co2吸收净化系统的设计及三维模拟毕业设计论文(编辑修改稿)

co2吸收净化系统的设计及三维模拟毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

果不采取有效措施控制温室气体排放，那么人类的发展将因此而受到极大影响。 我国 CO2的排放量仅次于美国，居全球第二。 导致这种状况的主要原因是我国能源资源的不均衡及消费结构的不合理，煤炭资源约占我国资源总量的 75%左右，煤炭消费占能源消费总量的 65%以上，而且以煤炭为主的能源消费结构短期内很难改变，加上我国的人口总数仍将继续增长，因此能源消费和温室气体排放的增长不可避免，能源供应和能源环境问题仍将是制约我国经济发展的突出问题之 一。 由于人口、资源和环境的限制，我国的经济发展必须走低资源消耗、低能耗、低碳经济的发展道路，把节能减排与可再生能源的发展结合起来，大力发展高效、节能、清洁技术，依靠科技创新走低碳经济之路，大幅降低温室气体的排放，为我国经济的协调可持续发展提供保障 [5]。 作为发展中国家，我国在温室气体减排上付出了实际行动，成立了应对控制温室气体排放的相关机构，制定了节能减排、应对气候变化的一系列政策。 我们相信，只要全人类共同努力，减少温室气体排放，缓解全球气候变化的目标是可以实现的。 二氧化碳主要来源 CO2 被许 多人认为是温室效应的元凶，是一种有害的废气，人为二氧化碳排放的主要来源是能源生产和交通运输中的化石燃料燃烧。 土地用途的改变和森林采伐也释放更多 CO2到环境。 1. 发电：多数电厂使用的能源为化石燃料，使用化石燃料发电所排放的 CO2，约占全球排放量的 36%。 2. 运输：运输工具使用化石燃料所排放的 CO2约占全球排放量的 24%，以汽车为主要来源。 3. 工业：若不包括电力的使用，工业在全球 CO2排放量中约占 18%。 未来，随着开发中国家的经济成长， CO2的排放量会大幅提升。 CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟 4 4. 建筑物：建筑物使用电力和燃料来 产生冷暖气、照明和动力，其中住宅CO2排放量约占全球的 8%。 5. 森林：根据联合国粮农组织报告显示，在 1980 年代砍伐掉的森林，所减少对大气中 CO2的吸存能力，约占人为碳排放总量的四分之一。 6. 呼吸作用：动植物的呼吸作用都会产生 CO2。 其中，在所有排放 CO2的行业中，电力工业是排放量最多的行业之一。 减少电力工业 CO2排放对控制总排放量的减少具有特殊的重要意义。 二氧化碳的应用 CO2 是很好的资源，是植物进行光和作用的必须原料，在工业、农业、化工等领域有很广泛的应用 [6]。 1. 为农业提供服 务 作为一种廉价的原料 CO2在农业上可用于蔬菜、瓜果的保鲜贮藏，在现代化仓库里常充入 CO2，用 CO2贮藏的食品由于缺氧和 CO2本身的抑制作用， 可有效地防止食品中细菌、霉菌、虫子生长，避免变质和有害健康的过氧化物产生，并能保鲜和维持食品原有的风味和营养成分， CO2不会造成谷物中药物残留和大气污染。 用 CO2通入大米仓库 24h，能使 99%的虫子死亡，延长了粮食和蔬菜的保存期。 把 CO2引入蔬菜温室直接施用 CO2作肥料，利用植物根部吸收 CO2，可以增进植物的光合作用，能增加蔬菜的生长速度，缩短其生长周期，促进农作物 生长，增加产量，提高温室的经济效益。 固态的 CO2即 “ 干冰 ” ，主要用作致冷剂，用飞机在高空喷撒 “ 干冰 ” ，可以使空气中水蒸气冷凝，形成人工降雨，能解决久旱无雨，庄稼失收的问题。 2. 为工业服务 在轻工业上，生产碳酸饮料、啤酒、汽水等都需要 CO2。 除此还可以用于有机合成各种化工原料，除了成熟的化工利用以外也可以生产甲醛、加氢合成二甲醚、或者利用环氧丙烷、 CO2和甲醇催化合成碳酸二甲酯等，现在又研究成功了许多新的工艺方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然气、乙烯、丙烯等低级烃类， 合成甲醇、壬醇、草酸及其衍生物、 丙酯及芳烃的烷基化，合成高分子单体及进行二元或三元共聚，制成了一系列高分子材料等，另外，利用 CO2代替传统的农药作杀虫剂，也在研究之中。 在工业上 CO2是很好的致冷剂。 它不仅冷却速度快，操作性能好，不浸湿产品， 不会造成二次污染，而且投资少，人力省。 利用 CO2保护电弧焊接，既可避免金属表面氧化，又提高焊接速度。 CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟 5 3. 其他用途 （ 1） 用于医疗：人体呼吸的有效刺激因素，它通过对人体外化学感受器的刺激，兴奋呼吸中抠。 如果一个人长时间吸入纯氧，体内 CO2浓度过低，可导致呼吸停止。 因此，临床上把 5% CO2与 95%氧气的混合气体应用于一氧化碳中毒、溺水、休克、碱中毒的治疗和麻醉上的应用。 （ 2） 用于实验室：在实验室里， “ 干冰 ” 与乙醚等易挥发液体混合，可以提供 77176。 C 左右的低温浴；同时国外普遍利用 CO2进行食品、饮料、油料、香料、药物等加工萃取。 （ 3） 用于地下开采： CO2作为油田注入剂，可有效地驱油和提高石油的采油率；也可用于注入地下难于开采的煤层，使煤层气化，获得化工所需的合成气体等。 因此如何吸收净化 CO2以及对其进行综合利用是现如今广大环境科技工作者面临的重要课题。 二氧化碳的吸收方法 CO2 的处理技 术一般分可为从大气中分离固定和从燃放气中分离回收两大类。 现阶段，从大气中分离固定 CO2技术主要有生物法，而从燃放气中分离回收CO2技术主要有物理法、化学法和物理 化学法等。 物理法 物理法包括物理溶剂吸收法、膜分离法、低温蒸馏法和吸附法。 物理吸收法 采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作为吸收剂，利用 CO2在这些溶剂中的溶解度随压力而变化的原理来吸收的方法 [7]。 1. 水洗法应用最早，具有流程简单、运行可靠、溶剂水廉价易得等优点，但其设备庞大、电耗高、产品纯度低并造成污染等特点，一般不采 用。 2. 低温甲醇法应用较早，具有流程简单、运行可靠外，能耗比水洗法低，产品纯度较高，但是为获得吸收操作所需低温需设置制冷系统，设备材料需用低温钢材，因此装置投资较高。 3. 碳酸丙烯酯法 （ 简称 PC法 ） 是近年来中小型氨厂常用脱碳和回收 CO2的方法。 它具有溶液无毒、浓溶液对碳钢腐蚀性小，能耗比甲醇法低等优点，缺点是 PC 溶剂循环量大，造成溶剂损耗大，操作费用较高。 CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟 6 典型的物理吸收法有环丁砜法、 N甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法（ Selexol 法 ） 、低温甲醇法 （ Rectisol 法 ） 、碳酸丙烯酯法 （ Flour 法 ） 等。 其关键在于吸收剂的选择，要求吸收剂必须对 CO2的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性以及性能稳定 [8]。 1. 环丁砜法：由环丁砜一、二异丙醇胺水组成的溶液作为吸收剂，溶液的吸收压力从稍高于大气压至 7MPa，净化气中 CO2含量可降低至 50mg/m3以下，可用于脱除变换气中的 CO2。 2. N甲基吡咯烷酮法：用 N2甲基吡咯烷酮作为溶剂，吸收压力一般为～ 7MPa，该法可选择脱除硫化氢，用于从高压天然气或合成气中除去大量 CO2。 3. Selexol 法：用聚乙烯乙二醇二甲酯 （ DEPG） 为吸 收剂，操作温度为 261K。 4. Rectisol 法：以冷甲醇为吸收溶剂，操作温度 211～ 272K，压力 214～810MPa， 该工艺气体净化度高、选择性好，气体的脱硫和脱碳可在同一塔内分段、选择性进行，被广泛应用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成和天然气脱硫等气体净化装置中。 5. Flour 法：用碳酸丙烯酯为吸收剂，吸收压力一般在 以上，净化气中 CO2含量小于 1%，该法可同时脱除 H2S，可用于脱除天然气及变换气的 CO2。 以 Selexol 法为例， Selexol 法的溶剂由美国 Norton 公司开发， 一些商业应用的数据尚没有公开，方法在化工行业已得到了多年的应用。 所使用的吸收剂具有无毒、热稳定性好、不分解及无腐蚀性等特点，整体设备采用碳钢设备，由于此吸收剂蒸汽压极低，因此挥发损失少。 此法之操作条件为吸收温度 5～ 0176。 C ，CO2 回收率可达 95%。 其主要缺点是工艺流程庞大，而且吸收过程中吸收剂蒸汽压较高，致使其溶剂损失较大。 工艺流程如图 11所示。 物理吸收法的优点是吸收能力强，吸收剂用量少，吸收剂的再生不需要加热，通过降压即可实现，因此所需再生能量相当少，溶剂不起泡，不易腐蚀设备；但由于 CO2在溶剂中的溶 解服从亨利定律，因此这种方法只适用于 CO2分压较高的条件，而且 CO2的去除程度不高，成本相对也较高。 CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟 7 图 11 Selexol法脱 CO2工艺流程 [9] 膜分离法 膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜，对不同气体的渗透率不同来分离气体的。 膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，驱动力是压差，当混合气体与膜接触，膜两边存在压力时，渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流， 渗透率低的气体则被选择性的拦截，绝大部分在薄膜进气一侧形成残留气流，两股气流分别引出，从而使混合气体的不同组分 被分离，这种分离是分子级的分离。 膜分离技术受到世界各技术先进国家的高度重视，近三十年来，美国、加拿大、日本和欧洲国家，一直把膜技术定位为高新技术，投入大量资金和人力，促进膜技术迅速发展 , 使用范围日益扩大，为许多行业高质量地解决了分离、浓缩和纯化的问题，为循环经济、清洁生产提供依托技术 [8]。 膜分离法包括分离膜和吸收膜两种类型。 分离膜和吸收膜如图 12所示。 图 12 分离膜和吸收膜 [10] 使用薄膜法处理含大量 CO2废气时，无论使用哪类薄膜，除要对 CO2具有高CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟 8 选择性外， CO2透过率亦需越高越好，只 是排放气中主要成分氮气和 CO2的分子大小十分接近，高选择性和高渗透率不易同时实现。 工业上用于 CO2分离的膜材质主要有：醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚砜等，近年来一些性能优异的新型膜材质正不断涌现，如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜复合膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等，均表现出优异的 CO2渗透性。 膜分离法 工艺流程如图 13所示。 图 13 膜分离法工艺流程 [11] 膜分离法工艺的特点：膜分离法具有一次性投资较少、设备紧凑、占地面积小、能耗低、工艺简单操作方便等优点，是应用前景 良好的 CO2气体分离方法，但膜分离法的缺点是需要前级处理、脱水和过滤，且难以得到高纯度的 CO2。 低温蒸馏法 低温蒸馏法利用天然 CO2气源中主要组份甲烷和 CO2间沸点的差异， 以蒸馏方法将 CO2分离出来，主要应用于一些富含 60%～ 90% 的天然 CO2气源中回收 CO2，供二次采油用。 因此，此法具有一定的局限性 [7]。 低温蒸馏法工艺流程图如图 14所示。 图 14 低温蒸馏法工艺流程 CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟 9 吸附法 吸附法是采用固体吸附剂吸附混合气中的 CO2，其原理是根据 CO2 分子空间结构、分子极性等性质，选 取对混合气体中 CO2组分有强于其他组分吸附力的吸附剂，由于混合气体中各组分分子与吸附剂表面活性点的引力具有差异， 当混合气体在一定压力下通过吸附床所载的吸附剂时，吸附剂对 CO2进行选择性吸收，进而实现对二氧化碳气体的分离、回收 [6]。 吸附法主要包括变压吸附法 （ PSA） 和变温吸附法 （ TSA）。 以变压吸附法 （ PSA） 为例： 变压吸附技术利用吸附剂对混合气体中的不同组分具有不同吸附容量的特性， 在较高压力下选择吸附混合气体中的 CO2，然后通过减压的方式使 CO2解吸出来，从而实现 CO2的分离与提纯。 变压吸附 法流程如图 15 所示。 图 15 变压吸附法流程图 [11] 现阶段，变压吸附法发展较为迅速，大型工业化吸附装置已投入使用，其CO2 分离效率可达 99%以上。 在化肥、石化等工业中的应用极其广泛。 在国内，西南化工研究院技术力量雄厚，在变压吸附研究、开发、设计、安装方面，处于领先地位。 吸附法特点：吸附法原料适应性广，无设备腐蚀和环境污染，工艺简单，压力适应范围广 （ ～ ） ，产品纯度高，调节能力强，但解吸频繁，需要大量吸附剂，对自动化程度要求高，更适用于 CO2浓度在 20%～ 80%的工业气体，而且需要预处理烟气中的水和颗粒物，以免吸附剂吸附效果降低。 CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟 10 物理 化学法 目前，物理 化学法主要有 CO2 分解法。 该法是借助高能射线或电子射线等放射线，对排出的含有大量 CO2的燃放气进行辐射，使其中的 CO2分解为一氧化碳和氧气，一氧化碳在经过高能辐射，转而生成 C3O2 和 O2，其反应方程式为： 一次辐射： CO2 →CO + 1/2O 2； 二次辐射： 3CO →C 3O2+ 1/2O2 和 3CO2 →C 3O2 + 2O2。 这种方法，尚处于基础研究阶段，要实现工业化，还有大量技术问题需要解决。 化学法 化学法分离处理 CO2主要包括碳氢化合物转化法及化学吸收法等。 1. 碳氢化合物转化法 碳氢化合物转化法 [11]：碳氢化合物转化法是在催化剂作用下，将 CO2转化为甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。 日本东北电力公。