二氧化碳(CO2)减排是应对全球变暖的重要手段。针对燃煤电厂烟气的CO2化学吸收法被认为是燃烧后捕集的最佳选择。化学吸收法目前难以大规模应用的主要原因在于设备投资成本高和运行成本高。因此降低化学吸收装置的设备成本和运行成本是发展和推广该技术亟需解决的瓶颈问题。本课题基于新型膜接触器,从吸收剂的筛选、膜疏水改性、挥发性吸收剂的再回收和化学吸收工艺改进等方面对化学吸收工艺进行了深入的探索和研究,以降低运行能耗和成本。针对膜吸收长期运行膜易湿润的问题,选用表面张力较大的氨基酸盐为吸收剂,旨在提高膜吸收过程中的稳定性。对常见的20种氨基酸的溶解度比较初步筛选出适合膜吸收的6种氨基酸盐。对所选的氨基酸盐进行了膜吸收和热再生实验,通过对氨基酸盐的CO2膜吸收性能和热再生性能比较,发现L-脯氨酸钾、甘氨酸钾和L-精氨酸钾这三种氨基酸盐溶液在等摩尔浓度条件下具有比MEA更快的CO2吸收速率,而L-精氨酸钾、L-丝氨酸钾、L-丙氨酸钾和肌氨酸钾具有比MEA更快的再生速率。对6种氨基酸盐进行综合评分,发现L-精氨酸钾、L-丙氨酸钾、L-丝氨酸钾和肌氨酸钾的综合评分要高于MEA溶液。为了进一步提高膜表面的疏水性和抗湿润性能,对商用的PVDF膜进行了表面有机硅烷嫁接。使用三种不同碳链长度的有机硅烷和一种含氟硅烷对PVDF进行化学嫁接,对嫁接过程中的碱处理时间、嫁接时间和嫁接物质对膜表面接触角的变化进行了探索,发现碳链长度的增加有利于提高膜表面疏水性,同时嫁接含氟硅烷得到的改性PVDF膜具有最高的疏水性。通过扫描电镜和压汞仪对膜结构进行了分析,发现改性过程对PVDF膜的孔径变化和孔隙率大小影响不大;FTIR的结果显示嫁接后膜表面出现了由Si-O-Si的弯曲振动引起的吸收峰。对改性前后的PVDF膜进行了 CO2膜吸收和连续运行实验,发现改性后的PVDF膜对CO2膜吸收性能影响不大,但在长期运行中发现改性膜组件具备更好的运行稳定性和抗湿润性能。为了降低吸收剂的损耗,针对挥发性最强的氨水吸收剂开发了膜减压蒸馏工艺,实现系统中氨的再回收。对膜减压蒸馏过程中的关键操作参数进行了研究,发现提高液相流速、氨水进口温度和降低气相侧真空度能够提高氨的跨膜传质通量和总传质系数,而氨水中带有CO2负荷后会降低氨的传质通量。为了评估膜减压蒸馏技术对系统中氨的再回收潜力,进行了循环再生试验,发现在运行2小时后氨的回收率达到了 95.6%,这说明膜减压蒸馏工艺具有实现挥发性吸收剂再回收的潜力。在降低吸收剂再生能耗方面,开发了吸收剂贫液膜闪蒸工艺,使用PBI致密膜对膜蒸发过程中的操作参数进行了研究,发现蒸发温度对膜蒸发过程影响较大,而吹扫气流速和液相流速对膜蒸发过程影响较小。使用Aspen Plus软件对CO2年捕集量为100万吨规模的化学吸收过程进行了流程模拟,并对系统增加膜闪蒸工艺后的各系统参数变化、能耗变化和经济性分析进行了系统研究。研究结果表明,增加膜闪蒸工艺能够有效降低再沸器的热负荷,但同时也会使压缩机的功率增加,总体而言增加膜闪蒸工艺有助于降低电厂因碳捕集系统而损失的发电功率。从经济性分析,增加膜闪蒸系统会使得设备的总投资成本稍微增加,但使系统的年运行成本降低,折算成CO2的捕集成本,可以从基础方案的237元/tCO2下降至最低218.8元/t CO2,下降幅度为7.7%。