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%。     

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。     

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。     

膜分离耦合CO2电催化加氢制甲酸工艺的设计及模拟

CO₂对气候影响越来越严重,将其转化为甲酸能够同步实现资源化和碳减排。当前CO₂加氢制甲酸的研究主要在于寻找高性能催化剂,而过程设计对甲酸实现工业化也不可或缺,但是CO₂电催化加氢制甲酸的过程设计尚未见报道。利用主要成分为H₂和CO₂的天然气制氢变压吸附解吸气为原料,设计了气体膜分离耦合CO₂电催化加氢年产3万吨甲酸的工艺,并在Unisim Design流程模拟软件中进行了模拟。随后利用灵敏度分析法对反应器中膜电极面积、阴极电势、H₂膜面积、CO₂膜面积、精馏塔压力和回流比等参数进行优化,在最优方案下甲酸的单位质量成本为6.37 CNY/kg,比传统的Kemiral-Leonard（KL）工艺高31.88%,但是所提出的工艺可以实现减排3.33万吨/年的CO₂,具有重要的环境保护意义。最后通过成本分析,从反应器的寿命、成本和电价三个方面提出三种有效的解决方案,可以将甲酸生产成本降低到传统KL工艺的生产成本。     

松南气田2种脱碳技术的应用总结

介绍了气体膜分离技术和NCMA脱碳技术在松南气田天然气处理装置上的应用情况。膜分离法脱碳工艺具有占地面积小、工厂内预制、现场组装简便快捷、单级膜分离装置无动设备、操作简便等优点,但产品气不能满足国标商品气中妒（CO2）〈3％的要求,天然气的损失高达15％～18％。NCMA法具有吸收能力大,再生能耗低等优点,适合于大规模天然气脱碳。NCMA法脱碳工艺装置投资少,且具有CO2净化度高、能耗低和溶剂损失少等优势,该装置年平均稳定完好运行达350天,净化气中φ（CO2）〈1．5％,完全满足下游用户对气质的要求。     

用于生物气提纯的促进传递膜

由生物气提纯获得的生物甲烷具有高热值,可作为天然气的替代品。生物气中除主要成分甲烷以外还含有大量的CO₂和少量的水、H₂S以及其他痕量杂质组分,需经过净化提纯方可获得高纯度的生物甲烷。膜分离技术用于生物气提纯具有绿色、高效、能耗低等特点,特别地,促进传递膜因其特殊的传质机制,对于生物甲烷系统提纯具有显著优势。综述了促进传递膜材料及其制备技术,讨论了生物气中水、H₂S杂质对膜过程的影响,同时尝试对膜法生物气提纯的经济性和发展前景进行了分析。     

二氧化碳捕集技术研究进展

由于全球温室效应不断增强,全球温度上升引发冰川融化,使得海平面上升和海水酸化。二氧化碳(CO₂)是人为排放温室气体的主要组成部分,占比四分之三。随着碳中和碳达峰目标的提出,CO₂捕集与封存(CCS)技术作为具有前景的策略正在引起全球关注。本文介绍了燃料燃烧前、富氧燃烧和燃烧后烟气中CO₂捕集技术,以及吸收、吸附和膜分离等CO₂分离技术,提出固体吸附剂对CO₂进行吸附和分离是一种具有应用前景技术,从CO₂吸附剂方面展望二氧化碳捕集技术研究方向。     

中空纤维膜接触器中N,N-二甲基乙醇胺吸收CO2的特性

N,N-二甲基乙醇胺（DMEA）是一种很有前途的吸收剂,具有较快的反应速率和较高的CO₂捕集能力。在本研究中,DMEA作为一种新型吸收剂被应用于中空纤维膜接触器,用于从CO₂/CH₄气体混合物中分离CO₂。通过建立二维稳态数学模型,模拟了MEA、DEA、MDEA和DMEA四种吸收剂在不同操作条件下对CO₂吸收性能的影响。结果表明,脱碳性能大小为MEA>DMEA>DEA>MDEA;气相参数对脱碳率的影响比液相参数更显著;提高气体流速和CO₂浓度,脱碳率均会下降;提高液速和吸收剂浓度,脱碳率均增大,适当提高吸收剂流速和吸收剂浓度可以提高CO₂去除效率。此外,CO₂吸收通量将随着气体速度的增加而增加,随着液相中CO₂负荷的增加而减少。最后,通过两种影响因素共同作用确定了膜接触器分离酸性气体的最佳操作条件。因此,膜吸收法在天然气脱碳方面有良好的潜力。     

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。     

13X沸石分子筛对低浓度CO2动态吸附

目前对于吸附分离技术应用于高压、低浓度CO₂脱除的研究还较少,在进行相应吸附脱碳工艺设计时也缺少相关的参考数据。为探究13X沸石分子筛对低浓度CO₂的动态吸附性能,本文利用动态吸附实验的方法,探究不同条件下低浓度（摩尔分数3%）CO₂气体在13X分子筛上的动态吸附性能,得到不同压力、温度、气体流量、填料高度及分子筛规格（尺寸、形状）等因素影响下的13X分子筛对于CO₂气体的动态吸附规律及相应的性能指标参数。结果表明：随着吸附压力的升高,13X分子筛的CO₂吸附量增加但增量逐渐减小;降低吸附温度、减小气体流量和增加填料高度均有利于增强13X分子筛的动态CO₂吸附性能,提高吸附脱碳效果,其中温度及填料高度的变化对于CO₂吸附的影响程度最大;实验还发现小尺寸及条状13X分子筛的动态吸附脱碳性能优于其他规格,并根据其特定条件下的出口CO₂浓度为50mL/m³时的CO₂吸附量指标,给出吸附剂用量与液化天然气（LNG）脱碳工艺处理量的关系系数。     

膜法脱除天然气中二氧化碳的工艺技术发展现状

综述了目前膜法脱除天然气中二氧化碳的工艺技术发展现状。首先对比了天然气脱除二氧化碳多种工艺技术特点及应用场合情况,膜分离法相比于其他分离方法,具有投资较少、占地小、耗能少等优势。介绍了膜法分离原理、膜材料、膜组件发展现状和膜法脱除天然气中二氧化碳工艺技术单元情况。而工艺技术单元又分为预处理单元和膜分离单元：预处理单元根据采出原料气成分选择不同脱除方法进行组合;原料气经预处理单元后进入膜分离单元,根据实际工况,综合考虑烃类回收率、占地、能耗、投资等因素合理地设计膜法脱碳分离工艺。然后又对国内外膜法脱除天然气中二氧化碳应用案例进行介绍,目前国外膜法脱除天然气中二氧化碳应用案例较多,而国内应用案例较少,因此需加大国内膜法脱除天然气中二氧化碳的工业应用。最后对天然气膜法脱除二氧化碳技术发展方向进行了展望,指出研发具有自主知识产权并且在实际复杂工况条件下能保持高性能、长周期稳定性的膜材料是未来膜分离技术发展的重点,同时将两种或两种以上的单一脱除二氧化碳技术相结合的耦合集成组合工艺,如膜法分离+化学吸收法、膜法分离+变温吸附法等,这种耦合集成组合工艺为未来脱碳工艺技术发展提供了新方向。     

用于甲烷-氮气体系分离的膜技术研究进展

天然气作为一种高效、清洁的化石能源,在我国能源转型中扮演着重要角色。部分常规和非常规天然气含有较高浓度的氮气,会降低天然气的热值,无法满足管道输送的要求[氮气含量小于4%(体积分数)]。因此,天然气脱氮对实现化石能源的高效利用具有重要意义。相比于传统的气体分离技术,膜分离技术具有操作弹性大、投资少、能耗低等优点,在能源和环境领域均展现出广阔的应用前景。介绍了甲烷-氮气分离膜的传递机理,从甲烷优先渗透膜、氮气优先渗透膜两方面综述了甲烷-氮气膜分离技术的研究进展,同时针对不同的应用场合(常规天然气、页岩气和煤层气)进行了膜过程模拟研究,结合应用实例展望了膜技术在甲烷-氮气分离领域的发展及应用前景。     

吸附法碳捕集固体胺吸附剂成型技术研究进展

吸附法碳捕集技术是实现工业过程或大气中CO₂分离与脱除的重要途径之一,高性能吸附剂的开发是该技术的关键。固体胺吸附剂由于其优异的CO₂吸附量、选择性以及较低的再生能耗,近年来受到了广泛的关注,但用于工业的成型吸附剂仍面临机械强度低、稳定性差和胺流失严重等关键难题,难以在工业中大范围的推广应用。本文分析了固体胺成型吸附剂制备面临的主要难题,重点总结了近年来国内外吸附剂成型技术的研发进展,并对固体胺工业吸附剂的发展方向进行了展望。未来固体胺吸附法碳捕集技术的研发重点在于立足吸附反应机理和工业烟气的特性,创新成型固体胺吸附剂制备技术,提升吸附剂的CO₂吸附量、胺效率、机械与循环稳定性,研发低能耗的配套吸附工艺和核心装置。     

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%。     

Energy efficiency analysis of natural gas hydrates production method

The decomposition of natural gas hydrates is a phase change process, which involves the consumption and conversion of various forms of energy, such as electrical energy, chemical energy, and thermal energy. In order to evaluate the economy capacity of natural gas hydrates exploitation, an exergy model was established to calculate the energy efficiency ratio (EER) of hydrate production method. The CO₂ replacement method is taken as a case study to introduce the calculation equation and flow chart of energy efficiency ratio in any production period. The amount of CO₂ injection, gas production and mole fraction of methane in produced gas are three key parameters in the process of CO₂ replacement. The ratio between the amount of gas production and CO₂ injection is defined as production injection ratio to eliminate the influence of deposit size. This work studied the influence of production injection ratio and the mole fraction of methane in produced gas on EER. The results show that the EER of gas hydrates production by CO₂ replacement is between 0.31 and 6.4 under the set conditions, and it increases with the increase of production injection ratio. In addition, increasing the mole fraction of methane in produced gas can reduce the energy consumption for gas separation and increase EER. Therefore, there are two effective ways to increase EER of CO₂ replacement through controlling the amount of gas production and the mole fraction of methane in produced gas. The EER model is established to provide guidance for the optimization of gas hydrate mining process.     

天然气水合物置换开采的能源效率研究

天然气水合物分解是一个相变过程,开采时涉及各种形式能量的消耗和转化,如电能、化学能、热能等。为了科学地评价天然气水合物开采技术的经济性,建立了以有效能（）为核心的能源效率计算方程,并以CO₂置换法开采天然气水合物为例,介绍任意生产周期内能源效率的计算方法和流程框图。在CO₂置换开采天然气水合物的工艺过程中,注气量、产气量和产气中甲烷含量是三个关键参数,将产气量与注气量之比定义为采注比,分析采注比及产气中甲烷含量对能源效率的影响。结果表明：在设定条件下CO₂置换开采天然气水合物的整体能源效率介于0.31～6.4之间;增大采注比,有利于提高能源效率;产气中甲烷的摩尔分率越高,气体分离的能耗越低,能源效率也可显著提高。因此,调控产气量和产气中甲烷摩尔分率是提高CO₂置换法能源效率的主要途径。通过所建立的能效计算方程为天然气水合物开采工艺的优化提供指导。     

基于热流逸效应的燃煤电厂烟气二氧化碳分离系统

分离捕集CO₂是实现“双碳”目标的重要途径之一。常规的CO₂分离方法普遍能耗较高,若能以余(废)热为动力来分离CO₂则可综合利用能源、降低能耗。本文针对高碳排放但却拥有丰富余(废)热资源的燃煤电厂,提出了一种基于热流逸效应的烟气CO₂分离系统,并建立了相应的分离过程数学模型和系统性能评价指标。分析表明,CO₂的浓度和回收率均随热流逸式气体分离器串联级数的增加而升高,但浓度和回收率达到某一阈值后效果不再明显;典型的1000MW燃煤电厂烟气经该系统中串联的24级分离器处理后,CO₂的物质的量分数最高可达98.89%,回收率达72.53%。此外,该系统可梯级利用烟气的余热,?效率为64.8%,单位能耗为0.047GJ/tCO₂,与传统CO₂分离方法相比具有一定节能潜力。利用热流逸效应分离CO₂符合当下净零碳排放的政策导向,为CO₂的分离捕集提供了新思路。     

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%。     

一步法制备含氨基化合物的非对称CO2分离膜

采用一步相分离法,制备以聚醚砜（PES）为主体材料,二乙醇胺（DEA）为添加剂和氨基载体的膜,用于CO₂分离。考察了PES浓度、DEA浓度、膜厚度对CO₂/N₂分离性能的影响,同时考察了膜性能的长时间稳定性。当涂膜液中DEA/PES的质量比为12/26、刮刀与无纺布的距离为300 μm、进料气压力为0.11 MPa（表压）时,膜的CO₂渗透速率可达274 GPU,CO₂/N₂分离因子可达50。测试温度低于40℃时,DEA/PES膜的CO₂渗透速率和CO₂/N₂分离因子保持稳定。另外,对CO₂/N₂分离性能较好的DEA/PES膜（质量比为12/27）进行CO₂/CH₄分离性能测试,在1 MPa（表压）下性能优于商品膜。上述结果表明,本文研制的DEA/PES膜制备步骤简单,易于规模化制备,性能较优,在CO₂分离领域具有良好的应用前景。