中空纤维膜接触器分离烟气中二氧化碳的研究

摘要

近年来，温室气体CO2的减排问题已经成为备受关注的热点之一。我国是世界上第二大CO2排放国，能源消耗和CO2排放量在逐年增长，其中燃煤电厂烟气CO2排放量约占全国总排放量的38％，因此燃煤电厂尾部烟气CO2的分离回收尤其受到关注。膜吸收技术将化学吸收和膜分离相结合，以中空纤维膜接触器代替传统的吸收塔，充分利用了化学吸收的高选择性和膜的巨大接触面积，能得到较好的CO2去除效果。
　　 试验以疏水性的中空纤维膜作为膜接触器，建立了从模拟烟气(CO2/N2混合气)中脱除CO2的实验装置，采用单乙醇胺(MEA)作为吸收液，通过聚丙烯(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF)两种膜材料的对比确定合适的膜接触器，并对膜吸收过程的主要影响因素进行了研究。
　　 首先，选用PP和PVDF两种材质的中空纤维膜，对比研究了未润湿的新膜和连续运行30天后的旧膜对CO2吸收性能的变化。结果表明，连续运行30天后两种膜的CO2通量都有明显下降，其中PVDF下降更为显著。接触角测定表明长期运行后，PP和PVDF的接触角均下降，疏水性减弱，膜被润湿，从而导致膜吸收性能下降。同时，传质阻力的分析也表明，随着运行时间的增加，膜吸收过程的传质阻力也会增加，不利于传质。FESEM和XPS分析说明，两种膜在与MEA接触时间较长后，膜表面孔结构和元素组成都会发生变化，从而影响膜吸收性能。但是不论润湿前后，PP膜吸收性能明显好于PVDF，说明PP中空纤维膜接触器更适用于分离烟气中CO2。
　　 然后，通过PP膜接触器吸收模拟烟气中CO2影响因素实验表明，在气液流量相同的条件下，壳程流的CO2的回收率和通量都好于管程流。随着吸收液流速的增加，膜通量和CO2回收率也持续增加；吸收液碳化度过高时，要及时解吸才能保证膜通量和CO2回收率的稳定。吸收液浓度以小于2 mol.L-1为宜，吸收液在10～50℃范围内，温度越高膜吸收效率越高。烟气流速和烟气中CO2浓度增加，膜通量增加，但是CO2回收率下降；随着膜组件长度增加，CO2回收率上升，膜通量反而下降；膜组件的装填率为20％时，膜吸收效率较高。