热化学ZnSI循环系统流程模拟及ZnI2生成反应的实验研究

摘要

当今世界气候变化剧烈、极端天气事件频发，这很大程度上可以归咎于二氧化碳向大气中的过量排放。实现二氧化碳的减排有多种方法，包括二氧化碳的捕集封存、转化利用、使用节能技术和从根本上改变能源消费结构等。这些方法各有利弊，本文所研究的热化学ZnSI循环是率先提出的一种热化学转化利用二氧化碳的方法。在热化学硫碘循环的基础上增加金属及其氧化物与CO2反应循环系统，实现热化学分解H2O产生H2的同时将CO2转化为CO，达到产氢同时利用二氧化碳的目的。
　　本文使用流程模拟软件Aspen Plus对热化学ZnSI闭路循环进行设计和模拟计算，并对相关设计参数进行灵敏度分析，包括本生反应出口产物组成、ZnI2分解率和ZnI2生成反应中氢碘酸浓度。结果表明当本生反应工况变化时，系统热效率发生巨大改变。当选取合适工况时，系统热效率可达40％以上。故采用各种方法以优化本生反应产物可有效地提高系统热效率。相较于本生反应对系统的巨大影响，ZnI2分解率和ZnI2生成反应中的氢碘酸浓度对系统影响微弱。
　　相较于闭路循环，开路循环系统热效率得到极大提升，从35％增大到79％。同时开路循环联产92.5wt％的产品硫酸可供工业应用，可算作良好有效的系统改进，具有发展前景。使用ZnI2-CO2反应的热化学ZnSI循环系统热效率较闭路循环略有降低，但其系统得到很大程度的简化。现有对电化学本生反应的研究还很不完善，故使用实验数据计算得到使用电化学本生反应的ZnSI循环效率较低。但可以预见的是，采取优化的电化学本生反应可有效提升系统效率，且其具有杂质少、反应需碘量少等传统本生反应无法比拟的优势。
　　ZnI2生成反应是热化学ZnSI循环中的重要一环。实验研究结果表明，温度升高和氢碘酸浓度上升可有效提升反应速率，促进总反应的进行，产生更大的氢气浓度峰值;此外，固体反应物粒径的减小和反应物中Zn比例上升均促进反应的进行。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 二氧化碳减排

1．2．1 改变能源消费结构

1．2．2 提高能源利用率及节能

1．2．3 二氧化碳捕集和封存技术(CCS)

1．2．4 二氧化碳转化利用

1．3 热化学循环分解利用二氧化碳

1．4 新型热化学ZnSI循环系统

1．4．1 热化学SI循环系统

1．4．2 热化学ZnSI循环系统

1．5 本文研究内容

2 热化学ZnSI闭路循环系统的设计和模拟计算

2．1 引言

2．2 系统流程简介

2．3 各子系统的参数设计和假设

2．3．1 本生反应系统

2．3．2 硫酸系统

2．3．3 HIx系统

2．3．4 Zn系统

2．4 模拟中的模型参数选择

2．4．1 单元操作模型的选择

2．4．2 物性方法的选择

2．5 系统流程假设

2．6 热化学ZnSI循环的物料平衡和能量平衡计算

2．6．1 物料平衡

2．6．2 换热体系

2．6．3 能量平衡

2．6．4 系统热效率计算

2．7 主要设计参数对热效率的影响

2．7．1 本生反应产物组成对热效率的影响

2．7．2 ZnI2分解率对系统热效率的影响

2．7．3 HI-ZnO反应中氢碘酸浓度对系统热效率的影响

2．8 本章小结

3 热化学ZnSI循环系统的简化和改进

3．1 引言

3．2 热化学ZnSI开路循环系统(硫磺焙烧制SO2)

3．2．1 热化学ZnSI开路循环系统流程简介

3．2．2 流程假设及参数选取

3．2．3 模拟中模型参数的选择

3．2．4 物料平衡

3．2．5 能量平衡

3．2．6 系统热效率计算

3．3 使用ZnI2-CO2反应的热化学ZnSI循环系统

3．3．1 流程简介

3．3．2 流程假设及参数选取

3．3．3 物料平衡

3．3．4 能量平衡及热效率计算

3．4 使用电化学本生反应的热化学ZnSI循环系统

3．4．1 电化学本生反应简介

3．4．2 流程简介

3．4．3 流程假设及参数选取

3．4．4 物料平衡

3．4．5 能量平衡及热效率计算

3．5 各系统的比较讨论

3．5．1 各系统热负荷的比较

3．5．2 系统热效率对比

3．6 本章小结

4 ZnI2生成反应的实验研究

4．1 引言

4．2 实验系统及方法

4．2．1 简介

4．2．2 工况参数选择

4．2 实验仪器及试剂

4．2．1 化学试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 主要仪器介绍

4．2．4 标准溶液配制

4．3 分析方法

4．3．1 氢离子浓度的测定

4．3．2 氢气浓度的测定

4．4 实验数据分析

4．4．1 实验温度的影响

4．4．2 氢碘酸浓度的影响

4．4．3 温度及氢碘酸浓度的综合影响

4．4．4 固体反应物粒径的影响

4．4．5 固体反应物组成的影响

4．4．6 反应模型的推测和探讨

4．5 本章小结

5 全文总结及展望

5．1 全文总结

5．1．1 本文主要内容

5．1．2 本文创新之处

5．2 未来工作展望

参考文献

作者简历