MgO吸附劑制備及其CO2吸附性能研究.pdf

1、二氧化碳是主要的溫室氣體，對其減排具有重要意義。而化石燃料發(fā)電廠是主要的二氧化碳集中排放源，對于目前已經(jīng)投入生產(chǎn)和在建的電廠，采用燃燒后捕集技術(shù)是控制二氧化碳排放的最有效、最經(jīng)濟的方法。針對電廠煙氣溫度高(100oC左右)、CO2分壓低、含有一定含量水蒸氣等特點，金屬氧化物及其鹽類材料是一種理想的CO2吸附劑。在金屬氧化物及其鹽類材料中，MgO的CO2吸附溫度在200oC以下，其吸附溫度處于煙氣的溫度范圍內(nèi)。MgO適于在水蒸氣存在條件下

2、吸附 CO2，相對于 CaO吸附劑和鋰鹽吸附劑，其脫附溫度較低。此外含 Mg礦物在自然界大量存在，便于大規(guī)模低成本制造。綜合考慮以上因素，MgO是一種非常適于捕集煙道氣中 CO2的吸附劑。吸附劑的制備過程對吸附劑的結(jié)構(gòu)和性能具有重要影響，而吸附劑在煙氣條件下的吸附性能以及吸附反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作條件對CO2捕集效率具有重要影響。因此，研究吸附劑制備過程中的影響因素、制備高性能吸附劑、研究吸附劑在煙氣條件下的吸附性能以及吸附反應(yīng)器的吸附性能

3、對降低CO2捕集成本，推動CO2捕集技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要意義。
　　針對目前MgO吸附劑性能較差、吸附劑在煙氣工況下的吸附性能仍不清楚以及吸附反應(yīng)器運行成本較高等問題，本文分別在MgO吸附劑制備、吸附劑性能及吸附動力學(xué)特性、吸附反應(yīng)器性能優(yōu)化等方面展開研究。主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?、傺芯苛送ㄟ^不同煅燒溫度和前驅(qū)體種類得到的MgO吸附劑的多孔結(jié)構(gòu)和吸附性能，討論了煅燒溫度和前驅(qū)體在制備過程中對吸附劑多孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

4、，并分析了其對 CO2吸附性能的影響機理。實驗結(jié)果表明，增加煅燒溫度會導(dǎo)致更大的顆粒和孔徑形成，同時降低吸附劑的比表面積。MgO的吸附機理主要是化學(xué)吸附，因此MgO的CO2吸附量與其比表面積呈正相關(guān)。MgO材料的表面形貌受前驅(qū)體形貌的影響，并與前驅(qū)體的形貌保持相似。由于在分解過程中存在副產(chǎn)物的釋放，由高的平均相對分子質(zhì)量的前驅(qū)體制備得到的MgO材料具有發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)、大的孔體積和孔徑。同時，前驅(qū)體對MgO的吸附動力學(xué)也會產(chǎn)生影響。由較低

5、平均相對分子質(zhì)量的前驅(qū)體制備的MgO材料的孔徑較小，CO2分子在其中的擴散速率較慢，因此MgO的吸附速率較慢。
　　②提出了采用沉淀法制備多孔MgO吸附劑，制備了一系列具有發(fā)達多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的MgO吸附劑，開展了材料結(jié)構(gòu)表征和CO2吸附性能的研究，結(jié)果表明制備的MgO材料具有高度發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)，其比表面積高達252 m2/g。通過熱重實驗發(fā)現(xiàn)多孔MgO吸附劑具有高的CO2吸附量和良好的吸附選擇性。CO2程序升溫脫附實驗證明材

6、料能在較低的溫度下實現(xiàn)再生，其脫附能耗較低。離子吸附法制備的碳基MgO材料具有發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)以及較高的CO2吸附量和MgO利用效率，其能夠有效地將MgO納米顆粒分散在碳基材料的多孔結(jié)構(gòu)上。
　?、蹖Σ捎脽岱纸夥ㄖ苽涞亩嗫譓gO材料吸附動力學(xué)特性進行了研究，采用不同的吸附模型對實驗數(shù)據(jù)進行了關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，二階模型能夠在整個吸附階段準確地預(yù)測多孔MgO的吸附曲線，證實了MgO材料的主要吸附機制為化學(xué)吸附。多孔MgO在不同的工況下呈現(xiàn)

7、出兩段式吸附過程，其不是由生成的吸附產(chǎn)物覆蓋在顆粒表面導(dǎo)致擴散困難所致。通過采用Boyd膜擴散模型、顆粒間擴散模型和顆粒內(nèi)擴散模型對 MgO吸附動力學(xué)進行研究。結(jié)果表明，MgO吸附劑初始吸附速率是由膜擴散阻力決定的，隨著吸附的進行，CO2分子在吸附劑微孔內(nèi)的擴散阻力導(dǎo)致吸附速率變慢。經(jīng)過多次循環(huán)后，吸附劑的吸附量和多孔結(jié)構(gòu)變化較小，模型分析表明，兩段式吸附過程主要是由膜擴散阻力和顆粒內(nèi)擴散阻力造成的。
　?、苎芯苛薓gO堆積床在干

8、燥條件和含濕條件下的吸附性能。結(jié)果表明，在干燥條件下，MgO吸附劑具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在300oC下就能完全再生，其多孔結(jié)構(gòu)及吸附量在多次循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定，說明材料的脫附能耗較低。水蒸氣對MgO材料的CO2吸附量有很大的促進作用，且不會產(chǎn)生新的吸附產(chǎn)物。隨著相對濕度的增加，MgO的CO2吸附量隨之增加。MgO吸附劑在50oC-100oC，水蒸氣濃度為8.547 v/v％條件下具有良好的吸附性能，其CO2吸附量高達3.54 mol/k

9、g。但是水蒸氣的加入會導(dǎo)致吸附時間增加，這主要是由于水蒸氣在多孔MgO吸附劑的孔道中凝結(jié)，阻礙CO2分子的擴散，導(dǎo)致其吸附量下降。當吸附溫度高于100oC時，水蒸氣不會發(fā)生凝結(jié)，吸附劑在多次循環(huán)后仍然能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但是過高的溫度抑制了碳酸氫根的生成，吸附劑的吸附量有所下降。
　?、葆槍ΤＲ?guī)的吸附反應(yīng)器，以不同的優(yōu)化目標對吸附床的床層孔隙率、吸附床的長度和直徑以及脫附溫度進行了優(yōu)化，獲得了優(yōu)化設(shè)計的計算方法。以電廠整個壽命周期內(nèi)

10、的 CO2捕集成本最小化為目標，綜合考慮不同因素對捕集成本的影響，獲得了多個參數(shù)對吸附床建設(shè)投資成本、吸附-脫附運行成本以及吸附劑更換成本的影響關(guān)系式，得到了電廠壽命周期內(nèi)單位二氧化碳捕捉成本與結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)之間的關(guān)系式，并建立了以總成本最小為目標的吸附反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計方法。基于構(gòu)形理論思想提出了帶樹形結(jié)構(gòu)的堆積床吸附反應(yīng)器，獲得了流體的無量綱壓降、流道體積分數(shù)、流道滲透率隨分叉級數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并根據(jù)雙孔隙率模型研究了樹形結(jié)構(gòu)堆積床吸附反應(yīng)