高等分离工程—吸附分离二氧化碳的应用.ppt

燃烧后捕获 是指系统从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气体中分离CO2 。 燃烧前捕获 是指系统在一个有蒸汽和空气或氧的反应器中处理一次燃料，产生主要成分为一氧化碳和氢的混合气体。在第二个反应器内通过一氧化碳与蒸汽的反应生成其余的氢和CO2。 氧燃料燃烧 氧化燃料系统用氧代替空气作为一次燃料进行燃烧，产生以水汽和 CO2 为主的烟道气体。 捕获系统类型 7 一个由燃煤发电厂产生的废气中二氧化碳捕获的流程系统见图 1。这些捕获系统可以通过物理或化学溶剂、过滤膜、固体吸附剂来完成，或者通过低温分离。具体捕获技术的选择在很大程度上取决于其投产所需的加工条件。目前电厂中使用的燃烧后和燃烧前系统可以捕获电厂产生的 CO2 的 85%～95%。而变压吸附技术主要用在燃烧后或燃烧前来捕获废气中 CO2。 燃烧后工业废气中 CO2 的浓度一般会在 5%～15%之间波动。废气从锅炉出来后经过脱硫、脱氮处理，最后进入捕获分离步骤。分离后的二氧化碳浓度会高于 95%，然后被压缩成液态进而被运输、储存。 CO2 捕获流程和系统概况[4] 8 二氧化碳的变压吸附分离技术进展 03 9 10 变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）技术是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力的变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程来实现气体的分离或提纯。由于单塔 PSA 装置不能够实现气体的连续吸附，产品的产率较低，且系统能量也得不到充分利用。1960年 Skarstrom 在其专利中提出变压吸附双塔结构（见图 2），用前一个吸附塔排出的未吸附气体或者部分产品气体来冲洗后一个塔的连续操作步骤，实现了变压吸附的循环操作，提高了产物的回收率，且均压步骤中节省了能量损失。目前被开发的多塔循环装置都是在 Skarstrom 循环的基础上发展起来的。为了提高 CO2 的回收率、纯度以及减少操作过程中的能量损失，在变压吸附循环过程中，除了最基本的加压（pressurization）、吸附（feed）、逆向减压（countercurrent depressurization）和冲洗（purge） 4 个步骤外，再加压（ repressurization ）、均压（ equalization ）、 顺 流 减 压 （ cocurrent depressurization）、回流（reflux）等各种操作步骤也在文献或专利中提出。除了双塔循环外，工业应用中已经有 4～12 个吸附塔的循环装置。这些改进都从提高产品回收率、纯度、产率以及降低能耗等方面使得 PSA 分离 CO2 的技术更具有经济、技术可行性。 二氧化碳分离工艺 11 近年来，用来捕获 CO2 的吸附剂被广泛研究和关注，吸附剂的选择直接决定了 PSA 的可行性。一个好的吸附剂需要具有较大的比表面积、空隙率和较高的分离效率。在 PSA 操作过程中，一般把以下条件作为衡量吸附剂好坏的标准：①工作能力，由在高压和低压下的不同吸附能力决定；②选择性，指二氧化碳在废气中应远远比其它气体容易被吸附剂所吸附；③平衡等温线类型；④热效应，吸附过程中热效应越小越好。 最常见的用来捕获 CO2 有活性炭、沸石、活性氧化铝等。以活性炭为吸附剂的变压吸附工艺，CO2 可以从 17%被浓缩到99.997%，回收率可达 68.4%。对比活性炭和 13X 沸石吸附 CO2 的性能。结果表明，在非等温平衡、绝热过程的假设条件下，13X 沸石比活性炭具有更高的吸附二氧化碳的能力。科学家通过实验比较了活性炭和 13X 沸石的吸附 CO2 的能力，结果表明不同条件下，两种吸附剂的吸附能力是可以逆转的。在系统压力小于 345 kPa 时，13X 沸石比活性炭具有更高的吸附性能；而当压力高于 2070kPa 时，活性炭具有更高的吸附性能。科学家研究了多种吸附剂材料在高温条件下的 吸 附 性 。 结 果 发 现 ， 只 有 类 水 滑 石（Hydrotalcite-like compounds）和氧化铝具有足够的能力在 300 ℃下吸附 CO2。科学家研究了一系列的沸石的吸附性质，包括 5A、13X、NaY、NaY-10、H-Y-30、H-Y-80、HiSiv1000、HiSiv3000、 H-ZSM-5-30 、 H-ZSM-5-50 、 H-ZSM-5-80 、 H-ZSM-5-280 等。研究表明，13X 在 250 kPa 压力以内具有最高的吸附能力，其次为 NaY。并且指出最具有前景的吸附 CO2 的沸石应具有如下性质：接近线性吸附