煤气物天然气中CO2化学脱除试验研究

摘要

煤气和天然气相比于煤炭，具有使用方便、发热量高、污染少等优点。粗煤气和天然气中存在的许多杂成分对下游利用造成了众多不利因素，因此气体净化工艺显得十分重要。其中，CO2的脱除不仅能够增加产品热值、提高利用效率，并一定程度上控制了温室气体排放。在众多的CO2捕集技术中，化学吸收法是最成熟也是最具前景的一种。因此，本文从反应动力学和吸收特性两方面出发，研究不同吸收剂对煤气和天然气中CO2的化学脱除性能。
　　 首先采用湿壁塔实验台进行了多种单一吸收剂、混合胺吸收剂和无水吸收剂与CO2之间的反应动力学试验。结果发现，常见的6种单一吸收剂与CO2反应的总传质系数大小为:30％二乙烯三胺(DETA)＞30％一乙醇胺(MEA)＞5％哌嗪(PZ)＞30％2-氨基-2基-1-丙醇胺(AMP)≈30％二乙醇胺(DEA)＞30％ N-甲基二乙醇胺(MDEA)。MEA/MDEA混合吸收剂的传质系数随着MDEA含量的增加而减小，DETA、羟乙基乙二胺(AEEA)和PZ与MEA的混合吸收剂也具有较高的传质速率。4种无水吸收剂的CO2传质性能方面，综合传质速率和挥发性，甲醇和乙二醇更具有进一步研究的意义。此外，MEA的传质性能随着溶液中CO2负荷的升高而降低，溶液的传质系数随气体流量的增加而变大。
　　 基于动力学试验的结果，在半连续鼓泡吸收实验台上进行了煤气和天然气中CO2脱除的试验研究，并通过比较CO2脱除率、吸收速率和溶液的CO2负荷等参数，初步探索了单一吸收剂、混合吸收剂和无水吸收剂的CO2吸收性能。
　　 煤气中CO2脱除方面，发现单一吸收剂的总CO2脱除率排序为:30％DETA＞30％ MEA≈5％ PZ＞30％ AMP≈30％ DEA＞30％ MDEA，与动力学实验结果基本吻合。在40％以上脱除率区域内，5％PZ表现出最好的吸收性能，但由于吸收速率降低过快，综合性能不如DETA。MEA/MDEA混合吸收剂的CO2脱除性能随着其中MDEA量的增加而逐渐减弱，总CO2负荷也随之减小，但MDEA的增多使溶液在吸收后期脱除率的稳定性增加。无水吸收剂对煤气中CO2的脱除性能随着溶剂的分子量的增加而减弱。
　　 天然气中CO2脱除方面，单一吸收剂中DETA的吸收速率和脱除率仍然最高，PZ依旧表现出较高的溶液CO2负荷，但吸收在1h后即达到了近饱和状态。混合吸收剂的天然气CO2脱除效果随着溶液中MDEA量的增加而变差。MDEA在极短时间内就使出口浓度超过3％，不适用于该浓度CO2天然气的脱除，而DETA和MEA拥有较长的有效吸收时间和较高的脱除率。PZ的有效脱除率最高，有效吸收负荷也仅低于DETA。
　　 因此，就吸收性能而言，30％DETA、30％MEA和20％MEA+10％MDEA对于煤气和天然气中CO2脱除都具有一定优势，值得进行下一步的深入研究。而5％PZ在短时间内拥有很高的脱除速率和CO2负荷，适用于较短循环的应用或作为添加剂使用。在1h内，同一吸收剂对煤气中CO2的总脱除率低于天然气，但吸收CO2的量多于天然气系统。
　　 最后，本文通过30％MEA水溶液对相同CO2浓度下的N2+CO2混合气的脱除的对比实验，发现煤气使得30％MEA水溶液的CO2吸收性能变差，而天然气（主要是CH4）优化了MEA的CO2脱除能力。

目录

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致谢

摘要

1．绪论

1.1 煤气和天然气开发及利用

1.1.1 煤气和天然气简介

1.1.2 煤气和天然气的开发和利用现状

1.2 CO2分离回收技术

1.2.1 物理吸收法

1.2.2 化学吸收法

1.2.3 变压吸附法

1.2.4 低温蒸馏法

1.2.5 膜法

1.3 论文选题背景和主要研究内容

1.3.1 选题背景

1.3.2 主要研究内容

1.4 本章总结

2．CO2化学吸收技术及其研究现状

2.1 化学吸收反应机理

2.2 吸收剂研究现状

2.2.1 高效混合胺吸收剂

2.2.2 相交吸收剂

2.2.3 无水吸收剂

2.2.4 离子液体吸收剂

2.2.5 小结

2.3 发展前景

2.4 本章总结

3．化学吸收法脱除CO2的动力学研究

3.1 前言

3.2 实验系统及操作步骤

3.3 实验内容

3.4 实验结果分析

3.4.1 实验参数定义及计算方法

3.4.2 试验的重复性

3.4.3 单一吸收剂的传质系数

3.4.4 低CO2负荷的MEA吸收剂的传质系数

3.4.5 混合吸收剂的传质系数

3.4.6 无水吸收剂与CO2的传质

3.4.7 气体流量对其气液传质的影响

3.5 本章总结

4．基于煤气和天然气的CO2脱除试验研究

4.1 前言

4.2 实验系统

4.2.1 鼓泡吸收实验装置及系统

4.2.2 实验操作步骤

4.3 实验内容

4.3.1 基本实验工况

4.3.2 吸收剂类型

4.3.3 对比实验

4.4 气化煤气中CO2吸收实验结果分析

4.4.1 实验参数定义及其计算方法

4.4.2 常规单一吸收剂的吸收性能

4.4.3 MEA/MDEA系列混合胺吸收剂的吸收性能

4.4.4 无水吸收剂的吸收性能

4.5 天然气中CO2吸收实验结果分析

4.5.1 常规单一吸收剂的吸收性能

4.5.2 MEA/MDEA混合胺吸收剂的吸收性能

4.5.3 CO2有效脱除的性能分析

4.6 本章总结

5．煤气和天然气中CO2脱除的比较与分析

5.1 前言

5.2 不同气体成分对吸收剂性能的影响

5.2.1 煤气和N2/CO2混合气的比较

5.2.2 天然气和N2/CO2混合气的比较

5.3 不同吸收剂脱除煤气和天然气中CO2的性能比较

5.4 本章总结

6．全文总结与工作展望

6.1 主要结论

6.2 本文不足之处与工作展望

参考文献

作者简历