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随着世界各国对全球气候变化的日益关注,作为主要温室气体的CO2,其减排控制研究已经引起越来越多的关注。据IEA(InternationalEnergyAgency)预测,到2030年,世界能源消费中,以煤、石油、天然气为主的化石燃料将仍然占据主导地位。因此,燃煤电厂尾部烟气CO2的分离回收尤其受到关注。膜吸收法是一种将膜和化学吸收相结合的新型偶联技术,该技术不仅克服了传统化学吸收过程中的液泛、夹带、沟流等缺点,还提供了气液独立的运行条件和巨大的气液接触面积,能得到较好的CO2去除效果。
本研究以疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)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)作为主要吸收液,通过浸没式和管程流两种运行方式的对比确定了较优的运行方式,对该运行方式下的膜吸收过程主要影响因素进行了研究,并对膜材料与吸收液的润湿机理进行了深入研究。
首先,对比研究了浸没式与管程流的两种运行方式对CO2吸收性能的影响。结果表明,无论是膜通量、去除率,还是抗润湿性能,浸没式均优于管程流。
其次,对浸没式运行模式下的膜吸收过程主要影响因素进行了实验研究。研究结果表明CO2的去除率与通量随着烟气负荷、碳化度的增加而降低;气相压力由1kPa增加到2kPa时,CO2的去除率和膜通量均有明显增加,润湿后的膜组件通过增大气相运行压力的方式可以使膜通量显著恢复;烟气中CO2体积分数的增加了30%导致CO2的去除率下降了40%左右,而CO2通量上升了35%;随着吸收液浓度与温度的上升,CO2的去除率和膜通量均呈上升趋势。对吸收液富液进行多次重复使用并解吸,其碳化度可恢复到0.1molCO2.mol-1MEA左右,解吸率维持在50%左右。不同吸收液对CO2的去除效果具有以下规律:哌嗪(PZ)>氢氧化钠(NaOH)>乙醇胺(MEA)>三乙醇胺(TEA)>去离子水(H2O),综合吸收和解吸性能,认为MEA更适合作为膜吸收工艺的吸收液。
最后,对MEA与膜材料的交互作用做了进一步研究。通过吸收液浸泡膜接触器试验研究膜润湿前后膜通量的变化,并且拍摄场发射扫描电镜照片,测试膜丝接触角、机械拉伸强度考察了吸收液对膜形态结构的影响。同时,对浸泡膜丝进行了孔径分布、热重及红外光谱等检测,分析了中空纤维膜浸泡前后微观结构的变化。以上测试结果表明,吸收液与膜接触后并未与膜丝发生化学反应,而是吸收液进入膜孔中导致了溶胀现象的产生。