CO2低温凝华可视化实验装置设计

ａ ｂ ｉ ｎ ａ ｒ ｙ ｍｉ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ Ｎ２ ／ＣＯ２ ． Ｔｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｓ ：ｇ ａ ｓ ｓ ｕ ｐ ｐｌ ｙ＆ ｐ ｒ ｅ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ
不 同条件 下的二氧 化碳 凝 华特性 。
关键词 ： 碳 捕 集 与封 存 技 术 低 温凝 华 可 视 化 装 置 设 计
中图分 类号 ： Ｔ Ｂ ６ ６ ３ ， Ｔ Ｂ ６ １
文献 标识 码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ０ ０ ０ — ６ ５ １ ６ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３ ０ ３ ０ ． ０ ７
ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ＣＯ２ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｗｉ ｌ ｌ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄｅ ｓ ｏ ｍｅ ｂａ ｓ ｉ ｃ ｄ ａ ｔ ａ ｏｒ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ
（ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｗｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｎ ，Ｍ ａ ｄ ｉ ｓ ｏ ｎ ，Ｗｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｎ ５ ３ ７ ０ ６ ，Ｕ Ｓ Ａ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｔ ｈｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ＣＯ２ ｄ ｅ ｓ ｕ ｂｌ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ
置 。该 实验装 置 由供 气和预 冷 系统 、 真空 系统及 测量 与控 制 系统 等部 分 组 成 。 实验 中采 用冷 氮 气作
为 冷源 实现 Ｃ Ｏ ：的 凝 华 ， 并 引入 了 可视 化 的 研 究 手 段 ， 借 助 内窥 镜 对 凝 华 过 程 进 行 实 时 观 测 ， 以研 究
题， 则 使得 通 过 低 温 凝 华 的方 法 对 Ｃ Ｏ ，进 行 捕 集 也
将具 有一 定 的优势 。
本 文根据 当前 低温 法碳 捕集 技术存 在 的 问题 ， 调 研了 Ｃ Ｏ 低 温 凝 华 实 验 的相 关 研 究 进 展 ， 并 在 此 基 础 上设计 了 Ｃ Ｏ ： 低 温 凝 华 可 视 化 实验 装 置 ， 以探 究 Ｃ Ｏ 凝华 和积 聚机 理 ， 为工程 化设计 低 温碳 捕 集装 置 提 供基础 数 据 。
作者简介 ： 袁灵成 ， 男 ， ２ ５岁 ， 硕士研究生 。
第 ３期
Ｃ Ｏ 低 温 凝 华 可 视 化 实 验 装 置 设 计
３１
根据 燃烧 方 式 的不 同 ， 碳 捕 集 技 术 可 以分 为 ３
类： 燃烧 后 捕集 （ Ｐ ｏ ｓ ｔ ． ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 、 燃烧 前捕集 （ Ｐ ｒ ｅ ． ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ）以 及 富 氧 燃 烧 技 术 （ Ｏ ｘ ｙ ． ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ． ｔ ｉ ｏ ｎ ） 。燃 烧后 捕集是 指 采 用适 当的 方法 在 燃 烧 设 备 （ 如 电厂 的锅 炉 或 燃 气 轮 机 ） 后， 从 排放 的 烟气 中 捕 集 Ｃ Ｏ ：的过 程 ； 燃 烧 前 捕 集 就 是 利 用 煤 气 化 或 天 然 气 重整 可 以将 化石 燃料 转 化 为 主要 成分 为 Ｃ Ｏ和 Ｈ ，
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｏ ｂｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｂｌ ｅ ｃ ａ ｒ ｂｏ ｎ— ｄｉ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ — ｄｅ ｓ ｕ ｂｌ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｒ ｙ ｏ ｇ ｅ ｎｉ ｃ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ
Ｙ ｕ ａ ｎ Ｌ ｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｘ ｉ ａ ｏ ｂ ｏ Ｑ ｉ ｕ Ｌ ｉ ｍ ｉ ｎ Ｊ ． Ｍ．Ｐ ｏｔ ｆ ｅ ｎ ｈ ａ ｕ ｅ ｒ ， Ｂ ａ ｏ Ｓ ｈ ｉ ｒ ａ ｎ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｙ ｕ ａ ｎ
然后 将燃 料与 氧气 一 同输 送 到 专 门 的纯 氧 燃 烧 炉 进
行燃 烧 ， 生成 烟气 的主 要成 分 是 Ｃ Ｏ 和水 蒸气 ， 提 高
低温 凝华 实验 研究 一般 主要 有 ３方 面 内容 ： （ １ ）
混合 气 中 Ｃ Ｏ ：凝 华 机 理 ， 包 括凝 华 条 件 和 换 热 装 置
２ ０ １ ５年第 ３期 总第 ２ ０ ５期
低 温 工 程
ＣＲＹＯＧＥＮＩ ＣＳ
Ｎｏ ． ３ ２ ０ｌ ５ Ｓｕ ｍ ＮＯ ． ２ ０ ５
Ｃ Ｏ２低 温 凝 华 可 视 化 实 验 装 置 设 计
袁 灵成 姜 晓 波 邱 利 民 Ｊ ． Ｍ． Ｐ ｆ ｏ ｔ ｅ ｎ ｈ ａ ｕ ｅ ｒ
在全球 气候 变暖 的大环 境下 ， 研发 和推广 低碳 技 术被 视为减 少碳 排 放 的重 要 方 法 。现 有 的减 少 碳 排 放手 段 主要有 提高 能效 、 发 展 替代 能 源 （ 包括 可 再 生
中国而言 ， 发展 Ｃ Ｃ Ｓ技术 具有 落 实 国家 减 排 责任 、 保
障 能源安 全 、 提 高 国 内相关 能源 企业 国际竞 争力 等多
的几 何特 性对凝 华 的影 响等 ； （ ２ ） Ｃ Ｏ 凝华 过 程 中传 热传 质特 性 ； （ ３ ） Ｃ Ｏ 凝 华 装 置 的 流程 和结 构 设 计 ，
涉及 能耗 、 固体积 聚和分 离等 。
早在 ２ ０ ０ ０年 ， 日本 学 者 Ｙ ｏ ｓ ｈ ｉ ｙ ｕ ｋ ｉ Ｔ ａ ｋ ｅ ｕ ｃ ｈ ｉ 等 提
（ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｒ ｅ ｆ ｒ ｉ ｇ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｃ ｒ ｙ ｏ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ ｓ ， Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ ２ ７，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
（ 浙 江 大学 制 冷 与低 温 研 究 所 （ 。 美 国威 斯 康 辛 大 学 机 械 工 程 学 院 杭 州 ３ １ ０ ０ ２ ７ ） 麦迪逊 ５ ３ ７ ０ ６ ）
包 士 然 张 家源
摘
要： 为探 究低 温 下 Ｎ ： ／ Ｃ Ｏ 二 元 系 中 Ｃ Ｏ 的凝华机 理 ， 设 计 并搭建 了 Ｃ Ｏ 凝华 可视 化 实验 装
Ｎ２ ／ＣＯ２ ｍｉ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｗｏ ． ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｌｏ ｆ ｗ ｗｉ ｔ ｈ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｄ ｉ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ（ Ｃ Ｃ Ｓ ） ； ｃ ｙｏ ｒ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ ｄ ｅ ｓ ｕ ｂ ｌ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ； ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ； ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｍ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ａ ｎ ｄ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ＆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ． Ｃｏ ｌ ｄ Ｎ２ ｇ ａ ｓ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｏ ｌ ａ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ — ｕ ｂ ｌ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＣＯ， ，ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｅ ｎ ｄ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ ｉ Ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｕ ｂ ｌ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ．Ｔ ｈｅ ｄ ｅ ｓ ｕ ｂ ｌ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ —
２ Ｃ Ｏ 低 温 凝 华 实 验 研 究 综 述 与 讨 论
２ ． １ Ｃ Ｏ，低 温 凝 华 实验 研 究 综 述
的合 成气 ， 进 一步通 过水 煤气 变换反 应将 合成 气 中的
Ｃ Ｏ气体 转化 成 Ｃ Ｏ ： 和 Ｈ ： ， 最后 将 Ｃ Ｏ 分 离 出来 ； 富 氧燃 烧技术 则是 利用 空分 系统 制取 富氧或 纯氧气 体 ，
ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
引 言
ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ ， Ｃ Ｃ Ｓ ） 等 ３种 ， 其 中， Ｃ Ｃ Ｓ技术 被认
为是 最重 要 的过 渡性 减排技 术 ， 且 长期 而言 使用 Ｃ Ｃ Ｓ 技术 可降低 总减 排 成 本 。对 于 能源 结 构 以 煤 为主 的
重 意 义
能源 和 核 能 ） 和碳 补集 与封存 技术 （ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｄ ｉ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — １ ２ — ２ １ ； 修 订 日期 ： ２ ０ １ ５ － ０ ６ — ０ ６
基金项 目： 国家 基 础 研 究 计 划 ９ ７ ３项 目（ Ｎ ｏ ． ２ ０ １ １ Ｃ Ｂ ７ ０ ６ ５ ０ １ ） 资助 。
了尾 气 中 Ｃ Ｏ 质 量浓 度 （ 可达 ９ ５ ％ 以上 ） ， 再 通 降低 Ｃ Ｏ ， 的捕 集能耗 。
根据 二氧 化碳捕 集 机理 的不 同 ， 碳捕 集技术 又 可 分为 ： 吸 收法 、 吸附法 、 膜 分离法 以及 低温 分离 法 。其 中吸 收法包 括 物理 吸 收 、 化 学 吸收 和 物 理化 学 吸收 ； 低 温 分离法 包括 液化 分离法 和 固化分 离法 。 相 比于较 为成熟 的 吸收法 和吸 附法 ， 低温法 碳捕 集技 术具有 如 下优势 ： （ １ ） 捕 集过 程 中溶剂 再 生 和 系 统压 降所 带来 的能 耗 可 以忽 略不 计 ； （ ２ ） Ｃ Ｏ 直 接 以 固态 或液态 的形 式被 捕集 ， 无需 后续进 行 高能耗 的气 体压 缩 ， 同 时 固态 或 液 态 的 Ｃ Ｏ ：便 于 储 存 和 运 输 ； （ ３ ） 低 温法碳 捕集 技术 中涉及 的压缩 、 膨 胀 以及 制冷 等技 术具有 较 为成熟 的工业 应用 基础 ， 能够 实现 大规 模 的工业化 应 用 ； （ ４ ） 碳 捕 集 过 程 中还 可 生 产 氮 、 氩 等副 产 品 ； （ ５ ） 捕集 过程 中无 需 引 入 其 他 试 剂 ， 无 二
次污 染 。
出利 用一 种 结 晶器 的气 体 进 料 嘴 ， 将 燃 气 电 厂 烟 气 （ 主要 成分 Ｃ Ｏ 和 Ｈ ０） 和 Ｌ Ｎ Ｇ在 进 料 嘴 出 口处 直 接混 合 ， 回收利 用 Ｌ Ｎ Ｇ冷 能 使 烟气 中 的 Ｃ Ｏ 固化 分 离¨ 。在理 论 分 析 的 基 础 上 ， 他 们 在 设 计 了 相 应 的 实验 ， 利用 冷氮 气代 替 Ｌ Ｎ Ｇ， Ｎ ： 和 Ｃ Ｏ 混合气 代替 电