also remove most of the oxygen initially existed in the feed gas, alleviating the downstream corrosion and degradation problems in the absorption section. The findings in this work will reduce the technical risks associated with the state-of-the art solvent absorption technology for CO₂ capture and thus accelerate the deployment of such technologies to reduce carbon emissions.