湿烟气下固态胺共吸附碳捕集性能研究

作     者：雍觐源 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江龙;张学军

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：吸附碳捕集 湿烟气 固态胺 分子模拟 工艺优化 

摘      要：随着世界各国工业化和经济的高速发展,能源的消耗量不断增加。化石能源一直在全球能源体系中占据主导地位,随之而来的大量温室气体的排放造成了全球气候和生态变化。虽然整体能源结构在朝着更加清洁无污染的方向发展,煤炭占比逐年减少,石油和天然气的比例快速增长,但并没有实质性地减少温室气体的排放。工业过程中的碳排放约占全球碳排放的25%,要想减少二氧化碳的排放需要从产业链源头进行控制。而碳捕集技术主要是指从CO排放源头对其集中捕集再到后续存储利用的过程,这是一种减少碳排放的有效手段。吸附碳捕集技术由于其运行成本低、操作流程简单、使用过程不产生有毒和腐蚀性物质等优点受到广泛关注。但目前该技术仍有以下科学问题亟待解决:（1）高捕集性能材料的研究和探索,尤其是需要考虑烟气中其他气体如水蒸气的存在对CO吸附的影响,如何增强吸附剂对CO的吸附选择性及耐水性,以及对于不同类型材料湿烟气条件下吸附性能及机理仍不明晰。（2）虽然吸附法碳捕集技术相比于溶液吸收不涉及溶液再生的能耗,但固体吸附仍需考虑烟气除湿或额外吸附水分再生所需的能耗,现有研究缺乏对吸附法碳捕集运行能耗、经济性、环境性的详细分析,且相关的吸附工艺优化方法尚不明晰,亟需实现过程参数的多目标优化。为了解决上述科学问题,本文基于固态胺相比于传统物理吸附剂具有较强的吸附结合力的特点,选取了该材料作为研究对象,研制了一种在湿烟气环境下具备较高CO吸附选择性的二氨基丙烷负载大孔金属有机框架,结合实验测试、分子模拟及流程模拟对优选材料的吸附性能、吸附机理及流程优化进行了全面的研究。本文的主要研究内容如下:（1）本研究研制了一系列二氨基丙烷负载大孔金属有机框架材料,使用同步热分析仪测试筛选出一种适用于湿烟气捕集的二甲氨基丙胺负载大孔金属有机框架材料,在模拟烟气环境（60℃,15 v%CO,7 v%HO）下CO吸附量可达1.72 mmol/g,进一步测试评估了该材料的吸附等温线、吸附动力学、循环稳定性等特性,并通过分子模拟从微观层面探究了宏观吸附现象,发现了该材料的微观吸附构型,在无水情况下吸附结合能为34.1 k J/mol,有水情况下上升为66.4 k J/mol,水的存在有利于增强吸附构型的稳定性,揭示了该材料在湿烟气下的吸附机理;（2）建立了与所研究材料相匹配的吸附动力学和共吸附平衡模型,开展了湿烟气变温真空碳捕集流程模拟,获得了连续工况下共吸附运行特征,床层内部物性的实时变化趋势,以及不同床层位置处物性的变化规律,并对运行参数进行了单因素分析,发现运行参数往往不能同时满足较高的回收率、生产率和当量功,得到了运行参数设置对过程参数的影响规律,对实际运行提出优化建议;（3）基于模拟得到的数据集,训练人工神经网络作为预测模型,对碳捕集系统过程参数、经济性指标、环境性指标进行了寻优,获得了帕累托解集及最优解,为不同的目标工况提供最佳的工艺优化方法,并探究了不同运行参数对碳捕集性能的影响,为固体吸附剂的实际应用推广提供更可靠的指导,优化获得的系统能耗（当量功0.73 GJ/t CO）优于膜分离及传统的溶液吸收碳捕集方式,碳捕集减排平准化成本（69.25RDSHAROLLAR/ton CO,以2017年为基准年）也低于大部分溶液吸收碳捕集系统所需成本。