陶瓷膜及吸附劑在高溫氣體分離和CO2捕集中的應(yīng)用.pdf

1、本論文針對(duì)與三條二氧化碳捕集技術(shù)路線(即燃燒后脫碳、燃燒前脫碳和富氧燃燒技術(shù))相關(guān)的兩類氣體,即CO2和O2,的分離和富集展開研究。選用致密離子導(dǎo)體膜和陶瓷吸附劑作為分離載體。
　　 第二章建立了一個(gè)分析CO2／O2滲透通過包含混合電子-離子傳導(dǎo)氧化物陶瓷(MCOC)相和熔融碳酸鹽(MC)相的雙相膜模型。并推導(dǎo)出了描述一些特殊情況下純CO2的滲透模型。結(jié)果顯示,當(dāng)CO2和O2一起滲透時(shí),CO2的滲透通量比相應(yīng)的純CO2滲透時(shí)的大

2、一個(gè)數(shù)量級(jí)。CO2和O2的滲透通量都隨著反應(yīng)側(cè)O2分壓和MCOC相的電子電導(dǎo)率(σh·)的增大而增大。當(dāng)MCOC相的電子電導(dǎo)率很小時(shí),例如σh≤0.1 S／cm,CO2的滲透通量隨著MCOC相的離子電導(dǎo)率增大而增大；而當(dāng)MCOC相的電子電導(dǎo)率很大時(shí),例如σh·>1 S／cm,CO2的滲透通量隨著MCOC相的離子電導(dǎo)率增大而減小。對(duì)于純韻CO2滲透過程,CO2的滲透通量隨著MCOC相的離子電導(dǎo)率增大而增大,隨著MC相的體積分?jǐn)?shù)的增加而減小

3、。規(guī)則的陶瓷載體的孔結(jié)構(gòu)有利于CO2和O2的滲透。
　　 第三章利用直接浸潤(rùn)法合成了致密的Bi1.5V0.3Sm0.2O3(BYS)-MC雙相膜,并將其用于高溫CO2的選擇性滲透分離。由于氧離子的傳導(dǎo)相中的斜方六面體結(jié)構(gòu)和立方螢石結(jié)構(gòu)之間的可逆相變,在高溫CO2滲透實(shí)驗(yàn)的初始階段,需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲透。CO2在雙相膜中的滲透通量隨著溫度的升高而增大(500—650℃),其滲透活化能是113.4 kJ／mol。CO2的滲透

4、通量隨著吹掃氣流速的增大而增大(25-125 mL／min)。
　　 第四章推導(dǎo)了一個(gè)一維致密透氧膜反應(yīng)器模型,并用其對(duì)膜反應(yīng)器中甲烷部分氧化反應(yīng)(POM)制合成氣的過程進(jìn)行了模擬。采用了燃燒-重整機(jī)理描述POM,并且考慮了重整產(chǎn)物H2和CO的氧化。結(jié)果表明:考慮重整產(chǎn)物氧化反應(yīng)的模型比忽視產(chǎn)物氧化反應(yīng)的模型更合理。如果在反應(yīng)器中甲烷完全消耗,則將發(fā)生飛溫。選定反應(yīng)器進(jìn)料溫度作為主要參考指標(biāo)考察反應(yīng)器的各種操作性能和這種現(xiàn)象的關(guān)

5、系,并且定義了臨界進(jìn)料溫度(BIT)概念。模擬結(jié)果顯示,當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)料溫度接近BIT時(shí),可以獲得最佳的膜反應(yīng)器操作性能。
　　 第五章利用模型分析了反應(yīng)條件下離子或混合傳導(dǎo)陶瓷膜的氧滲透性能。該模型考慮了不同的氧傳輸傳導(dǎo)機(jī)理,例如p型或者n型傳輸膜,以及不同的化學(xué)反應(yīng)速率。結(jié)果表明,無(wú)論對(duì)p或n型傳導(dǎo)機(jī)理膜來(lái)說,當(dāng)膜一側(cè)有氧消耗反應(yīng)發(fā)生時(shí),反應(yīng)側(cè)氧分壓隨反應(yīng)速率的增快而降低,而氧滲透通量隨之增大。這些變化介于沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生和反應(yīng)

6、達(dá)到平衡這兩種極限情況之間,并在反應(yīng)速率極慢或者極快時(shí)接近于這兩種極限情況。反應(yīng)速率的增快能導(dǎo)致p型膜的氧傳輸機(jī)理從p向n型轉(zhuǎn)變,而這種轉(zhuǎn)變能使氧滲透通量增大近30倍。
　　 第六章利用檸檬酸鹽法制備鈣鈦礦結(jié)構(gòu)SrCo0.8Fe0.2O3-δ(SCF),并利用其制備用于富氧燃燒過程中需要的高溫O2-CO2氣體混合物。當(dāng)吸附劑在高溫條件下暴露于CO2氣體流時(shí),氧氣將會(huì)從吸附劑內(nèi)脫附出來(lái),得到一個(gè)富含氧氣的高溫CO2氣體流。當(dāng)SCF