膜气吸收法分离烟气中CO_2的实验
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( Schoo l o fM echan ica l and Pow er Eng ineer ing, E ast Ch ina Un iv ers ity o f Science and T echno logy, Shangha i 200237, Ch ina)
A bstract: Carbon diox ide absorpt ion from flue gases w as experim enta lly investigated using deion ized w ater and am ine so lvents includ ing m onoethano lam ine (M EA ) and m ethy ldiethano lam ine ( MDEA ) in po lypropy lene ( PP ) ho llow fiber m em brane con tactor. T he dependency o f CO2 rem oval efficiency and the m ass transfer rate on operating param eters w ere studied, such as the m ixed gas flow rate, the vo lum e concentration of CO2 at the gas feed inle,t liquid flow rate, concentration of absorbents as w ell as so lvent types. It w as found that the effic ient o fMEA w as h igher than MDEA and tha t of de ionized w aterw as the low es;t the CO2 rem ova l e ff ic iency and m ass transfer ra te increased w ith the increase o f the liquid flow ra te and the so lvent concentration; the CO2 rem oval effic iency decreasesd w ith the increase o f the gas flow rate and CO2 vo lum e fraction in the feed gas, w h ile the CO2 m ass transfer rate increasesd. It w as observed tha t in experim ents a long operation period cou ld lead to partial m em brane we tt ing even when using re lative ly low so lvent concen trat ions, resulting in a significan t decrease of m em brane absorption perform ance. Therefore, the abso rbent concentration shou ld be comprom ised betw een the absorption effic iency and the m embrane w etting to ensure a stab le and efficient rem oval o f CO2 w ith a long life o f the ho llow fiber m emb ran e. K ey words: carbon diox ide; PP hollow f iber m em brane; m embrane gas abso rpt ion; gas separation
储罐中进入膜接触器内, 然后将吸收的 CO2反应产 物带出进入储液罐等待溶液再生. 混合气体从膜接 触器的壳程流过, 吸收液从膜接触器的管程流过, 气 相和液相在中空纤维膜接触器内逆向流动. 吸收液 的摩尔浓度及 CO2负荷量用化学滴定法测定, 进出 口气体的含量用气相色谱仪进行测定.
气体流速和 CO 2在入口气体中体积分数的增大 而减小, 而传 质速率 却随之 增加. 系统长 时间运 行后发 现存在 膜孔
润湿现象, 进而影响膜的传质性 能. 因此, 吸收剂浓度须在传质和长时间运行性能之间进行权衡.
关键词: 二氧化碳; 聚丙烯中空纤维膜; 膜气吸收法; 气体分离
Βιβλιοθήκη Baidu
中图分类号: TQ 028. 8
第 5期
吕 月霞等: 膜气吸收法分离烟气中 CO2的 实验
97
2 0 世 纪 以化 石 能 源 为 主 的能 源 利 用 技 术 为 人 类社会的生存与发展起到了关键的推动作用. 然而, 化石燃料燃烧过程中产生大量的温室气体 CO2给地 球生态环境造 成了严重危害. 1997年, 第 3 次联合 国气候转变框架公约 ( UNFCC) 缔约方会议上签署 的 5京都议定书 6对发达国家和经济转 型国家 6 种 温室气体排放量的削减做出了明确规定 [ 1] , 2005年 在日本京都举 行了协议生效仪式. CO2的捕获与存 储很可能应用于大的 CO2点源, 如发电厂或大的工 业流程. 化石燃料发电厂是 CO 2的集中排放源, 其所 排 CO 2大约量占总排放量的 30% [ 2] . 因此, 为了遏 制温室效应, 必须对电厂烟道气 CO 2进行技术处理. 目前, 烟道气中 CO 2燃烧后捕获的方法主要有物理 化学溶剂吸收法、物理化学吸附法、膜分离法、化学 循环燃烧以及各方法之间的耦合等 [ 3- 5] . 其中化学 溶剂吸收法技术最为成熟, 对 CO2气体也有较好的 吸收效果, 但传统的吸收塔在操作过程中存在鼓泡、 雾沫夹带等现象, 能量消耗和成本投资较大. 膜分离 技术则 很 难同 时保 证 膜分 离 材料 的 渗 透性 和 选
为吸收剂, 对模拟烟气中的 CO2分离进行了试验研究. 考察 了气体流 速、入口 气体中 CO2体积分数、吸收剂 流速、吸
收剂浓度以及吸收剂种类等因素对
CO2脱除率和总传质速率的影响.
实验结果显示:
3 种吸收剂分 离
CO
的效
2
率由
大到小依次为 M EA、M DEA、去离子水; CO2的脱除率和传质通量随吸收剂浓度、流速的提高均增加; CO2的脱除 率随
收稿日期: 2009- 05 - 03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 20606011 ) 作者简介: 吕月霞 ( 1983) ) , 女, 山东淄博人, 博士生, 主要研究方向为燃煤电厂 CO2 捕获; 于新海 ( 联系人 ), 副研究员, E-m ai:l yxhh@ ecus.t edu. cn.
择性. 膜吸收技术是将吸收法和膜分离技术相结合而
出现的一种新型技术, 该技术结合了吸收技术和膜 分离技术的优点. 与传统的膜分离技术不同, 微孔膜 材料只是起到隔离气体与吸收液的作用, 并不提供 气相组分的选择性, 气体从膜一侧的气相穿过膜孔 扩散到另一侧的液相, 被液相吸收剂吸收. 与传统 的化学吸收装置, 如填料塔、鼓泡塔等相比, 膜接触 器有以下优点 [ 6] :
1 实验装置
用聚丙烯中空纤维膜接触器分离烟气中 CO 2的 实验台如图 1所示. 实验分别选用去离子水、99. 5% M EA和 M DEA 作为物理吸收液和化学吸收液. 实验 用模拟烟气为 N2和 CO 2的混合气体. 实验用 HDMF100-1聚丙烯中空纤维膜材料的具体参数见表 1.
图 1 实验装置 F ig. 1 Experim enta l setup
V o.l 31 N o. 5 Sep. 2009
膜气吸收法分离烟气中 CO2 的实验
吕月霞, 于新海, 涂善东
(华东理工大学 机械与动力工程学院, 上海 200237)
摘 要: 采用聚丙烯中空纤维 膜接触器, 分别用去离子水、单乙醇胺 (M EA )及 N - 甲基二乙醇胺 (M DEA )水溶液作
由于在传质性能、操作、能耗和投资等方面一系
列的优点, 该技术在大型燃煤电厂 CO2捕获方面有 很好的工业应用前景 [ 7] .
目前利用中空纤维 膜脱除烟 气中的 CO2的 研 究在国内外已经取得了一定的进展. Zhang等 [ 8] 在 1985年首次提出了用中空纤维膜接触器和 N aOH
溶液吸收 CO 2的工艺. K um ar等 [ 9- 11] 分别用纯水和 N aOH、KOH、单乙醇 胺 ( MEA )、二 乙醇胺 ( DEA ) 、 N-甲基二乙醇胺 ( MDEA ) 、CORAL 等溶液作为吸收 剂, 以聚丙烯、聚乙烯和聚四氟乙烯中空纤维膜组件 作为接触器进行了研究. L u等 [ 12 ] 利用聚丙烯中空 纤维膜研究了添加剂 AM P 和 PZ 对 MDEA 溶液吸 收 CO2传质过程的影响. Zhang等 [ 13] 用去离子水物 理吸收液和 DEA 化学吸收液在润湿和非润湿 2种 操作模式下研究了润湿对聚丙烯中 空纤维膜的影 响, 研究发现 5% 的膜孔润湿会使总传质系数下降 20% . 但是大部分 研究所用的溶剂浓度都 在 1~ 3 m o l/L, 而随着有机溶剂浓度的增加, 其表面张力迅 速降低, 导致聚丙烯膜润湿现象的发生, 进而影响膜 的传质性能和膜的使用寿命. 本文用低浓度的吸收 剂 ( 0105~ 0125 m o l/L ) 考察膜孔润湿现象和吸收性 能的相互权衡关系. 此外, 各研究机构所用的膜接触 器的纤维膜数量从 1~ 4 000根不等, 操作参数也千 差万别, 文献中的数据无法作为本实验室所搭建装 置的操作参数, 因此有必要探讨最适用于本实验室 所搭建装置的操作参数范围, 从而为后期长周期膜 润湿机理探讨和模型建立提供实验数据.
第 31卷第 5期 2009年 9月
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) JOU RNAL OF NAN JING UN IVER SITY OF TECHNOLOGY ( N a tura l Sc ience Ed ition)
do :i 10. 3969 / .j issn. 1671- 7627. 2009. 05. 019
纤维孔隙率
平均孔径 / Lm
38 0
50 0
3 200
300
01 65
01 16
膜接触器分离烟气中 CO2的实验流程如图 2所 示. 气体钢瓶放出的 N 2和 CO2经过质量流量控制器 调整流量和气体配比后进入静态混合器混合均匀. 膜接触器入口和出口处的压力表分别显示入口和出 口气体的压力. 去离子水作为物理吸收液, M EA 和 MDEA 溶液作为化学吸收液, 吸收液通过蠕动泵从
文献标志码: A
文章编号: 1671- 7627( 2009) 05- 0096- 06
Experim ent of CO2 separation from flue gases by m em brane gas absorption
LB Y ue-x ia, YU X in-ha,i TU Shan-dong
1)气液两相分别在膜的两侧单独流动, 并不直 接接触, 从而避免了传统吸收塔中经常出现的液泛、 沟流和起泡等现象;
2)结构紧凑, 接触面积大, 体积小, 从而减少了 操作成本;
3)膜接触器可以通过多个膜组件串联 或者并 联的方式进行线性放大, 从而使设计更加方便, 更容 易应用在工业上, 性能也可以进行预测.
98
组件外径 / mm 50
组件内径 / mm
42
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
第 31卷
表 1 聚丙烯中空纤维膜参数
Table 1 Param eters o f the hol low fiber mem brane
纤维内径 / Lm
纤维外径 / Lm
纤 维根数
纤维有效长 度 / mm
A bstract: Carbon diox ide absorpt ion from flue gases w as experim enta lly investigated using deion ized w ater and am ine so lvents includ ing m onoethano lam ine (M EA ) and m ethy ldiethano lam ine ( MDEA ) in po lypropy lene ( PP ) ho llow fiber m em brane con tactor. T he dependency o f CO2 rem oval efficiency and the m ass transfer rate on operating param eters w ere studied, such as the m ixed gas flow rate, the vo lum e concentration of CO2 at the gas feed inle,t liquid flow rate, concentration of absorbents as w ell as so lvent types. It w as found that the effic ient o fMEA w as h igher than MDEA and tha t of de ionized w aterw as the low es;t the CO2 rem ova l e ff ic iency and m ass transfer ra te increased w ith the increase o f the liquid flow ra te and the so lvent concentration; the CO2 rem oval effic iency decreasesd w ith the increase o f the gas flow rate and CO2 vo lum e fraction in the feed gas, w h ile the CO2 m ass transfer rate increasesd. It w as observed tha t in experim ents a long operation period cou ld lead to partial m em brane we tt ing even when using re lative ly low so lvent concen trat ions, resulting in a significan t decrease of m em brane absorption perform ance. Therefore, the abso rbent concentration shou ld be comprom ised betw een the absorption effic iency and the m embrane w etting to ensure a stab le and efficient rem oval o f CO2 w ith a long life o f the ho llow fiber m emb ran e. K ey words: carbon diox ide; PP hollow f iber m em brane; m embrane gas abso rpt ion; gas separation
储罐中进入膜接触器内, 然后将吸收的 CO2反应产 物带出进入储液罐等待溶液再生. 混合气体从膜接 触器的壳程流过, 吸收液从膜接触器的管程流过, 气 相和液相在中空纤维膜接触器内逆向流动. 吸收液 的摩尔浓度及 CO2负荷量用化学滴定法测定, 进出 口气体的含量用气相色谱仪进行测定.
气体流速和 CO 2在入口气体中体积分数的增大 而减小, 而传 质速率 却随之 增加. 系统长 时间运 行后发 现存在 膜孔
润湿现象, 进而影响膜的传质性 能. 因此, 吸收剂浓度须在传质和长时间运行性能之间进行权衡.
关键词: 二氧化碳; 聚丙烯中空纤维膜; 膜气吸收法; 气体分离
Βιβλιοθήκη Baidu
中图分类号: TQ 028. 8
第 5期
吕 月霞等: 膜气吸收法分离烟气中 CO2的 实验
97
2 0 世 纪 以化 石 能 源 为 主 的能 源 利 用 技 术 为 人 类社会的生存与发展起到了关键的推动作用. 然而, 化石燃料燃烧过程中产生大量的温室气体 CO2给地 球生态环境造 成了严重危害. 1997年, 第 3 次联合 国气候转变框架公约 ( UNFCC) 缔约方会议上签署 的 5京都议定书 6对发达国家和经济转 型国家 6 种 温室气体排放量的削减做出了明确规定 [ 1] , 2005年 在日本京都举 行了协议生效仪式. CO2的捕获与存 储很可能应用于大的 CO2点源, 如发电厂或大的工 业流程. 化石燃料发电厂是 CO 2的集中排放源, 其所 排 CO 2大约量占总排放量的 30% [ 2] . 因此, 为了遏 制温室效应, 必须对电厂烟道气 CO 2进行技术处理. 目前, 烟道气中 CO 2燃烧后捕获的方法主要有物理 化学溶剂吸收法、物理化学吸附法、膜分离法、化学 循环燃烧以及各方法之间的耦合等 [ 3- 5] . 其中化学 溶剂吸收法技术最为成熟, 对 CO2气体也有较好的 吸收效果, 但传统的吸收塔在操作过程中存在鼓泡、 雾沫夹带等现象, 能量消耗和成本投资较大. 膜分离 技术则 很 难同 时保 证 膜分 离 材料 的 渗 透性 和 选
为吸收剂, 对模拟烟气中的 CO2分离进行了试验研究. 考察 了气体流 速、入口 气体中 CO2体积分数、吸收剂 流速、吸
收剂浓度以及吸收剂种类等因素对
CO2脱除率和总传质速率的影响.
实验结果显示:
3 种吸收剂分 离
CO
的效
2
率由
大到小依次为 M EA、M DEA、去离子水; CO2的脱除率和传质通量随吸收剂浓度、流速的提高均增加; CO2的脱除 率随
收稿日期: 2009- 05 - 03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 20606011 ) 作者简介: 吕月霞 ( 1983) ) , 女, 山东淄博人, 博士生, 主要研究方向为燃煤电厂 CO2 捕获; 于新海 ( 联系人 ), 副研究员, E-m ai:l yxhh@ ecus.t edu. cn.
择性. 膜吸收技术是将吸收法和膜分离技术相结合而
出现的一种新型技术, 该技术结合了吸收技术和膜 分离技术的优点. 与传统的膜分离技术不同, 微孔膜 材料只是起到隔离气体与吸收液的作用, 并不提供 气相组分的选择性, 气体从膜一侧的气相穿过膜孔 扩散到另一侧的液相, 被液相吸收剂吸收. 与传统 的化学吸收装置, 如填料塔、鼓泡塔等相比, 膜接触 器有以下优点 [ 6] :
1 实验装置
用聚丙烯中空纤维膜接触器分离烟气中 CO 2的 实验台如图 1所示. 实验分别选用去离子水、99. 5% M EA和 M DEA 作为物理吸收液和化学吸收液. 实验 用模拟烟气为 N2和 CO 2的混合气体. 实验用 HDMF100-1聚丙烯中空纤维膜材料的具体参数见表 1.
图 1 实验装置 F ig. 1 Experim enta l setup
V o.l 31 N o. 5 Sep. 2009
膜气吸收法分离烟气中 CO2 的实验
吕月霞, 于新海, 涂善东
(华东理工大学 机械与动力工程学院, 上海 200237)
摘 要: 采用聚丙烯中空纤维 膜接触器, 分别用去离子水、单乙醇胺 (M EA )及 N - 甲基二乙醇胺 (M DEA )水溶液作
由于在传质性能、操作、能耗和投资等方面一系
列的优点, 该技术在大型燃煤电厂 CO2捕获方面有 很好的工业应用前景 [ 7] .
目前利用中空纤维 膜脱除烟 气中的 CO2的 研 究在国内外已经取得了一定的进展. Zhang等 [ 8] 在 1985年首次提出了用中空纤维膜接触器和 N aOH
溶液吸收 CO 2的工艺. K um ar等 [ 9- 11] 分别用纯水和 N aOH、KOH、单乙醇 胺 ( MEA )、二 乙醇胺 ( DEA ) 、 N-甲基二乙醇胺 ( MDEA ) 、CORAL 等溶液作为吸收 剂, 以聚丙烯、聚乙烯和聚四氟乙烯中空纤维膜组件 作为接触器进行了研究. L u等 [ 12 ] 利用聚丙烯中空 纤维膜研究了添加剂 AM P 和 PZ 对 MDEA 溶液吸 收 CO2传质过程的影响. Zhang等 [ 13] 用去离子水物 理吸收液和 DEA 化学吸收液在润湿和非润湿 2种 操作模式下研究了润湿对聚丙烯中 空纤维膜的影 响, 研究发现 5% 的膜孔润湿会使总传质系数下降 20% . 但是大部分 研究所用的溶剂浓度都 在 1~ 3 m o l/L, 而随着有机溶剂浓度的增加, 其表面张力迅 速降低, 导致聚丙烯膜润湿现象的发生, 进而影响膜 的传质性能和膜的使用寿命. 本文用低浓度的吸收 剂 ( 0105~ 0125 m o l/L ) 考察膜孔润湿现象和吸收性 能的相互权衡关系. 此外, 各研究机构所用的膜接触 器的纤维膜数量从 1~ 4 000根不等, 操作参数也千 差万别, 文献中的数据无法作为本实验室所搭建装 置的操作参数, 因此有必要探讨最适用于本实验室 所搭建装置的操作参数范围, 从而为后期长周期膜 润湿机理探讨和模型建立提供实验数据.
第 31卷第 5期 2009年 9月
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) JOU RNAL OF NAN JING UN IVER SITY OF TECHNOLOGY ( N a tura l Sc ience Ed ition)
do :i 10. 3969 / .j issn. 1671- 7627. 2009. 05. 019
纤维孔隙率
平均孔径 / Lm
38 0
50 0
3 200
300
01 65
01 16
膜接触器分离烟气中 CO2的实验流程如图 2所 示. 气体钢瓶放出的 N 2和 CO2经过质量流量控制器 调整流量和气体配比后进入静态混合器混合均匀. 膜接触器入口和出口处的压力表分别显示入口和出 口气体的压力. 去离子水作为物理吸收液, M EA 和 MDEA 溶液作为化学吸收液, 吸收液通过蠕动泵从
文献标志码: A
文章编号: 1671- 7627( 2009) 05- 0096- 06
Experim ent of CO2 separation from flue gases by m em brane gas absorption
LB Y ue-x ia, YU X in-ha,i TU Shan-dong
1)气液两相分别在膜的两侧单独流动, 并不直 接接触, 从而避免了传统吸收塔中经常出现的液泛、 沟流和起泡等现象;
2)结构紧凑, 接触面积大, 体积小, 从而减少了 操作成本;
3)膜接触器可以通过多个膜组件串联 或者并 联的方式进行线性放大, 从而使设计更加方便, 更容 易应用在工业上, 性能也可以进行预测.
98
组件外径 / mm 50
组件内径 / mm
42
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
第 31卷
表 1 聚丙烯中空纤维膜参数
Table 1 Param eters o f the hol low fiber mem brane
纤维内径 / Lm
纤维外径 / Lm
纤 维根数
纤维有效长 度 / mm