采用氣體水合物法分離CO2-H2混合氣的反應(yīng)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、中國是煤炭消費(fèi)大國，燃煤 CO2排放量占我國碳排放總量的40％，其中燃煤發(fā)電廠是中國 CO2減排的重點(diǎn)研究對象。近年來，以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）應(yīng)用為代表的預(yù)燃燒分離和CO2捕集技術(shù)是未來清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向，而燃料氣（CO2/H2）的高效分離是影響 IGCC節(jié)能與發(fā)電效率的核心環(huán)節(jié)?；跉怏w水合物法的混合氣體分離技術(shù)（HBGS）是利用不同氣體分子和水生成水合物相平衡條件的差異進(jìn)行混合氣體分離，該技術(shù)在分離

2、燃料氣（CO2/H2）方面具有節(jié)能、環(huán)保、分離效率高等明顯優(yōu)勢，近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。需要注意的是，進(jìn)一步提高 CO2分離效率以及反應(yīng)過程的氣體消耗量是水合物法分離燃料氣急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。圍繞這一關(guān)鍵問題，本文分別在溶液攪拌體系和多孔介質(zhì)體系開展了水合物法分離燃料氣的實(shí)驗(yàn)研究工作，研究結(jié)果對推動水合物法分離燃料氣技術(shù)的發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文主要的研究內(nèi)容與研究結(jié)論如下：
　　①首次將四氫呋喃（THF

3、）和環(huán)己烷（CH）混合，用作新型熱力學(xué)促進(jìn)劑降低 CO2/H2混合氣體生成水合物的相平衡壓力。采用定容觀察法測定了 CO2/H2混合氣在1.0 mol%THF+10%CH（體積比）溶液體系中生成水合物的相平衡數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，與1.0 mol%THF溶液相比，1.0 mol%THF+10%CH混合體系在相同溫度條件下的相平衡壓力更低，動力學(xué)研究結(jié)果表明該體系具有更高的 CO2回收率和分離效率。
　?、跒榱颂岣咚衔锷伤俾省怏w消耗

4、量、CO2回收率等動力學(xué)參數(shù)，首次采用煤顆粒固定床開展CO2/H2混合氣的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。（1）研究了驅(qū)動力（3.0、4.5、6.0MPa）對氣體消耗量和CO2分離效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動力越高氣體消耗量和氣體消耗速率越大，但CO2回收率和分離因子反而降低。（2）研究了煤顆粒固定床中不同THF溶液飽和度（0、40%和100%）對CO2/H2分離特性的影響，探討了煤炭顆粒體系的反應(yīng)機(jī)理，研究表明，由于煤顆粒對 CO2有很強(qiáng)的吸附能力，因

5、此煤顆粒固定床中的CO2/H2分離是一個(gè)吸附-水合耦合過程。研究發(fā)現(xiàn)：固定床飽和度越高，CO2回收率和分離因子越高。(3)在煤顆粒固定床中研究了THF濃度（1、3、5.6 mol%）對CO2/H2分離特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：提高THF濃度可以促進(jìn)水合物的生成，提高單位摩爾的水氣體消耗量，但總氣體消耗量與 CO2分離效率反而降低，其主要原因是提高THF濃度可以促進(jìn)H2和水分子生成II型水合物，所以增加 THF濃度不利于 CO2和 H2的分離

6、。（4）研究了不同顆粒粒徑（0.1-0.5mm、0.5-1mm、1-3mm）對水合物法分離CO2/H2混合氣體反應(yīng)動力學(xué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：粒徑越大，顆粒之間的空隙越大，不利于水合物在液相的結(jié)晶與生長，生成速率較慢。另外，小粒徑的煤顆粒（0.1-0.5mm）由于含有大量無法篩除的極細(xì)煤粉，阻礙了氣體分子在床層的擴(kuò)散，導(dǎo)致氣體消耗量減小。
　?、鄯治霾⒃u價(jià)了不同實(shí)驗(yàn)體系中氣體水合物法分離 CO2/H2的動力學(xué)特性。通過與文獻(xiàn)中多種

7、實(shí)驗(yàn)體系（THF、TBAB、CP、石英砂、乳化油等）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)：相比溶液攪拌體系，多孔介質(zhì)體系（石英砂、煤顆粒）有效縮短了誘導(dǎo)時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間，提高了液相的水合轉(zhuǎn)化率。目前，在6.0 MPa、1.0 mol%THF煤顆粒體系獲得的氣體消耗量最高（51.9 mmol of gas/mol of water）；而在3.0 MPa、1.0 mol%THF煤顆粒體系獲得的CO2回收率（57%）和CO2/H2混合氣分離效率（42.5）最