超重力技术脱除二氧化碳课程设计报告

超重力技术脱除二氧化碳课程设计报告张容正20101095一背景知识全球工业化进程的加快使二氧化碳的排放量越来越大,并带来严重的环境污染,随着2012年/后京都时代0的到来,温室气体排放将随着经济的加速发展而急剧上升。20世纪全球平均温度升高了0.6e,近30a来温度升高速度明显加快,全球变暖给人类带来的危害是多方面的,严酷的天气类型、海平面上升造成的陆地减少、影响自然生态系统、破坏生物多样性、物种灭绝等等。全球变暖的现实正不断的向人类敲响警钟,二氧化碳产生的温室效应已经成为全球最为热点的问题之一。联合国环境规划署指出,如果不对二氧化碳及其它温室气体排放采取限制措施,那么气候变暖每年将给全球带来严重的经济损失。为此,国际社会就控制温室气体排放量采取了多次政治和技术方面的合作。1997年12月,在日本京都召开的5联合国气候变化框架公约6缔约方第三次会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的5京都议定书。2005年2月16日,5京都议定书6正式生效,规定到2010年,所有发达国家二氧化碳等6种温室气体的排放量,要比1990年减少5.2%,这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。5京都议定书6的生效说明二氧化碳的排放问题已经受到全世界的广泛关注。1二氧化碳的来源数百万年以来,二氧化碳通过多种形式进入到大气中,其中一种来源工业革命时期开始的人类燃烧矿物燃料,现在已经成为二氧化碳的主要来源,并对碳循环的平衡起着重要的作用。二氧化碳的来源如下所述:¹呼吸作用:动物通过呼吸空气来吸收氧气。氧气和糖份相结合产生能量、二氧化碳和水。鱼和其他水下生物从生活的水中吸取溶解的氧气。植物也要进行呼吸作用,它们需要能量才能生长。绿色植物的呼吸作用也是二氧化碳的产生源,同时由于光合作用的存在,也在进行着二氧化碳的吸收。º退化:动植物死后体内开始发生降解有机物的化学过程,有机物被分解为更简单的化合物,包括二氧化碳。»火山活动:火山喷发产生固体和含有二氧化碳的气体。¼燃烧矿物燃料:煤基本上由碳组成,石油和天然气(碳氢化合物)的主要成分也是碳。这些燃料在空气中燃烧时,会产生热能、光能和排放二氧化碳。目前,每年燃烧的矿物燃料会将大约260亿t的二氧化碳排放到大气中。½水泥生产:与人类活动有关的二氧化碳大气排放量中大约有5%来自水泥生产过程。该过程包括爆破和燃烧石灰石和白垩板岩等碳酸岩,这些岩石也用在钢铁生产和其他工业生产活动中。¾森林采伐:几个世纪以来,人们燃烧森林来获得农业用地。这会在两个方面影响二氧化碳气体的平衡。首先,燃烧会将产生的二氧化碳释放到大气中;其次,通过光合作用吸收二氧化碳气体的树木减少了。诚然,农业用地也是二氧化碳气体的吸收源,但其吸收效果远不如森林。作为全球变暖的主要贡献者的温室气体二氧化碳,主要产生于矿物燃料的燃烧过程(占全球排放总量的80%以上),而以矿物燃料为主要能源的电力生产中排放的二氧化碳占全球总排量的40%左右,电力生产是二氧化碳的一个集中排放源,控制和减缓电力生产中二氧化碳排放对于解决全球气候变暖及温室效应问题具有重要意义。2二氧化碳分离回收技术大气中蕴藏着丰富的碳资源,若从资源综合利用的角度考虑,分离回收碳资源并使之变废为宝不失为一种好办法。在自然界中,通过绿色植物的光合作用固定二氧化碳是合成有机物质的起始点,也是迄今为止回收和净化的主要手段。当前矛盾的基本点是人类对化石燃料的过度依赖而导致二氧化碳的排放速度超过了其自然净化能力。因此,随着世界经济的迅速发展,各国(尤其是发达国家)均已投入大量资金进行二氧化碳回收与利用技术的研发。目前工业上分离回收二氧化碳的方法主要有吸收分离法、吸附分离法、膜分离法。2.1吸收分离法。吸收分离法是利用吸收剂对混合气体进行洗涤来分离二氧化碳的方法。按照吸收剂的不同,可以分为物理吸收法和化学吸收法。2.1.1物理吸收法。物理吸收法是在低温高压条件下,以水、甲醇、聚酯类等作为吸收剂,利用二氧化碳在这些溶剂中溶解度随压力变化而改变的原理,对二氧化碳进行吸收以达到分离脱除的目的,分离过程中并不发生化学反应。该法关键是确定优良的吸收剂,所选的吸收剂必须对二氧化碳的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性以及性能稳定。典型的物理吸收法有环丁砜法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法(Selexol法)、低温甲醇法(Rectisol法)、碳酸丙烯酯法(Flour法)等。.环丁砜法:由环丁砜一、二异丙醇胺)水组成的溶液作为吸收剂,溶液的吸收压力从稍高于大气压至7MPa,净化气中二氧化碳含量可降低至50mg/m3以下,可用于脱除变换气中的二氧化碳。.N-甲基吡咯烷酮法:用N-2-甲基吡咯烷酮作为溶剂,吸收压力一般为3.6~7MPa,该法可选择脱除硫化氢,用于从高压天然气或合成气中除去大量二氧化碳。.Selexol法:用聚乙烯乙二醇二甲酯(DEPG)为吸收剂,操作温度为261K。.Rectisol法:以冷甲醇为吸收溶剂,操作温度211~272K,压力214~810MPa,该工艺气体净化度高、选择性好,气体的脱硫和脱碳可在同一塔内分段、选择性进行,被广泛应用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成和天然气脱硫等气体净化装置中。.Flour法:用碳酸丙烯酯为吸收剂,吸收压力一般在1.3MPa以上,净化气中二氧化碳含量小于1%,该法可同时脱除硫化氢,可用于脱除天然气及变换气的二氧化碳。物理吸收法的优点是吸收能力强,吸收剂用量少,吸收剂的再生不需要加热,通过降压即可实现,因此所需再生能量相当少,溶剂不起泡,不易腐蚀设备;但由于二氧化碳在溶剂中的溶解服从亨利定律,因此这种方法只适用于二氧化碳分压较高的条件,而且二氧化碳的去除程度不高,成本相对也较高。2.1.2化学(溶剂)吸收法。化学吸收法是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应,二氧化碳被吸收至溶剂中成为富液,富液进入解析塔加热分解出二氧化碳从而达到分离回收二氧化碳的目的。该法的关键是控制好吸收塔和解析塔的压力与温度。化学吸收法所选用的吸收剂应对溶质二氧化碳具有选择性,且吸收剂不易挥发,并避免在气体中引进新的杂质,腐蚀性小、粘度低、毒性小、不易燃等特点。常用的化学溶剂一般是碳酸钾水溶液或乙醇胺类的水溶液。1热钾碱法。使用25%~30%的热碳酸钾溶液吸收气体中的二氧化碳,可用于脱除合成氨变换气中二氧化碳。总反应为:K2CO3+CO2+H2Oy2KHCO3,吸收二氧化碳后的热钾碱溶液,通过减压及加热进行再生,溶液放出吸收的二氧化碳。为了加快吸收二氧化碳的速度,向碳酸钾溶液中加入各种催化剂(活化剂),称为催化热钾碱法。o有机胺作为吸收溶剂,如:含有烷基哌的甲基二乙醇胺、含水碳酸钾的三丁基磷酸酯、乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、正丙醇胺等烷醇胺。机理:CO2+2RNH2yRNHCOO-+RNH3(烷醇胺)RNH2+CO2+H2OyRNH3+HCO3(侧基团大的位阻胺)较常用的乙醇胺法腐蚀性强,现阶段研制开发的低分压二氧化碳回收技术,以醇胺水溶液为主体,添加了活性胺、抗氧剂和防腐剂,组成适于回收低分压二氧化碳的优良复合吸收剂,拥有吸收速度快、吸收能力大、再生能耗低、胺氧化降解损耗小、无腐蚀、复合吸收剂无毒、无污染的特点。2.2吸附分离法。吸附分离法是利用固态吸附剂对原料混合气中的二氧化碳的选择性可逆吸附作用来分离回收二氧化碳的新技术,工业生产所选用的吸附剂都是具有较大表面积的固体颗粒,主要有活性炭、天然沸石、分子筛、活性氧化铝和硅胶等,另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的特殊吸附材料,如二氧化碳专用吸附剂和碳分子筛等。吸附剂在吸附中应具备两个基本性质:一是对不同组分的吸附能力不同,以达到对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯的目的;二是吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加,随吸附温度的上升而减少,实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解析再生,从而构成吸附剂的吸附与再生循环,连续分离气体。采用吸附分离法时,一般需要多座吸附塔并联使用,以保证整个过程中能连续地输入原料气,连续地取出二氧化碳及未吸附气体,其关键是吸附剂的载荷能力,其主要决定因素是温差(或压差)。固体吸附剂吸附二氧化碳的能力视温度及压力而定。通常二氧化碳分压越高以及气体温度越低,所能吸附的二氧化碳量越多。在实际应用中一般依据气源的组成、压力及产品要求的不同来选择变压吸附(PSA)、变温吸附(TSA)或变压+变温吸附(PSA+TSA)工艺。PSA的循环周期短,吸附剂利用率高,吸附剂用量相对较少,不需要外加换热设备,被广泛用于大量多组分气体的分离与纯化。TSA法的循环周期长,投资较大,但再生彻底,通常用于微量杂质或难解吸杂质的脱除。2.3膜分离法。膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜,对不同气体的渗透率不同来分离气体的。膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,驱动力是压差,当混合气体与膜接触,膜两边存在压力时,渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜,形成渗透气流,渗透率低的气体则被选择性的拦截,绝大部分在薄膜进气一侧形成残留气流,两股气流分别引出,从而使混合气体的不同组分被分离,这种分离是分子级的分离。膜分离技术受到世界各技术先进国家的高度重视,近三十年来,美国、加拿大、日本和欧洲国家,一直把膜技术定位为高新技术,投入大量资金和人力,促进膜技术迅速发展,使用范围日益扩大,为许多行业高质量地解决了分离、浓缩和纯化的问题,为循环经济、清洁生产提供依托技术。使用薄膜法处理含大量二氧化碳废气时,无论使用哪类薄膜,除要对二氧化碳具有高选择性外,二氧化碳透过率亦需越高越好,只是排放气中主要成分氮气和二氧化碳的分子大小十分接近,高选择性和高渗透率不易同时实现。工业上用于二氧化碳分离的膜材质主要有:醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚砜等,近年来一些性能优异的新型膜材质正不断涌现,如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜复合膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等,均表现出优异的二氧化碳渗透性。无机膜的研发上也有很大的突破,如日本Yamaguchi大学的研究小组制备的一种沸石膜,在200e时CO2/N2选择性大于100,可初步用于分离电厂尾气中的二氧化碳。膜分离法具有一次性投资较少、设备紧凑、占地面积小、能耗低、工艺简单操作方便等优点,是应用前景良好的二氧化碳气体分离方法,但膜分离法的缺点是需要前级处理、脱水和过滤,且难以得到高纯度的二氧化碳。2.4几种分离回收方法的比较。上述几种二氧化碳的分离回收方法各有特点,视原料气的不同和二氧化碳产品气的纯度要求的不同,可以选用一种方法,也可以两种方法联合使用。物理吸收法和化学吸收法对二氧化碳的吸收效果好,分离回收的二氧化碳的纯度高达99.9%以上,而且可有效脱除硫化氢(脱除率高达100%),其缺点是成本较高。PSA法生产能力大,自动化程度高,分离程度高、效果好,可以生产高质量的二氧化碳气体,但设备要求相应较高,投资大,其成本也较高。膜分离法装置简单,操作方便,投资费用低(成本比吸收法低25%左右),是当今世界上发展迅速的一项节能型二氧化碳分离回收技术,但是膜分离法难以得到高纯度的二氧化碳,因此美国田纳西州的Mallet矿区将膜法和吸收法结合起来,前者做粗分离,后者做精分离,结果表明:该法取得了二者单独操作时所得不到的最佳效果。3二氧化碳的综合利用二氧化碳在常温常压下是无色无臭气体,在常温下加压即可液化或固化,安全无毒,使用方便,加上其含量非常丰富,因此随着地球能源的日益紧张,现代工业的迅速发展,二氧化碳的利用越来越受到人们的重视,许多国家都在研究把二氧化碳作为/潜在碳资源0加以综合利用,早在19世纪30年代,我国就开始将二氧化碳用于合成有机化合物、灭火、致冷、金属保护焊接、制造充气饮料、灭菌等方面。3.1二氧化碳在化工合成上的应用。二氧化碳除了成熟的化工利用(例如合成尿素、生产碳酸盐、阿司匹林、制取脂肪酸和水杨酸及其衍生物等)以外,现在又研究成功了许多新的工艺方法,例如合成甲酸及其衍生物,合成天然气、乙烯、丙烯等低级烃类,合成甲醇