新型VESTA甲烷化工艺路线探究

分析了现有煤制合成天然气技术主要存在的问题,介绍了新型无循环、适应宽氢碳比的VESTA甲烷化技术。VESTA甲烷化技术的显著特征是利用合成气中的CO₂和外加水蒸汽来控制甲烷化反应温升,不需要操作条件苛刻的循环气压缩机;在甲烷化反应之前对原料气只脱硫、不脱碳,甲烷化反应之后再集中脱碳;经中试试验得出原料气中的H₂/CO比不影响最终的SNG产品指标;甲烷化后的粗SNG产品气中的CO₂体积分数高达71%,因而可在脱碳前低成本联产中压液体CO₂产品。这部分液体CO₂产品除了可用泵增压输送到粉煤气化单元用作输送气体外,还可以直接作为副产品为企业增加收益,并间接降低了碳排放。新型VESTA甲烷化技术与现有带循环压缩机的甲烷化技术相比,不但更容易操控,而且还提高了操作的稳定性和安全性,同时又能极大地降低净化装置、甲烷化装置及SNG干燥装置的投资和能耗。因此,采用VESTA甲烷化技术,能有效地提高煤制合成天然气的市场竞争力。     

烟气CO2捕集热能梯级利用节能工艺耦合优化

醇胺法捕集CO₂技术是一种较成熟的CO₂捕集技术,具有吸收速度快、脱除效果好等显著优点,但其操作费用高、解吸能耗大。本文以降低醇胺法捕集烟气中CO₂系统再生能耗为出发点,对常规醇胺法捕集CO₂工艺统进行了节能优化研究。在常规工艺流程基础上引入压缩式热泵节能技术,并利用Aspen Plus软件建立了基于压缩式热泵技术的CO₂捕集工艺流程模型。研究了压缩式热泵与机械蒸汽压缩回收（MVR）热泵、分流解吸、分布式换热、级间冷却4种节能工艺耦合,通过模拟计算与优化,结果说明了最佳节能工艺组合为“解吸塔压缩式热泵+贫液MVR热泵+分流解吸+级间冷却”耦合的CO₂捕集工艺流程,当解吸塔顶气体分流比为0.25∶0.75、冷富液分流比为0.05∶0.95、级间冷却器位于吸收塔17块塔板位置、吸收塔输入冷量为-3.0GJ/h时,系统再生能耗最低,为2.533 GJ/tCO₂,相比常规有机胺工艺（再生能耗4.204GJ/tCO₂）节能率39.748%。     

利用元胞自动机模拟CO2或水蒸气在液态甲烷中的凝华行为

利用热质传输方程、流体动力学方程、连续性方程和生长动力学规律分析了晶体生长的物理机制,同时利用元胞自动机法建立了凝华相变的模型,通过计算机模拟了水蒸气以及CO₂在低温液态甲烷中凝华形成晶体的过程,得到了冰晶的二维模拟结果以及CO₂晶体的二维和三维模拟结果。结果显示该模型能够模拟出指定温度和过饱和度下的冰晶以及CO₂晶体生长过程。冰晶以及CO₂晶体生长过程中具有一定的各向异性。该模型可以用于分析LNG中冰晶以及CO₂晶体的形成,有利于改善LNG储存运输使用等过程中的技术流程。     

2-甲基咪唑/乙二醇体系常温脱除天然气中的二氧化碳

将2-甲基咪唑溶于乙二醇中形成混合溶液体系,利用该体系常温下实现对天然气中二氧化碳的脱除。首先分别测定单组分甲烷和二氧化碳在体系中的吸收容量,在0.1 MPa下,CO₂在2-甲基咪唑/乙二醇混合溶液中溶解度约为0.87 mol·L^-1,高于同等条件下CO₂在大部分离子液体中的溶解度,二氧化碳的吸收容量远大于甲烷的;然后对混合气CH₄/CO₂进行分离,发现该体系能较好吸收分离CH₄/CO₂。最后考察了体系的再生性和重复利用性,得出2-甲基咪唑/乙二醇溶液体系能完全再生并且能重复使用。     

基于整体煤气化联合循环的燃烧前CO2捕集工艺及系统分析

CO₂减排作为应对全球变暖的重要手段而逐渐成为国内外研究热点。为研究燃烧前CO₂捕集系统关键技术,以华能（天津）265MW级整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）示范电站为依托,从气化装置抽出合成气约10000m³/h（标况下）,进行一氧化碳耐硫变换、甲基二乙醇胺（MDEA）硫碳共脱、PDS硫回收等技术研究,同时完成我国首套工业规模级燃烧前捕集工艺模拟、系统分析及现场测试。研究结果表明：满负荷运行工况下,每年可捕集CO₂ 7.811万吨,系统单位能耗2.35GJ/t（CO₂）,CO₂捕集率≥ 85%;模拟结果与实际运行数据相吻合。其中MDEA工段能耗占捕集能耗的93.3%,热再生部分则占MDEA工段能耗的81.61%;同时分析了捕集系统各工段CO₂损失过程,增加四段变换可使系统能耗基本不变同时捕集率增加至92.29%;考察了CO₂压缩液化工段能耗及成本。本研究结果可为燃烧前CO₂捕集的设计、工业放大及过程优化提供理论支持。     

一种低能耗捕集CO2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO₂浓度降低,从而导致CO₂捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO₂煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H₂和CO₂,CO₂浓度提高,在此时进行CO₂捕集可实现捕集能耗的降低。经CO₂捕集后,得到富H₂气体,富H₂气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO₂捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO₂捕集能耗下降30.3%。     

钙循环捕集CO2后CaO的水合/脱水热化学储热性能

提出了基于CaO的钙循环捕集CO₂与CaO/Ca(OH)₂体系热化学储热耦合新工艺，在双固定床反应器上，研究了循环捕集CO₂中煅烧条件和碳酸化条件对CaO储热性能的影响，探究CaO循环捕集CO₂过程和循环水合/脱水储热过程的相互作用。研究表明，多次循环碳酸化/煅烧捕集CO₂后CaO仍具有较高储热性能，10次循环捕集CO₂后再经10次储热循环，CaO水合转化率可达0.66mol/mol。与苛刻煅烧条件相比，温和煅烧条件下经历多次循环捕集CO₂后CaO的储热性能更高。在碳酸化气氛中加入水蒸气对经历多次循环捕集CO₂后CaO储热性能的影响不大。钙循环捕集CO₂过程和水合/脱水循环储热过程能够相互促进。该工艺有望同时实现CO₂捕集和储热，具有一定的应用前景。     

离子液体膜材料分离二氧化碳的研究进展

离子液体由于具有不易挥发、结构可调、对CO₂有良好的吸收性能等特点而成为当前CO₂分离领域的研究热点,但因高黏度和高成本问题而限制了其工业化应用。将离子液体与气体分离膜材料结合,得到的新型分离膜材料兼具离子液体和膜的优势,成为当前离子液体研究领域的趋势之一。针对这一热点问题,综述了离子液体支撑液膜、聚离子液体膜和离子液体共混/杂化膜在CO₂分离方面的研究现状和进展,讨论了离子液体结构和含量对膜分离性能、稳定性等的影响。相关研究表明,离子液体共混/杂化膜具有较高的分离性能和稳定性,是一种很有应用前景的CO₂分离材料。提出该领域的重点发展方向,即开发新的功能化离子液体共混/杂化膜材料是解决高渗透通量与高稳定性之间矛盾、强化CO₂分离性能的有效途径,深入研究离子液体共混/杂化膜的形成机制、气体在膜中的渗透行为以及CO₂分离机理。     

Aspen Plus模拟高浓度H2S/CO2酸性气的选择性分离

以煤制氢尾气中的高浓度酸性气体H₂S和CO₂为对象,以聚乙二醇二甲醚（NHD）为吸收剂,使用PC-SAFT状态方程拟合了酸性气体CO₂和H₂S在聚乙二醇二甲醚（NHD）溶剂中溶解参数,运用Aspen Plus流程模拟软件,构建两级吸收分离工艺,实现H₂S和CO₂的高效分离,H₂S浓度由30%提升至98.7%,CO₂含量由55%提升至99.4%。由此,可以通过高效分离酸性气H₂S和CO₂,并以提浓后再资源化利用的方式实现酸性气的污染控制。     

CO2跨临界热泵系统热力性能提升与经济性分析

CO₂跨临界热泵系统热力性能优化,往往其设备的初始投资成本会增加,在设备生命周期内其对总体费用的影响不明确。本文建立了常规CO₂跨临界热泵系统（BASE）、CO₂双级压缩热泵系统（TSCHPS）和CO₂/CO₂机械过冷热泵系统（MSHPS）的热力学与经济学模型,其中在经济学模型中定义了综合考虑设备初投资及运行费用的目标函数,研究了3种热泵系统在小温差风机盘管、地暖以及暖气片作为散热终端下热力性与经济性之间的关系,讨论了系统升级后的生命周期经济性变化。研究结果表明：在3种散热终端的系统名义工况下,TSCHPS、MSHPS的能效比（COP）均比BASE系统提升15%以上,但其生命周期经济性却不一定得到改善;BASE系统热力性与经济性之间相互关联,TSCHPS、MSHPS的热力性与经济性之间关联性不强;系统升级后的经济性变化与蒸发温度及供热量有关,给出了3种散热终端下不同应用范围内经济性最优系统。     

燃烧前CO2捕集技术在IGCC发电中的应用

由于整体煤气化联合循环（IGCC）发电本身的技术特点,使得其非常适合于进行燃烧前CO₂捕集。针对IGCC特点,提出了一种MDEA脱酸气结合湿法氧化法硫回收的燃烧前CO₂捕集流程。通过模拟计算,验证了流程的可行性。将其与IGCC发电系统集成,对比计算了有无燃烧前CO₂捕集的IGCC系统供电效率等相关参数,燃烧前CO₂捕集使IGCC供电效率降低约10个百分点。分析指出了导致包含燃烧前CO₂捕集的IGCC供电效率降低的3个因素：蒸汽消耗、燃料化学能损失和新增动力设备电耗,并据此确定了今后的优化方向。     

二氧化碳在双极膜电渗析系统中溶解吸收过程的研究

在二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）技术中,海水固碳技术绿色环保、安全可靠,具有很好的发展前景。其中,双极膜电渗析法海水固碳技术的关键之处在于二氧化碳在系统中的溶解吸收。考察了结晶器中添加晶种、通气体系成分、模拟烟道气流量、双极膜电渗析装置的电流密度对海水固碳过程中二氧化碳溶解吸收效果的影响,结果表明：系统外加晶种、模拟烟道气作为通气体系时更有利于二氧化碳在双极膜电渗析系统中的溶解吸收,促进碳酸钙生成。在上述基础上,随着模拟烟道气流量的增加,二氧化碳的比吸收速率降低,二氧化碳在溶液中大部分转化成碳酸氢根,碳酸根和碳酸钙的生成速率则会降低;随着电渗析装置电流密度的提高,碳酸氢根、碳酸根和碳酸钙的生成速率均会随之提高。该研究为酸性气体在双极膜电渗析系统中溶解吸收和矿化利用提供了指导。     

氨基修饰微孔/介孔复合材料AM-5A-MCM-41对CO2吸附分离的分子模拟

构建了氨基修饰微孔/介孔复合材料AM-5A-MCM-41的全原子模型,采用巨正则Monte Carlo（GCMC）方法研究了它的CO₂吸附分离性能,采用加权混合规则来描述氨基和CO₂分子的弱化学作用。模拟结果表明,CO₂分子优先吸附在复合材料介孔表面的氨基附近,CO₂纯气体的吸附量和吸附热有了显著提高,而N₂的吸附量和吸附热则基本不受影响。对于CO₂和N₂的混合气分离,由于复合材料对CO₂的弱化学吸附作用,显著提高了CO₂吸附量和吸附选择性,在573 K和100 kPa时CO₂/N₂的选择性达到了87.0。通过分子模拟研究可以从微观角度了解CO₂在氨基修饰的微孔/介孔复合材料中的吸附分离的细节和机理,为实验设计和合成高效CO₂吸附剂提供指导。     

膜分离耦合CO2电催化加氢制甲酸工艺的设计及模拟

CO₂对气候影响越来越严重,将其转化为甲酸能够同步实现资源化和碳减排。当前CO₂加氢制甲酸的研究主要在于寻找高性能催化剂,而过程设计对甲酸实现工业化也不可或缺,但是CO₂电催化加氢制甲酸的过程设计尚未见报道。利用主要成分为H₂和CO₂的天然气制氢变压吸附解吸气为原料,设计了气体膜分离耦合CO₂电催化加氢年产3万吨甲酸的工艺,并在Unisim Design流程模拟软件中进行了模拟。随后利用灵敏度分析法对反应器中膜电极面积、阴极电势、H₂膜面积、CO₂膜面积、精馏塔压力和回流比等参数进行优化,在最优方案下甲酸的单位质量成本为6.37 CNY/kg,比传统的Kemiral-Leonard（KL）工艺高31.88%,但是所提出的工艺可以实现减排3.33万吨/年的CO₂,具有重要的环境保护意义。最后通过成本分析,从反应器的寿命、成本和电价三个方面提出三种有效的解决方案,可以将甲酸生产成本降低到传统KL工艺的生产成本。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

CO2 Removal from Biogas by Water Washing System

CO2 removal from biogas by water washing system was investigated with various parameters, including liquid/gas ratio, pressure, temperature, and CO2 content. The results indicate that CO2 removal ratio...     

Covalent organic frameworks-incorporated thin film composite membranes prepared by interfacial polymerization for efficient CO2 separation

Thin film composite (TFC) membranes with nanofillers additives for CO₂ separation show promising applications in energy and environment-related fields. However, the poor compatibility between nanofillers and polymers in TFC membranes is the main problem. In this work, covalent organic frameworks (COFs, TpPa-1) with rich —NH— groups were incorporated into polyamide (PA) segment via in situ interfacial polymerization to prepare defect-free TFC membranes for CO₂/N₂ separation. The formed covalent bonds between TpPa-1 and PA strengthen the interaction between nanofillers and polymers, thereby enhancing compatibility. Besides, the incorporated COFs disturb the rigid structure of the PA layer, and provide fast CO₂ transfer channels. The incorporated COFs also increase the content of effective carriers, which enhances the CO₂ facilitated transport. Consequently, in CO₂/N₂ mixed gas separation test, the optimal TFC (TpPa_0.025-PIP-TMC/mPSf) membrane exhibits high CO₂ permeance of 854 GPU and high CO₂/N₂ selectivity of 148 at 0.15 MPa, CO₂ permeance of 456 GPU (gas permeation unit) and CO₂/N₂ selectivity of 92 at 0.5 MPa. In addition, the TpPa_0.025-PIP-TMC/mPSf membrane also achieves high permselectivty in CO₂/CH₄ mixed gas separation test. Finally, the optimal TFC membrane showes good stability in the simulated flue gas test, revealing the application potential for CO₂ capture from flue gas.     

离子液体中电化学还原CO2研究评述与展望

近百年来,伴随着矿石燃料的大量消耗,CO₂的排放量剧增,引发了全球性的生态环境和社会问题。CO₂同时也是廉价且可再生的碳资源,可作为生产醇、醚、酸、酯等重要化工品的原料。在众多吸引力十足的CO₂利用路线中,作为清洁、可控的反应过程,电化学还原固定CO₂技术在温和条件下生产化学品方面具有独特的优势。离子液体以其特有的性质被广泛用于电化学还原CO₂过程,本文对目前国内外离子液体介质中电化学还原CO₂的研究现状进行了综述,介绍了离子液体介质中电化学还原CO₂的主要反应及基本原理;针对离子液体对CO₂高效活化和转化等关键科学问题进行深入探讨,提出新型功能化离子液体的应用将成为CO₂电化学还原领域的发展方向和热点。     

Strategies for CO2 capture from different CO2 emission sources by vacuum swing adsorption technology☆

Different VSA(Vacuum Swing Adsorption) cycles and process schemes have been evaluated to find suitable process configurations for effectively separating CO2 from flue gases from different industrial sectors. The cycles were studied using an adsorption simulator developed in our research group, which has been successfully used to predict experimental results over several years. Commercial zeolite APGIII and granular activated carbon were used as the adsorbents. Three-bed VSA cycles with- and without-product purge and 2-stage VSA systems have been investigated. It was found that for a feed gas containing 15% CO2(representing flue gas from power plants), high CO2 purities and recoveries could be obtained using a three-bed zeolite APGIII VSA unit for one stage capture, but with more stringent conditions such as deeper vacuum pressures of 1–3 k Pa. 2-stage VSA process operated in series allowed us to use simple process steps and operate at more realistic vacuum pressures. With a vacuum pressure of 10 k Pa, final CO2 purity of 95.3% with a recovery of 98.2% were obtained at specific power consumption of 0.55 MJ·(kg CO2)-1from feed gas containing15% CO2. These numbers compare very well with those obtained from a single stage process operating at1 k Pa vacuum pressure. The feed CO2 concentration was very influential in determining the desorption pressure necessary to achieve high separation efficiency. For feed gases containing N 30% CO2, a singlestage VSA capture process operating at moderate vacuum pressure and without a product purge, can achieve very high product purities and recoveries.