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(duì)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(duì)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(jì)的方法。針對(duì)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(diǎn)，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(duì)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(guò)程對(duì)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(duì)CO2捕集效率具有重要影響。因此，研究吸附劑制備過(guò)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(duì)降低CO2捕集成本，推動(dòng)CO2捕集技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要意義。
　　針對(duì)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(yùn)行成本較高等問(wèn)題，本文分別在MgO吸附劑制備、吸附劑性能及吸附動(dòng)力學(xué)特性、吸附反應(yīng)器性能優(yōu)化等方面展開(kāi)研究。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　?、傺芯苛送ㄟ^(guò)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(guò)程中對(duì)吸附劑多孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

4、，并分析了其對(duì) CO2吸附性能的影響機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加煅燒溫度會(huì)導(dǎo)致更大的顆粒和孔徑形成，同時(shí)降低吸附劑的比表面積。MgO的吸附機(jī)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(guò)程中存在副產(chǎn)物的釋放，由高的平均相對(duì)分子質(zhì)量的前驅(qū)體制備得到的MgO材料具有發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)、大的孔體積和孔徑。同時(shí)，前驅(qū)體對(duì)MgO的吸附動(dòng)力學(xué)也會(huì)產(chǎn)生影響。由較低

5、平均相對(duì)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(kuò)散速率較慢，因此MgO的吸附速率較慢。
　?、谔岢隽瞬捎贸恋矸ㄖ苽涠嗫譓gO吸附劑，制備了一系列具有發(fā)達(dá)多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的MgO吸附劑，開(kāi)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(dá)的多孔結(jié)構(gòu)，其比表面積高達(dá)252 m2/g。通過(guò)熱重實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證明材

6、料能在較低的溫度下實(shí)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(dá)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。
　　③對(duì)采用熱分解法制備的多孔MgO材料吸附動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，采用不同的吸附模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，二階模型能夠在整個(gè)吸附階段準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)多孔MgO的吸附曲線，證實(shí)了MgO材料的主要吸附機(jī)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(guò)程，其不是由生成的吸附產(chǎn)物覆蓋在顆粒表面導(dǎo)致擴(kuò)散困難所致。通過(guò)采用Boyd膜擴(kuò)散模型、顆粒間擴(kuò)散模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型對(duì) MgO吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，MgO吸附劑初始吸附速率是由膜擴(kuò)散阻力決定的，隨著吸附的進(jìn)行，CO2分子在吸附劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散阻力導(dǎo)致吸附速率變慢。經(jīng)過(guò)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(guò)程主要是由膜擴(kuò)散阻力和顆粒內(nèi)擴(kuò)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(shuō)明材料的脫附能耗較低。水蒸氣對(duì)MgO材料的CO2吸附量有很大的促進(jìn)作用，且不會(huì)產(chǎn)生新的吸附產(chǎn)物。隨著相對(duì)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(dá)3.54 mol/k

9、g。但是水蒸氣的加入會(huì)導(dǎo)致吸附時(shí)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(kuò)散，導(dǎo)致其吸附量下降。當(dāng)吸附溫度高于100oC時(shí)，水蒸氣不會(huì)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(guò)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?duì)常規(guī)的吸附反應(yīng)器，以不同的優(yōu)化目標(biāo)對(duì)吸附床的床層孔隙率、吸附床的長(zhǎng)度和直徑以及脫附溫度進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。以電廠整個(gè)壽命周期內(nèi)

10、的 CO2捕集成本最小化為目標(biāo)，綜合考慮不同因素對(duì)捕集成本的影響，獲得了多個(gè)參數(shù)對(duì)吸附床建設(shè)投資成本、吸附-脫附運(yùn)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(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系式，并建立了以總成本最小為目標(biāo)的吸附反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?；跇?gòu)形理論思想提出了帶樹(shù)形結(jié)構(gòu)的堆積床吸附反應(yīng)器，獲得了流體的無(wú)量綱壓降、流道體積分?jǐn)?shù)、流道滲透率隨分叉級(jí)數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并根據(jù)雙孔隙率模型研究了樹(shù)形結(jié)構(gòu)堆積床吸附反應(yīng)