DOC《南京林业大学》

南京林业大学 本科毕业设计(论文) 题目:沼气中二氧化碳的 捕集工艺分析 学院: 机械电子工程学院 专业:过程装备与控制工程 学号:

070305222 学生姓名: 叶聃薇 指导教师: 华洁 职称: 讲师 二O一一 年五月三十日 摘要 气候变化已经对人类的生活活动造成严重影响.

二氧化碳的过度排放致使全球温室效应不断加剧.导致大气中二氧化碳浓度大幅度上升的主要原因是化石燃料的大量燃烧,打破了自然界的原有平衡.沼气是一种清洁的可再生能源.沼气中主要含有甲烷和二氧化碳,其中甲烷是主要的可燃气体. 本文介绍了一些常用的二氧化碳分离方法和捕集方法.比较分析各类二氧化碳分离方法的优点,采用变压吸附法分离沼气中的二氧化碳.对三塔变压吸附装置进行研究分析,制作Flash演示动画.变压吸附的原理是气体分子受到分子间的范德华力作用在吸附剂表面富集.吸附剂对于气体的平衡吸附量主要由吸附塔的压差决定.在变压吸附过程中,吸附剂的再生是通过降压抽真空使吸附剂表面解吸出吸附质分子得以实现的. 关键词:二氧化碳;

变压吸附;

捕集;

Abstract The weather changes have a great effect on human'

s life. The excessive emissions of carbon dioxide cause the green house effect severely. The reason why the contents of carbon dioxide become large in the atmosphere is a great deal of combustion of fossil fuel, which broke the original balance of nature. Methane is a kind of regenerate sources. Methane contains methane and carbon dioxide, and methane is a combustible gas. This text introduced some methods of separating methane and carbon dioxide mixture and some capture measure. Compare these methods of separating methane and carbon dioxide, and then choose pressure swing adsorption as separating method to separate carbon dioxide from methane. Research and analyze the three tower pressure swing adsorption device, and design Flash cartoon. The principle of pressure swing adsorption is that gas molecule is subjected of the force then gathering on the surface of adsorbent. The adsorption content of adsorbent for carbon dioxide is determined by pressure difference. In the pressure swing adsorption process, the regeneration of adsorbent is through lower pressure causing the adsorbent surface resolve the carbon dioxide. Keywords: carbon dioxide;

pressure swing adsorption;

capture;

目录 前言

2 1. 二氧化碳的捕集与封存

3 1.1 二氧化碳捕集技术

3 1.1.1 燃烧后脱碳

3 1.1.2 燃烧前脱碳

3 1.1.3 富氧燃烧

4 1.1.4 化学链燃烧

5 1.2 二氧化碳的封存

6 1.2.1 地质封存

6 1.2.2 海洋封存

6 2. 二氧化碳的分离方法

8 2.1 吸收分离法

8 2.1.1 物理吸收法

8 2.1.2 化学吸收法

9 2.2 吸附分离法

11 2.3 低温分离法

12 2.4 膜分离法

13 3. 变压吸附分离工艺

15 3.1 吸附剂的分类

15 3.1.1 活性炭

15 3.1.2 沸石分子筛

16 3.1.3 硅胶

17 3.2 变压吸附平衡

17 3.3 变压吸附分离过程

20 3.3.1 变压吸附流程

21 3.3.2 吸附剂的再生

23 5. 结论与展望

28 致谢

29 参考文献.30 前言 随着几次工业革命的推动,人类社会的物质文明有了飞速发展.但是,上个世纪的两次石油危机给人们敲响了警钟,目前已探明的煤、石油、天然气等矿物燃料只够人类使用100年左右,这迫使我们去寻找其他替代能源.在能源危机和环境问题的双重影响下,许多国家相继开发并利用垃圾填埋场的沼气作为能源.沼气是有机物质在厌氧的环境中,在一定温度、水分和隔绝空气条件下,经微生物发酵作用而产生的一种可燃气体,最早是在沼泽地中发现的,因此称为沼气.沼气是含有多种气体成分的混合气,主要成分是甲烷,约占总体积的50%一60%,其次是二氧化碳,约占总体积的30%一40%,此外,还含有少量的氮气、氢气和硫化氢.沼气在自然界分布很广,而且通过利用秸秆等进行厌氧发酵可以产生沼气.沼气中的甲烷可以作为清洁能源替代石油、天然气等,因此,在此之前,要将甲烷与二氧化碳进行分离.此外,众所周知,大气中二氧化碳浓度的升高,产生了温室效应,使全球变暖,尤其是近年来,这种温室效应越发严重.所以,我们不仅要分离二氧化碳,而且要将这二氧化碳转化为我们可以利用的新资源,同时达到减少二氧化碳的效果. 为了对CH4/CO2混合气进行很好的分离,并且得到纯度较高的甲烷气体,本文主要研究的是通过运用变压吸附技术(PSA)分离甲烷与二氧化碳.变压吸附技术[]是近几十年来在工业上新崛起的气体分离技术,其原理是利用吸附剂对吸附质在不同分压下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力,并且在一定压力下对被分离的气体混合物的各组分有选择吸附的特性,加压除去原料气中的杂质组分,减压脱附这些杂质而使吸附剂再生.自上世纪70年代以来,变压吸附法已在化工分离技术中占据了重要地位,其主要特点是:循环时间短,常温操作、能耗低、易于自动控制、可获得高纯度产品.由于新型高效吸附剂不断产生,工艺逐渐得到改进,变压吸附的应用领域还在不断拓展,处理规模也在日益扩大,现已成为一种成熟的多组分混合气体分离. 本文主要研究将二氧化碳从沼气中分离这一过程,再将其捕集用于其它工业生产和农业生产中.二氧化碳是植物光合作用的重要物质之一,将二氧化碳作为气肥可以使农作物增产.此外,二氧化碳可以作为化肥、纯碱和食品工业的重要原料.世界各国普遍运用合成氨工业中的变换气中的二氧化碳生产尿素.纯碱与碳酸饮料的生产也需要以二氧化碳为原料.二氧化碳的国内需求也有增长趋势,国内已有几百家酒精厂、啤酒厂安装了CO2回收装置,百余家大、中、小型氮肥厂生产液体二氧化碳和干冰供应市场. 1. 二氧化碳的捕集与封存 1.1 二氧化碳捕集技术 依据捕获系统的技术基础和适用性,通常将二氧化碳的捕集系统分为下列4种:燃烧后脱碳(post-combustion)、燃烧前脱碳(pre-combustion)、富氧燃烧技术(oxyfule)、化学链燃烧技术(CLC). 1.1.1 燃烧后脱碳 燃烧后脱碳是指采用适当的方法在燃烧设备的排出口对排出的烟气脱除二氧化碳的过程.这种技术的主要优点是适用范围光,系统原理简单,适用于电厂.但是捕集系统中烟气的体积流量很大,CO2的分压小,因而脱碳过程的能耗较大,设备的投资和运行成本也高,因而在二氧化碳的捕集成本高,经济性低. 燃烧后脱碳系统[]较为复杂,需要在燃烧系统(如电厂的锅炉)上的烟气通道上安装二氧化碳分离装置.除此之外,还要进行脱硫、除尘等措施,以保证二氧化碳的纯度.在最后,将吸附剂表面的吸附的二氧化碳解析出来,装入二氧化碳储罐中.燃烧后脱碳系统的流程见图1. 图1 燃烧后脱碳系统 1.1.2 燃烧前脱碳 燃烧前脱碳[],是指将含碳燃料经过反应,制取的到氢气和二氧化碳,然后将这两种气体进行分离,从而达到脱除二氧化碳的目的.燃烧前脱碳的系统图如图2. 图2 燃烧前脱碳系统 目前燃烧前脱碳技术主要有三个步骤: