天津大学研究生分离工程大作业(3)

表4 商业吸附工艺所使用的吸附剂

2.3.1 碳基材料吸附剂

碳基吸附剂、活性氧化铝、沸石类对二氧化碳的吸附过程属于物理吸附，温度升高，二氧化碳的吸附能力明显下降。近年来国内外研究的主要碳基材料有活性炭、石墨烯、碳分子筛（CMSs）和碳纳米管等，这些材料对 CO2的吸附性能得到了大量研究。碳基吸附剂对 CO2的吸附量随着温度上高而降低，当CO2分压比较低时，活性炭对 CO2的吸附量及选择性均不及沸石分子筛。水或者其他杂质的存在都对活性炭吸附 CO2产生不利影响。

表5 碳基材料吸附剂对CO2的吸附能力

2.3.2 硅基介孔材料吸附剂

利用吸附的方法，通过对硅基介孔材料表面改性来捕集分离 CO2。研究无水和水存在的条件下 PbO/Silica Gel、PbO/SBA-15及PbO/MCM-41 等硅基介孔材料改性吸附剂对CO2的吸附效果，同时研究这些材料对混合气中 CO2的吸附分离效果。发现硅基改性吸附剂在PbO单层分散时捕集CO2的速度最快。将吸附饱和的硅基改性吸附剂在氮气保护条件下于380℃焙烧3个小时即可再生，经过循环测试，发现再生后的吸附剂吸附捕集CO2的效果依然良好。因此，用PbO改性硅基介孔材料后所得的吸附剂是一种比较理想的CO2捕集和分离材料。

2.4 溶剂吸收/膜分离耦合法

溶剂吸收/膜分离耦合，即膜吸收技术，是将溶剂吸收过程和膜分离过程相结合的过程，同时具有吸收过程高选择性和膜分离过程设备简单的优点。根据膜性质的不同，可以将膜吸收技术分为膜气体吸收技术和液膜吸收技术。

在膜气体吸收技术中，通过疏水微孔中空纤维膜将含CO2的气体与吸收溶剂分离开来，气体和溶剂分别在膜两侧流动，膜本身对气体没有选择性，只起隔离液体和气体的作用，通过溶剂的的选择性吸收而达到分离的目的。日本三菱重工与东京电力公司开发了膜气体吸收捕集回收CO2的技术，让胺溶剂在中空纤维膜中流动，膜外侧的电厂烟道气中的CO2通过膜被溶剂吸收而被脱除。该方法效率高且节省装置成本。

在液膜吸收技术中，液膜有支撑液膜和乳化液膜两种。支撑液膜是将液相溶剂吸附在惰性多孔固体膜的微孔中而形成的。其中，固体膜只起支撑作用，而分离作用由液膜完成。在膜两侧是与膜不相溶的料液相和反萃相，待分离的组分根据溶解一扩散机理由液膜相向反萃相传质。乳化液膜实际上是一种双重乳状液高分散体系，由膜相、内包相和连续相组成，主要涉及液体物质的分离。挪威科技大学使用一种高能效的CO2过滤膜从烟道气中脱除CO2，可以很容易的得到纯度为90%的CO2，回收率高达85%。近五年内，欧洲四座大型电厂将采用这种CO2过滤膜进行中试规模实验。

2.5 低温液化分离法

低温液化分离法是根据气体组分不同的液化温度，将气体的温度降低到其露点以下，使其液化，然后通过精馏的方法将各组分进行分离。表6是多种CO2捕集回收技术的综合对比。

表6 CO2捕集回收技术的综合对比

对于大量的现有电厂来说，燃烧后二氧化碳捕集技术成为温室气体减排的主要路线之一。以下是几种二氧化碳减排路线。

图 5 二氧化碳的燃烧前捕集过程

图 6 二氧化碳的富氧燃烧捕集过程

图 7 二氧化碳的燃烧后捕集过程

三、工艺流程简介

针对烟道气通量大的特点，本工艺引入了预分离模块，通过将膜分离过程与传统吸收法耦合，预期达到对CO2的高效吸收的同时，减少吸收剂的使用量，从而降低CO2吸收的成本。

如图所示，本工艺的预分离模块为两级串联膜分离过程。原料流股(INLET)首先经过一级膜组件(MEM-1)进行惰性气体分离，除去大部分N2和O2进行排空(N2-OUT)；余下气体（S4）经过输送进入二级膜组件(MEM-2)进行CO2预分离，贫CO2流股(GASLOOP)经过循环再次进入一级膜组件(MEM-1)；

吸收模块由一个吸收塔与一个解析塔组成。来自膜分离模块的富CO2气体由吸收塔塔底进入(GAS-IN)，吸收剂由塔顶（LIQ-IN）进入填料吸收塔（ABSORBER），经过吸收作用，塔顶贫CO2气体排空（GAS-OUT），塔底采出富CO2吸收液(LIQ-OUT)，之后富CO2吸收液进入解吸塔（DESORBER）脱除CO2，而后吸收液进行循环（MEDALOOP）重新进入吸收塔。

图8 烟道气CO2捕集流程图

3.1 流程模拟

原料气采用经过脱硫单元之后的燃煤电厂烟道气，数据摘自Kartik. Etc.

3.1.1 原料来源

的论文，具体组成如下：

表7 原料气组成表

3.1.2 膜分离模块模拟

由于Aspen软件中没有膜分离模拟模块，因此我们采用了PROIII软件进行了模拟，最终实现了膜分离模块的全流程收敛。

图9为PROII界面下的流程图，由于目前工业上CO2膜分离通量和分离性的限制，结合本小组研究课题中的主要研究背景，我们选择了如下流程。由于进