CO2捕集技術(shù)2

1、 CO2捕集與封存技術(shù)CO2捕集：燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒捕集 CO2封存： 轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳酸鹽、工業(yè)應(yīng)用、注入海洋深處、 注入地下巖層第二章 CO2吸收分離技術(shù)吸收分離法：國際上采用的主要方法之一CO2吸收分離法特點(diǎn)： 設(shè)備投入成本低、 分離效果好、 運(yùn)行穩(wěn)定、 技術(shù)相對(duì)成熟已經(jīng)在化工、食品行業(yè)得到廣泛應(yīng)用第二章 CO2吸收分離技術(shù)2.1 CO2吸收分離原理 CO2吸收分離法： CO2在溶液中的溶解度與混合氣中 其他組分的溶解度不同。2.1.1 CO2物理吸收分離原理特征：CO2、液體溶劑不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常用吸收劑：水、有機(jī)溶劑（不反應(yīng)的非電解質(zhì)）、有機(jī)溶劑水溶液。特點(diǎn)：1、適用CO2

2、分壓高、凈化要求不高的情況。 2、再生不需加熱，降壓、氣提。 3、工藝簡單，操作壓力高，CO2回收率低。 4、氣體一般需預(yù)處理（煙氣脫硫脫硝）。2.1.2 CO2化學(xué)吸收分離原理原理：氣體與吸收劑活性組分反應(yīng)，升溫分 解釋放起始組分。氣體溶解度影響因素：物理溶解度、化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)、化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量比吸收劑再生：升溫，不是降壓。2.2 CO2化學(xué)吸收分離關(guān)鍵技術(shù)化學(xué)吸收法：氣液反應(yīng)脫除氣相中易溶于吸收液的方法。實(shí)質(zhì)：堿性吸收劑與混合氣中CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的鹽，一定條件逆向分解釋放CO2再生，從而達(dá)到目的。特點(diǎn)：低溫吸收CO2，富液高溫釋放，吸收劑再生。 工藝配置：不循環(huán)工藝、循環(huán)工藝。

3、（吸收劑是否循環(huán)）不循環(huán)：工藝配置簡單，凈化能量消耗小，吸收劑消耗費(fèi)用增加，廢液吸收劑處理困難。循環(huán)：吸收劑消耗少，能耗高，工藝配置復(fù)雜。（采用較多）典型CO2化學(xué)吸收分離五大系統(tǒng)：吸收裝置、解吸裝置、能量交換裝置、系統(tǒng)動(dòng)力裝置、系統(tǒng)輔助裝置。2.2.1吸收劑優(yōu)化選擇 1.溶劑吸收容量（溶解度、與溫度壓力關(guān)系） 2.溶劑選擇性 3.飽和蒸汽壓力（不應(yīng)太大，以免溶劑損耗，溶劑沸點(diǎn)要高） 4.沸點(diǎn)（高于150） 5.凝固點(diǎn)（較低） 6.密度（影響較低，選用密度較低的吸收劑） 7.黏度（影響傳質(zhì)傳熱，選用黏度小的吸收劑） 8.熱化學(xué)穩(wěn)定性腐蝕性、環(huán)境影響、毒性等等。 電廠煙氣特征：煙氣分壓低、流量大

4、、處理前后壓降要求高。 目前電廠常用吸收劑：一乙醇胺（MEA） 缺點(diǎn)：再生能耗大、易與雜質(zhì)氣體反應(yīng)、高溫腐蝕、黏度偏大、價(jià)格偏高。新吸收劑研究方向：1.氨水: 效率優(yōu)于MEA，價(jià)格優(yōu)勢(shì)；易揮發(fā)，再生分離困難，易二次污染。2.離子液體：新型熔融鹽，高CO2吸收負(fù)荷，再生簡單；黏度高，易分解產(chǎn)生毒性。3.混合胺：一二級(jí)醇胺CO2反應(yīng)效率高，三級(jí)醇胺CO2吸收負(fù)荷高。 傳統(tǒng)化學(xué)吸收法反應(yīng)設(shè)備：填料塔。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，強(qiáng)有力的市場(chǎng)應(yīng)用。缺點(diǎn)：混合、傳質(zhì)速率低，塔設(shè)備尺寸巨大，氣液直接接觸導(dǎo)致吸收劑夾帶、溝流、鼓泡等。降低尺寸和投資的關(guān)鍵：1.反應(yīng)設(shè)備傳質(zhì)強(qiáng)化（填料革新、應(yīng)用新吸收設(shè)備）2.解決氣液接觸

5、操作問題新設(shè)備：中空纖維膜反應(yīng)器、超重力旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器2.2.2反應(yīng)設(shè)備傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)2.2.3高效低能耗富液再生技術(shù) 傳統(tǒng)化學(xué)吸收法再生工藝：能耗高 美國Praxair：抗氧化吸收工藝 美國DOE/NETL：CO2壓縮熱回收利用工藝 Jassim：變壓再生、再生氣體分級(jí)壓縮 Teramoto：毛細(xì)管式超濾膜 Bhaumik：減壓工藝。1.碳酸鉀法 CO2+K2CO3+2H2O=2KHCO3 適用于合成氨工藝氣、天然氣和粗氫氣回收CO2 活化熱碳酸鉀法：提高吸收溫度、壓力，同一溫度下降壓解吸 反應(yīng)速率提高，需加入活性劑提高吸收、解吸速率并減輕腐蝕。2.Solfinol法 物理-化學(xué)法，低壓：有機(jī)胺與

6、CO2反應(yīng)，高壓：CO2物理溶解。缺點(diǎn)：溶劑易降解，價(jià)格高3.醇胺法 分子含羥基（可使蒸汽壓降低增加水溶性）、胺基（使水溶液顯堿性）與CO2反應(yīng)機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。吸收能力決定于其堿性強(qiáng)弱。2.2.4典型化學(xué)吸收技術(shù)2.3 CO2化學(xué)吸收分離工藝設(shè)計(jì)2.3.1 收集基礎(chǔ)資料，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）基礎(chǔ)資料收集：空間、位置、溫度、壓力；（2）明確任務(wù)：氣體處理量、分離要求、操作溫度、操作壓力、物料腐蝕等。2.3.2 吸收劑種類、濃度選擇（1）吸收劑選擇：被處理氣體的壓力、溫度、組成、凈化要求、吸 收劑物性、 價(jià)格；工藝要求：高CO2反應(yīng)速率、高CO2負(fù)荷，易再生、價(jià)廉、無毒無腐蝕等等。（2）吸收劑濃度：根

7、據(jù)腐蝕性和操作經(jīng)驗(yàn)，一般20%-30%。 2.3.3 物料平衡計(jì)算 （1）氣液平衡關(guān)系； （2）操作線方程以及最小液氣比 （3）解吸過程的最小液氣比 2.3.4 填料吸收塔和解析塔設(shè)計(jì) （1）填料選擇。 （2）塔徑計(jì)算 （3）塔高計(jì)算目 錄 吸附分離原理吸附分離原理1 吸附分離吸附分離CO2技術(shù)技術(shù)2 吸附工藝吸附工藝33.13.1吸附分離原理吸附分離原理 吸附分離：基于氣體、液體與吸附劑活性點(diǎn)之間的分子間引力來實(shí)現(xiàn)。 吸附過程中，流動(dòng)的氣體或液體中的一個(gè)或多個(gè)組分被吸附劑固體表面吸附，實(shí)現(xiàn)組分分離。（通常固定床） 加熱或其它方式解吸再生，循環(huán)使用。3.13.1吸附分離原理吸附分離原理 PSA

8、-變壓吸附吸附工藝 TSA-變溫吸附 PSTA-變壓變溫吸附合成氨、制氫、天然氣凈化過程含有吸附脫除CO2工藝電廠煙氣特點(diǎn)：氣體流量大，CO2分壓低，出口溫度高， 含大量雜質(zhì)氣體。新技術(shù)、新工藝應(yīng)用與煙氣脫除CO23.1.13.1.1吸附機(jī)理吸附機(jī)理 吸附過程：固體、液體表面吸引其他物質(zhì)的分子、原子或離子富集在其表面的過程。（吸附劑、吸附質(zhì)） 吸附過程中：吸附與解吸同時(shí)進(jìn)行，兩者速度相等時(shí)，達(dá)到吸附平衡。 兩相充分接觸，吸附質(zhì)在兩相中達(dá)到平衡-靜態(tài)熱力學(xué)平衡。 流動(dòng)體系中，兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)，吸附質(zhì)在兩相中達(dá)到平衡-動(dòng)態(tài)熱力學(xué)平衡。3.1.13.1.1吸附機(jī)理吸附機(jī)理吸附熱力學(xué)：吸附過程所能達(dá)到的程

9、度。-溫度變化曲線吸附動(dòng)力學(xué)：吸附過程的速度問題。-時(shí)間變化曲線吸附過程：吸熱？放熱？H= G+ TS氣體分子從氣相吸附于固相：自發(fā)過程G0分子自由擴(kuò)散轉(zhuǎn)為界面吸附：自由度降低S0H0 放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)3.1.23.1.2吸附熱力學(xué)吸附熱力學(xué)吸附等溫線類型及其形貌特征BB吸附量n相對(duì)壓力p/p01.Langmuir方程（）2.BET方程（、）3.Kelvin方程（、）吸附等溫線反映吸附劑表面性質(zhì)、孔分布、吸附劑質(zhì)之間的相互作用一、單分子層吸附理論 Langmuir方程1.基本觀點(diǎn)： 固體表面存在未飽和的原子力場(chǎng)，當(dāng)氣體與之接觸時(shí)就會(huì)被吸附在固體表面，一旦表面上覆蓋滿一層氣體分子，這種力場(chǎng)就得到

10、了飽和，吸附就不再發(fā)生，因此，吸附是單分子層的。2. Langmuir2. Langmuir方程建立的方程建立的3 3個(gè)假設(shè)：個(gè)假設(shè)： 開放表面，均一表面 定位吸附 針對(duì)交換吸附 每一個(gè)吸附位只容納一個(gè)吸附質(zhì)分子3.推導(dǎo)過程： 吸附速度與氣體壓力成正比，也與未吸附氣體分子的空著的表面成正比，因此吸附速度Ra為：(1)aRa p(1) 脫附速度與被吸附分子所覆蓋的表面積的百分?jǐn)?shù)成正比，也與被吸附的分子中具備脫離表面能量的分子所占的百分?jǐn)?shù)成正比：expdERaR T(2)其中，E即為脫離表面所需的最低能量，對(duì)于物理吸附來說，就等于吸附熱。令（1）式（2）式得到Langmuir方程：1bpbp(3)

11、其中，expaEbaRTmnn令則1mbpnnbp(4)1mmppnn bn(5)如果以 作圖，即可求得 pnpmn4.應(yīng)用與局限在臨界溫度以下的物理吸附中，多分子層吸附遠(yuǎn)比單分子層吸附普遍。可以通過對(duì)Langmuir方程的一些修正，將其用于超臨界吸附由于Langmuir方程是建立在均勻表面假設(shè)上的，而真實(shí)表面都是不均勻的，因此在實(shí)際使用中常常要對(duì)表面的不均一性進(jìn)行修正。二二. . 多分子層吸附理論多分子層吸附理論 BETBET方程方程1.基本觀點(diǎn)： BET理論認(rèn)為，物理吸附是由Van der Waals力引起的，由于氣體分子之間同樣存在Van der Waals力，因此氣體分子也可以吸附在已

12、經(jīng)被吸附的分子之上，形成多分子層吸附。2.BET方程建立的幾個(gè)假設(shè)： 與Langmuir方程相同的假設(shè) 第一層的吸附熱是常數(shù)，第二層以后各層的吸附熱都相等并等同于凝聚熱 吸附是無限層 0 1 2 301ii0miinni(6)11011expEa paRT(7)22122expEa paRT1expiiiiiEa paRT(8)3. 方程的推導(dǎo)氣體分子在第零層上吸附形成第一層的速度等于第一層脫附形成第零層的速度：111iimiiCixnnCx(9) 其中， explEpxgRT111explEEa gCaRT，對(duì)(9)式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，即得 (1)(1)mnCxnxxCx(10) 0exp1ex

13、pllEpxgRTpEgRT0pxp0011()mmpCpn ppn Cn Cp如果以 作圖，即可求得 ，如果已知吸附分子的大小，即可求出比表面積。0()pn pp0ppmnBET方程BET方程的線形形式(11)4. BET方程對(duì)型和型等溫線的解釋臨界溫度以下氣體分子在開放的固體表面發(fā)生吸附時(shí)，往往呈型和型等溫線，其中型等溫線比較常見。型和型等溫線在形狀上有所不同，區(qū)別在于C值的不同。當(dāng)C值由大變小，等溫線就逐漸由型過渡到型。當(dāng)C1時(shí)，即E1EL時(shí)，也就是固體表面對(duì)被吸附分子的作用力大于被吸附分子之間的作用力，即第一層吸附比以后各層的吸附強(qiáng)烈很多，這時(shí)候，第一層接近飽和以后第二層才開始，于是，

14、等溫線在 較低區(qū)出現(xiàn)一個(gè)比較明顯的拐點(diǎn)（B點(diǎn)）。然后，隨著 的增加，開始發(fā)生多分子層吸附，隨著吸附層數(shù)的增加，吸附量逐漸增加，直到吸附的壓力達(dá)到氣體的飽和蒸汽壓，發(fā)生液化，這時(shí)，吸附量在壓力不變的情況下垂直上升。這就是型等溫線。np/p0B00pp0pp當(dāng)C較小時(shí)，即ELEl時(shí)，也就是固體表面與被吸附分子之間的作用力比較弱，而被吸附的分子之間作用力比較強(qiáng)，這時(shí)通常得到的是型等溫線。第類等溫線不是很常見，最具代表性的是水蒸汽在炭黑表面的吸附，因?yàn)樗肿又g能夠形成很強(qiáng)的氫鍵，表面一旦吸附了部分水分子，第二層、第三層等就很容易形成。與型等溫線不同的是：由于被吸附分子之間很強(qiáng)的作用力，往往單分子層吸

15、附還沒有完成，多分子層吸附已經(jīng)開始。 np/p00研究表明(Jones，1951)：C C2 2是臨界點(diǎn)。 6. BET方程的局限性關(guān)于表面均一性的假設(shè)。與Langmuir方程相同，BET模型也認(rèn)為吸附是定位的，這與第二層以后是液體的假設(shè)相矛盾。認(rèn)為同層中的被吸附分子只受固體表面或下面已經(jīng)被吸附的分子的吸引，同層中的相鄰分子之間沒有作用力，也是不真實(shí)的 三三. .毛細(xì)孔凝聚理論毛細(xì)孔凝聚理論 KelvinKelvin方程方程1.方程的推導(dǎo)液體在毛細(xì)管內(nèi)會(huì)形成彎曲液面，彎曲液面的附加壓力可以用Laplace方程表示2mpr (12) 如果要描述一個(gè)曲面，一般用兩個(gè)曲率半徑r1r2因此， 應(yīng)為平均

16、曲率半徑，表示為：球形曲面： 圓柱形曲面： ，mr12211mrrr12mrrr2r 2mrr設(shè)一單組分體系，處于氣（ ）液（ ）兩相平衡中。此時(shí)，氣液兩相的化學(xué)勢(shì)相等：如果給其一個(gè)微小的波動(dòng)，使得體系在等溫條件下，從一個(gè)平衡態(tài)變化至另一個(gè)平衡態(tài)。dddS dTV dp dS dTV dp V dpV dp則根據(jù)（12）式有： 2mdpdpdr2()mVVddprV(13)(14)將（13）式帶入上式得到： VV因此，（14）式可以寫做： 2()mRT dpdrVp(15)02lnmprpmRTdprV Kelvin方程： 021lnLmVppRTr 2.關(guān)于Kelvin方程的幾點(diǎn)說明： Ke

17、lvin方程給出了發(fā)生毛細(xì)孔凝聚現(xiàn)象時(shí)孔尺寸與相對(duì)壓力之間的定量關(guān)系。也就是說，對(duì)于具有一定尺寸的孔，只有當(dāng)相對(duì)壓力 達(dá)到與之相應(yīng)的某一特定值時(shí)，毛細(xì)孔凝聚現(xiàn)象才開始。而且孔越大發(fā)生凝聚所需的壓力越大，當(dāng) 時(shí)， ，表明當(dāng)大平面上發(fā)生凝聚時(shí)，壓力等于飽和蒸汽壓。 在發(fā)生毛細(xì)孔凝聚之前，孔壁上已經(jīng)發(fā)生多分子層吸附，也就是說毛細(xì)凝聚是發(fā)生在吸附膜之上的，在發(fā)生毛細(xì)孔凝聚過程中，多分子層吸附還在繼續(xù)進(jìn)行。研究問題時(shí)，我們經(jīng)常將毛細(xì)凝聚和多分子層分開討論，這只是處理問題的一個(gè)簡化手段，但并不代表這兩個(gè)過程是完全分開的。0ppmr0pp(16)關(guān)于Kelvin半徑 rktrrkrmkrrtcoskmrr0

18、2coslnLkVppr RT (17)稱為Klevin半徑，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了簡化問題，通常取 ,此時(shí) kr0kmrr適用范圍：Kelvin方程是從熱力學(xué)公式中推導(dǎo)出來的，對(duì)于具有分子尺度孔徑的孔并不適用（不適于微孔）。對(duì)于大孔來說，由于孔徑較大，發(fā)生毛細(xì)孔凝聚時(shí)的壓力十分接近飽和蒸汽壓，在實(shí)驗(yàn)中很難測(cè)出。因此，Kelvin方程在處理中孔凝聚時(shí)是最有效的。 3.Kelvin方程對(duì)和型等溫線的解釋：臨界溫度以下，氣體在中孔吸附劑上發(fā)生吸附時(shí)，首先形成單分子吸附層，對(duì)應(yīng)圖中的AB段，當(dāng)單分子層吸附接近飽和時(shí)（達(dá)到B點(diǎn)），開始發(fā)生多分子層的吸附，從A點(diǎn)到C點(diǎn)，由于只發(fā)生了多分子層吸附，都可以用BE

19、T方程描述。當(dāng)相對(duì)壓力達(dá)到與發(fā)生毛細(xì)凝聚的Kelvin半徑所對(duì)應(yīng)的某一特定值，開始發(fā)生毛細(xì)孔凝聚。如果吸附劑的孔分布比較窄（中孔的大小比較均一），CD段就會(huì)比較陡，如果孔分布比較寬，吸附量隨相對(duì)壓力的變化就比較緩慢如CD段。當(dāng)孔全部被填滿時(shí)，吸附達(dá)到飽和，為DE段。對(duì)于和型等溫線的區(qū)別，可以參考和型等溫線。當(dāng)吸附劑與吸附質(zhì)之間的作用比較弱時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)型等溫線。0p/p0nABCDED3.1.3 吸附動(dòng)力學(xué) 1、傳質(zhì)（物質(zhì)濃度不均引起的質(zhì)量轉(zhuǎn)移） 發(fā)生在流體之間，固體之間不發(fā)生 2、傳熱（傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射） 傳導(dǎo)：固體之間，一個(gè)分子向另一個(gè)分子傳遞震動(dòng)能 對(duì)流：氣體、液體通過循環(huán)流動(dòng)，使溫度趨

20、于平均 熱輻射：通過電磁波向外發(fā)散熱量 3、吸附熱（吸附過程產(chǎn)生的熱效應(yīng)） 反映吸附劑表面性質(zhì)，吸附力的大小，吸附機(jī)理等等 4、物理吸附和化學(xué)吸附 物理吸附：范德華分子相互作用力為主； 化學(xué)吸附：固體氣體間電子轉(zhuǎn)移、吸附質(zhì)分子分裂成原子和游離基。 兩者區(qū)別：（1）物理吸附熱?。簬资?；化學(xué)吸附熱大：幾百（2）物理吸附需一定溫度和壓力，類似凝聚，一般不需活化能，化學(xué)吸附是氣體在固體表面形成化學(xué)鍵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，需要一定的化學(xué)能（3）物理吸附可以多層吸附，選擇性低；化學(xué)吸附僅為單層吸附，有一定的選擇性。3.1.4吸附分離基本原理吸附分離機(jī)制：1、立體效應(yīng)：只允許小于孔道大小的氣體分子進(jìn)入孔道內(nèi)被吸附2

21、、動(dòng)力效應(yīng)：吸附速率大的快速吸附，反之吸附慢3、平衡效應(yīng)：吸附量小的先達(dá)到飽和吸附工藝主要原理：吸附工藝主要原理：1、利用吸附劑對(duì)各成分氣體選擇性不同來分離混合氣體； 2、利用吸附劑對(duì)混合氣體中各組分吸附速率的不同來分離氣體 吸附分離機(jī)制 吸附分離工藝吸附分離基本原理變溫吸附： 在相同的壓力下，氣體的吸附量隨溫度的變化（低溫吸附、高溫脫附） 來分離氣體混合物 變電吸附：升溫方式采用微功能電路變壓吸附：變壓吸附： 利用在不同分壓下吸附劑對(duì)吸附質(zhì)有著不同的吸附速度、吸附容量和吸附力，并且在一定壓力下能選擇性地吸附被分離的混合氣體的各組分的特性，通過加壓除去原料氣中的需分離組分，減壓后脫附這些組分使

22、吸收劑再生。吸附分離基本原理CO2吸附劑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：1、對(duì)CO2具有優(yōu)良的選擇性2、高吸附容量3、持續(xù)耐久的活性，易再生4、良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性5、吸附、脫附速度快6、價(jià)格便宜COCO2 2吸附劑種類吸附劑種類：活性炭、沸石分子篩-物理吸附劑，缺點(diǎn)：受水影響大，能耗大。金屬氧化物、水滑石類化合物-化學(xué)吸附劑目 錄 CO2膜分離原理膜分離原理1 CO2膜分離材料膜分離材料2 CO2膜分離工藝設(shè)計(jì)膜分離工藝設(shè)計(jì)34.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理 膜的概念 膜：兩相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間。 特征：（1）充當(dāng)兩相界面； （2）具有選擇透過性。 物質(zhì)選擇透過膜的能力： （1）借助外界能

23、量，低位到高位 （2）化學(xué)位差為推動(dòng)力，高位到低位膜的發(fā)展：（全球）4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理始于18世紀(jì)：水自發(fā)透過豬膀胱滲透20世紀(jì)：電滲透、微孔膜、超濾、反滲透20世紀(jì)80年代：用于氣體分離膜的發(fā)展：（我國）始于1958年：離子交換膜20世紀(jì)70年代：超濾、反滲透、電滲析20世紀(jì)80年代：發(fā)展液體分離膜、 開發(fā)氣體膜分離 氣體膜分離：氣體膜滲透過程。 氣體膜滲透：膜與原料氣接觸，在膜兩側(cè)壓力差驅(qū)動(dòng)下，氣體分子透過膜的現(xiàn)象。 氣體膜分離原理：由于不同氣體分子透過膜的滲透速率差異，速率快的在滲透側(cè)富集，慢的在原料側(cè)富集

24、。 1831年，首次揭示了氣體膜分離的可能性。（J.V.） 1866年，將空氣中氧濃度由21%提高到41%，提出了溶解-擴(kuò)散機(jī)理；得到結(jié)論：膜厚度增加，氣體滲透速率增加，但選擇性不變。（T.C.） 4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理膜結(jié)構(gòu)不同 滲透情況、滲透機(jī)理不同氣體通過膜的流動(dòng)：（1）通過多孔膜流動(dòng) （2）通過非多孔膜流動(dòng)4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理COCO2 2膜分離原理：膜分離原理：各組分在壓力推動(dòng)下，透過膜的傳遞速各組分在壓力推動(dòng)下，透過膜的傳遞速率不同，達(dá)到分離的目的。（圖率不同，達(dá)到分離的目的

25、。（圖4-14-1） 多孔膜分離機(jī)理：利用不同氣體通過膜孔的速率差來 實(shí)現(xiàn)，不同氣體在膜兩側(cè)富集并分離。 分離性能與氣體種類、膜孔徑相關(guān)。多孔膜傳遞機(jī)理：分子流、黏性流、表面擴(kuò)散流等等。1.分子流氣體分子受分子平均自由程和孔徑影響，分子與孔壁作用支配4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理2.黏性流氣體分子流動(dòng)受分子間碰撞作用支配1r1212423ppRTqrMLRT1r121228ppppqrLRT3.表面擴(kuò)散流膜孔壁吸附分子因吸附產(chǎn)生濃度梯度而在表面擴(kuò)散，被吸附組分?jǐn)U散較快，引起滲透速率差異，達(dá)到分離目的。溫度越低、孔徑越小，表面擴(kuò)散越明顯。4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原

26、理膜分離原理4.毛細(xì)管凝聚機(jī)理凝聚性氣體在孔內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)管凝聚，阻礙非冷凝氣體滲透，凝聚性氣體組分流出孔后蒸發(fā)，達(dá)到分離目的。5.分子篩篩分機(jī)理比較理想的分離歷程膜孔徑介于不同分子直徑之間，直徑小的分子可以通過膜孔，大的被擋住，具有篩分效果，實(shí)現(xiàn)氣體分離。4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理非多孔膜傳遞機(jī)理：溶解-擴(kuò)散機(jī)理、雙吸附-雙遷移機(jī)理溶解-擴(kuò)散機(jī)理為主，四部組成。dcqDdx 各種滲透系數(shù)與膜材料性質(zhì)、氣體性質(zhì)以及氣體溫度、壓力、濃度等有關(guān)。處理大量含CO2廢氣時(shí)： 要求高選擇性、高滲透率、膜壽命、保養(yǎng)以及成本等。 高效的膜分離材料品種缺乏，正在不斷研究發(fā)展 膜材料、膜組件

27、及優(yōu)化、膜技術(shù)膜分離技術(shù)核心：膜材料膜材料：高分子材料、無機(jī)材料。4.2 CO4.2 CO2 2膜分離材料膜分離材料高分子材料：4.2 CO4.2 CO2 2膜分離材料膜分離材料1、聚砜機(jī)械性能優(yōu)良，耐熱性好，耐微生物降解，價(jià)廉易得；聚砜膜：膜薄，孔隙率高，微孔規(guī)則2、聚酰亞胺良好的強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫，透氣選擇性好膜：CO2透過性差，（化學(xué)改性、合成新PI）3、有機(jī)硅膜材料耐熱、不易燃、無機(jī)和有機(jī)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性膜：透過性好、分子間作用力弱，擴(kuò)散速率快高分子材料：4.2 CO4.2 CO2 2膜分離材料膜分離材料4、含氟聚乙胺氣體滲透性差，氣體擴(kuò)散選擇性強(qiáng)金屬、金屬氧化物、陶瓷

28、、分子篩在耐高溫、耐腐蝕方面優(yōu)勢(shì)明顯；缺點(diǎn)是氣體選擇性差無機(jī)材料：混合膜材料：高分化合物為分離層；無機(jī)膜為支撐層氣體分離膜材料評(píng)價(jià)：4.2 CO4.2 CO2 2膜分離材料膜分離材料1.溶解度系數(shù)：表示聚合物對(duì)氣體的溶解能力高沸點(diǎn)、易液化的氣體易在膜中溶解氣體透過不同膜：取決于氣體在膜中的擴(kuò)散系數(shù)膜對(duì)不同氣體透過時(shí)：取決于氣體對(duì)膜的溶解系數(shù)2.滲透系數(shù)：表示氣體通過膜的難易程度3.擴(kuò)散系數(shù)：表示分子運(yùn)動(dòng)在膜中的傳遞能力 跟分子直徑有關(guān)，隨分子增大而減少氣體分離膜材料評(píng)價(jià)：4.2 CO4.2 CO2 2膜分離材料膜分離材料4.分離系數(shù)：表示膜的分離選擇性能高沸點(diǎn)、易液化的氣體易在膜中溶解膜分離器

29、：4.3 CO4.3 CO2 2膜分離工藝設(shè)計(jì)膜分離工藝設(shè)計(jì)1.平板式制造方便、裝填密度低介于平板跟中空纖維式之間2.螺旋卷式 (圖4-4)3.中空纖維式 （圖4-5）裝填密度很高，無需支撐體，氣體通過時(shí)壓力很大目 錄 富氧燃燒技術(shù)的基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)的基本原理與類型1 空氣分離制氧技術(shù)空氣分離制氧技術(shù)2 煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)3 循環(huán)流化床鍋爐富氧燃燒技術(shù)循環(huán)流化床鍋爐富氧燃燒技術(shù)45.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)背景富氧燃燒技術(shù)的提出-O2/CO2煙氣再循環(huán)技術(shù) 以燃煤電站捕集CO2為目標(biāo)-20世紀(jì)80年代 較高純度

30、氧氣代替燃燒空氣 部分煙氣再循環(huán) CO2濃度達(dá)90%以上，煙氣可直接冷卻壓縮 CO2集中排放源：火力發(fā)電鍋爐常規(guī)空氣燃燒鍋爐CO2濃度為15%左右CO2濃度低，分離成本高4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理富氧燃燒技術(shù)基本原理O2/CO2燃燒方式原理示意圖5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)特點(diǎn)5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型4.1 CO4.1 CO2 2膜分離原理膜分離原理5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原

31、理與類型5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)主要類型按燃燒裝置分（1）煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)）煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù) 氧氣純度90%以上，再循環(huán)煙氣比例70%左右，煙氣中CO2含量90%以上。（2）循環(huán)流化床鍋爐富氧燃燒技術(shù) 氧氣純度95%以上，煙氣中CO2含量90%以上。（3）增壓富氧流化床燃燒鍋爐技術(shù)）增壓富氧流化床燃燒鍋爐技術(shù) 煙氣測(cè)壓力6-7MPa，氧氣純度95%以上，煙氣中CO2含量90%以上（4）氧氣與空氣混燃的富氧燃燒技術(shù)）氧氣與空氣混燃的富氧燃燒技術(shù) 氧氣含量40%左右，

32、無煙氣再循環(huán)，煙氣中CO2含量40%左右富氧燃燒技術(shù)主要類型按實(shí)施對(duì)象分（1 1）對(duì)現(xiàn)役鍋爐改造）對(duì)現(xiàn)役鍋爐改造5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型（2 2）新設(shè)計(jì)鍋爐設(shè)備）新設(shè)計(jì)鍋爐設(shè)備按空氣燃燒設(shè)計(jì)運(yùn)行的鍋爐進(jìn)行富氧燃燒技術(shù)改造，對(duì)鍋爐設(shè)備及蒸汽循環(huán)系統(tǒng)影響不大，電耗增加。改進(jìn)燃燒，優(yōu)化輻射，受熱面布置，提高受熱面高溫性能，優(yōu)化鍋爐設(shè)計(jì)5.1 5.1 富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)基本原理與類型富氧燃燒技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析一方面：一方面：部分煙氣循環(huán)，排煙體積減小，排煙損失減小，鍋爐效率提高。另一方面：另一方面：空氣分離制氧、CO2壓縮需要消耗大量電能。整

33、體燃煤發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。整體燃煤發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。舉例分析：圖5-25.2 5.2 空氣分離制氧技術(shù)空氣分離制氧技術(shù)5.2 5.2 空氣分離制氧技術(shù)空氣分離制氧技術(shù)富氧制備方法5.2 5.2 空氣分離制氧技術(shù)空氣分離制氧技術(shù)5.2 5.2 空氣分離制氧技術(shù)空氣分離制氧技術(shù)5.2 5.2 空氣分離制氧技術(shù)空氣分離制氧技術(shù)5.2 5.2 空氣分離制氧技術(shù)空氣分離制氧技術(shù)5.3 5.3 煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)系統(tǒng)介紹系統(tǒng)介紹空氣分離制備氧氣、再循環(huán)煙氣、煤粉一起進(jìn)入爐膛燃燒、輻射換熱、對(duì)流換熱除塵、煙氣循環(huán)（70%）、濃度90%的CO2凈化壓縮5.3 5.3 煤粉鍋爐富氧燃燒技

34、術(shù)煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)煤粉在O2/CO2氣氛下的燃燒特性煤粉在空氣、富氧中燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性差別很大煤粉在CO2氣氛下?lián)]發(fā)分釋放特性與在N2中類似煤粉在O2/CO2氣氛下，CO2的存在不明顯改變煤焦的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，高溫/低O2濃度時(shí)，焦炭具有較高活性，原因：C-CO2氣化反應(yīng)。煤粉在O2/CO2氣氛下，隨著氣氛中氧含量的增加，煤粉氣流的著火、燃燒與燃盡均大大改進(jìn)，煤焦著火點(diǎn)提前，燃燒時(shí)間縮短。5.3 5.3 煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)煤粉鍋爐富氧燃燒技術(shù)煤粉在O2/CO2氣氛下的污染物排放特性1、SO2與SO3的生成與排放特性空氣氣氛燃燒時(shí)：80%多的燃料硫轉(zhuǎn)化為SO2，未轉(zhuǎn)化部分歸功于灰分中堿性氧化物的固硫作用，4%左右SO2會(huì)轉(zhuǎn)化為為SO3。O2/CO2氣氛下燃燒時(shí)，SO2生成量有所降低，但是SO3生成量增加，原因可能是局部氧氣濃度過高，增加了SO2的氧化比例。由于煙氣再循環(huán)，排煙量為空氣燃燒時(shí)的由于煙氣再循環(huán)，排煙量為空氣燃燒時(shí)的1/3，排煙中的，排煙中的SO2濃度卻增加了，約濃度卻增加了，約為空氣燃燒時(shí)的為空氣燃燒時(shí)的3倍，酸蒸汽凝結(jié)溫度提高，鍋爐尾部低溫受熱面腐蝕問題更突倍，酸蒸汽凝結(jié)溫度提高，鍋爐尾部低溫受熱