参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

博士研究生学位论文答辩委员会决议书

文章摘要:目前我国沼气项目日渐增多,但由于所产沼气的CO₂含量较高,因此热值较低,导致沼气只能用于照明、炊事等领域。如果能将沼气的CH₄含量提高到97%以上,沼气就可以用作车用燃气或并入天然气管网,实现更高品位的利用,因此对沼气进行脱碳是十分必要的。以乙醇胺（MEA）为吸收剂的化学吸收脱碳技术以其脱碳程度高、反应速率快、CH₄无损失、常压操作等优点获得了广泛的研究与应用。但MEA化学吸收技术的吸收部分广泛应用的传统传质设备如填料塔、板式塔等有传质效率较低、占地空间大、投资大等缺点;现行的吸收剂再生技术有工艺复杂,吸收剂高温降解,再生程度较低,再生能耗高等缺陷。针对这些缺点,本研究对MEA化学吸收技术采取以下优化方法:引入MEA-乙醇吸收剂;引入旋转床作为吸收传质设备;引入批式再生的工艺进行吸收剂的再生。根据上述优化方法,主要做了以下研究工作:（1）对MEA-乙醇-水吸收剂进行了CO₂吸收能力和再生能力的小试试验研究。组装吸收、再生试验装置,研究了不同温度、不同配比的MEA-乙醇-水吸收剂的CO₂吸收及再生性能。研究发现,MEA-乙醇吸收剂具有良好的CO₂吸收与再生性能。各吸收剂的吸收性能在20～45℃的温度范围内基本没有变化;相比于MEA-水吸收剂,MEA-乙醇吸收剂的吸收能力有所降低,吸收速率有所升高;随着MEA浓度的升高,MEA-乙醇吸收剂对CO₂的吸收能力和吸收速率都会升高;吸收剂的再生性能会随着温度和MEA浓度的升高而明显增强,在其沸腾温度下达到最佳;相比于MEA-水吸收剂,MEA-乙醇吸收剂的再生程度提高近6个百分点,再生温度下降20℃,最小单位再生能耗下降80.26%。（2）开展了基于MEA-乙醇吸收的旋转床结合批式再生工艺用于模拟沼气脱碳的中试试验研究。以N₂和CO₂的混合气体代替真实沼气,研究了旋转床中不同进气量、进气CO₂含量、进液量、进液MEA含量、旋转床转子转速下MEA-乙醇吸收剂的脱碳性能;分别利用加热器和旋转床作为再生反应器研究了吸收剂的再生性能。研究发现,基于MEA-乙醇吸收的旋转床结合加热器批式再生用于沼气脱碳具有良好的吸收与再生性能。脱碳效果随着进气量、进气CO₂含量的升高变差,随着进液量、进液MEA含量的升高变好,随着旋转床转速的升高先是变化不大（600 r/min以下）、然后明显提高（600～1000 r/min）、最终趋于稳定（1000 r/min以上）,最佳转速为1000 r/min,该转速下,进入旋转床的总MEA量/总CO₂量>2.5（摩尔量之比）可达到最佳脱碳效果（产品气CO₂含量接近0）;加热器再生的最低再生液CO₂负荷比旋转床低57.14%,而且达到最低负荷的用时仅为旋转床再生的13.33%;加热器再生的单位再生能耗最低值为3.17 MJ/kg CO₂,此时MEA浓度为4.92 mol/L,再生液CO₂负荷为0.16 mol/L。（3）建立了基于MEA-乙醇吸收的旋转床用于沼气脱碳的传质过程数学模型。模型的建立考虑了传质过程中气液相流量、温度的变化对传质过程的影响,以改进的气液平衡常数代替了增强因子来描述传质过程中发生的化学反应,分别以双膜理论和表面更新理论为基础确定了模型参数,引入双曲正切函数对基于双膜理论的传质模型进行了优化。将脱碳效果的模型预测值与试验值进行对比,发现两种传质模型最大误差均在±15%以内,表面更新传质模型预测效果（平均误差5.82%）优于双膜理论传质模型（平均误差7.89%）。（4）开展了基于MEA-乙醇吸收的旋转床结合加热器批式再生的工艺用于真实沼气脱碳的试验及模拟研究。使用CH₄和CO₂配制真实沼气,进行了多次吸收-再生循环的试验研究;利用Aspen Plus软件对该工艺进行了过程模拟研究。研究发现,在最佳操作参数下,经过五次吸收-再生循环,脱碳效果可以保持在产品气CO₂含量接近0,再生液CO₂负荷在0.15～0.17 mol/mol之间;Aspen Plus仿真模拟结果显示,确保产品气CO₂含量低于3%的情况下,整个工艺流程的最低单位电耗为3.42 MJ/kg CO₂;随着再生程度的加深,吸收剂循环量逐渐减少,泵和旋转床的电耗明显下降,再生电耗明显上升,在电耗构成当中,再生电耗占总电耗的比例为0.9～0.923,泵电耗占比为0.0009～0.012,旋转床电耗占比为0.076～0.086。（5）进行了基于MEA-乙醇吸收的旋转床结合加热器批式再生用于沼气脱碳的工业化应用评估。根据中试试验、传质模型和仿真模拟的研究结果设计了该工艺用于日产20000 Nm

文章来源：《中国沼气》 网址: http://www.zgzqqk.cn/qikandaodu/2022/0204/624.html