钾修饰镁铝水滑石富氢气体中温CO/CO2净化研究

《钾修饰镁铝水滑石富氢气体中温CO/CO2净化研究》提出了一种基于静态床的真实高压吸附动力学测试方法，探讨了钾修饰镁铝水滑石在300~450 °C，0.1~2.0 MPa下的吸附动力学；使用原位表征手段揭示了钾修饰镁铝水滑石的中温CO2吸附机理。搭建了综合考虑CO2吸附和WGS催化动力学、吸附塔的传质、动量传递和动态边界条件的复合系统模型。为了实现连续的制氢过程，搭建两段式中温变压吸附（ET-PSA）系统，实现了H2回收率和H2纯度的双高。将ET-PSA系统应用于整体煤气化燃料电池系统，估算得到净化能耗为1.11~1.13 MJ/kg。

第1章引言

1.1研究背景及意义

1.1.1化石燃料脱碳和制氢

1.1.2中温CO/CO2净化技术

1.1.3中温CO/CO2净化的工业应用

1.2国内外研究现状

1.2.1固体CO2吸附剂综述

1.2.2水滑石的合成和表征

1.2.3钾修饰镁铝水滑石吸附模型

1.2.4钾修饰镁铝水滑石吸附机理

1.2.5中温吸附法CO/CO2净化深度

1.2.6循环吸附/解吸工艺设计与优化

1.2.7系统能耗分析

1.2.8存在的主要问题

1.3研究思路与研究内容

1.3.1研究思路

1.3.2研究内容

第2章钾修饰镁铝水滑石高压吸附动力学及建模

2.1概述

2.2静态床高压动力学测试方法

2.2.1容积标定

2.2.2吸附动力学测试与计算

2.2.3对温度偏差的修正

2.2.4对CO2泄漏的修正

2.3高压吸附动力学测试结果

2.3.1钾修饰镁铝水滑石材料表征

2.3.2测试方法验证

2.3.3吸附压力和温度的影响

2.3.4真空条件下解吸性能

2.3.5高压循环稳定性

2.4高压吸附动力学建模

2.4.1建模方法

2.4.2动力学模型的标定与验证

2.4.3温度和压力的影响机制

2.5本章小结

第3章钾修饰镁铝水滑石吸附机理及吸附剂优化

3.1概述

3.2材料合成和表征方法

3.2.1样品合成方法

3.2.2材料表征方法

3.2.3CO2吸附性能评价方法

3.2.4CO2吸附机理原位测试方法

3.3K2CO3浸渍对镁铝水滑石CO2吸附的增强机理

3.3.1钾修饰镁铝水滑石材料表征

3.3.2钾修饰镁铝水滑石CO2吸附/解吸性能

3.3.3钾修饰镁铝水滑石CO2吸附原位红外表征

3.3.4K2CO3浸渍和Mg/Al值的协同机理

3.4有机溶剂洗涤法制备高性能水滑石吸附剂

3.4.1有机溶剂洗涤法

3.4.2AMOST对水滑石材料形貌的影响

3.4.3AMOST对CO2吸附性能的影响

3.5本章小结

第4章催化剂/吸附剂复合系统单塔建模和验证

4.1概述

4.2CO2吸附热力学平衡浓度计算和降低

4.3吸附单塔CO2深度净化分析

4.3.1固定床测试系统

4.3.2基准工况下的净化效率

4.3.3解吸条件的影响

4.3.4蒸汽解吸的影响

4.3.5高压的影响

4.3.6CO/CO2深度净化循环的设计

4.4复合单塔CO/CO2深度净化分析

4.4.1实验方法及参数定义

4.4.2基准工况下的净化效率

4.4.3循环性能表征

4.4.4入口气体CO浓度的影响

4.4.5入口气体水气比的影响

4.4.6单塔总压和温度的影响

4.4.7H2作为平衡气时的净化效率

4.5复合单塔建模

4.5.1建模方法

4.5.2CO，CO2和H2突破曲线拟合

4.5.3复合单塔轴向CO和CO2浓度分析

4.5.4有效CO2吸附量预测

4.6本章小结

第5章中温变压吸附(ETPSA)系统建模

5.1本章引论

5.2双塔ETPSA建模及用于脱碳气中温CO/CO2净化

5.2.1建模方法及参数定义

5.2.2基准工况下的净化效率

5.2.3操作参数的影响

5.2.4ETPSA优化运行区域

5.3两段ETPSA建模及用于变换气中温CO/CO2净化

5.3.1建模方法

5.3.2第一段8塔ETPSA净化效率

5.3.3第二段2塔ETPSA净化效率

5.3.4两段ETPSA净化效率

5.4本章小结

第6章中温CO/CO2净化能耗分析和工艺优化

6.1本章引论

6.2IGFC系统建模及参数定义

6.3采用Selexol法的IGFC系统

6.3.1IGFC_Selexol系统建模

6.3.2Selexol法净化能耗计算

6.4采用ETPSA法的IGFC系统

6.4.1IGFC_ETPSA系统建模

6.4.2ETPSA法净化能耗计算

6.4.3参数优化对ETPSA净化能耗的影响

6.5本章小结

第7章总结与展望

7.1总结

7.2创新点

7.3展望

参考文献

附录A第3章补充图表

附录B第5章补充图表

附录CIGFC系统建模细节

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢

作者：朱炫灿

定价：99元

印次：1-1

印刷日期：2021.06.03

高温CO2吸附材料在吸附增强型产氢反应过程中具有重要应用，不但能提高燃料的转化率、降低整个工艺的能耗，还能捕集CO2，避免其排放到大气中且为后续CO2存储和转化提供保障。本课题拟利用有机阴离子插层和剥离-杂化两种方法对类水滑石进行结构调控，系统研究有机阴离子的碳链长度和碳链结构，以及杂化材料（如石墨烯、碳材料、钛酸盐、硅酸盐等）的物理化学特性、表面电荷密度、及类水滑石和杂化材料的结合方式等因素对CO2吸附性能的影响规律；构建出吸附性能更高、热稳定性和循环使用性更强的类水滑石基高温CO2吸附材料；优化吸附材料在吸附增强型水气转换反应工况下的运行参数；探究CO2在吸附材料表面的吸-脱附动力学和吸附机制。本项目的最终目标是开发具有我国自主知识产权的、高效稳定的高温CO2吸附材料，推动CO2减排，为实现我国社会经济可持续发展和营造良好的国际环境提供技术支撑。

CO2作为一种主要的温室气体其捕获一直是研究的热点。本课题系统研究了一系列不同碳链长度和碳链结构的有机离子插层Mg3Al1 LDH对CO2吸附性能的影响规律，并构建了类水滑石/碳材料（氧化石墨烯/碳纳米管）复合材料，对其合成条件、吸附CO2性能、吸附条件、热稳定性、循环使用性能、和吸附机理等做了系统深入研究。通过材料设计成功制备出不同碳链长度的一元和二元线性羧酸根及含苯环有机阴离子插层的Mg3Al1 LDH，通过系统探究发现了长碳链的羧酸根插层Mg3Al1 LDH有着较好的CO2吸附性能，直链结构的羧酸根比含苯环有机阴离子插层Mg3Al1 LDH的 CO2吸附性能好。其中，长碳链、直链结构的棕榈酸根插层的Mg3Al1 LDH（LDH-C16）为吸附量最优材料，吸附量达到0.91 mmol g-1。通过调控LDH-C16的镁铝比例及负载三元碱金属硝酸盐（LiNO3、NaNO3、KNO3）对其进行改性。研究表明，Mg20Al1-C16 LDH负载55 mol% 碱金属硝酸盐能将吸附量提高至3.21 mmol g-1，该材料表现出高CO2吸附性能和良好的循环稳定性，这种新型的CO2吸附剂在SWEGS反应中具有良好的应用前景。系统研究了LDH二维纳米单层的制备方法，采用层层剥离的方法制备了四种类水滑石纳米单层（LDH-NS），在对LDH-NS表征过程中，开发了一种简单，方便，可靠的证明LDH是否在甲酰胺中被剥离的方法—凝胶XRD法。另外还证明了LDH剥离液的浊度与被剥离程度没有必然的联系。采用静电自组装法合成了四种类水滑石/氧化石墨烯（LDH-NS/GO）复合材料；通过测定四种复合材料的吸附CO2性能，确定了每种复合材料的最佳合成条件，确定了复合材料的结构、形貌以及复合形式，解析了其提高吸附CO2效果的原因；分别采用静电自组装法和共沉淀法合成了三种不同类水滑石/氧化碳纳米管（LDH/OCNT）复合材料，通过探究其吸附CO2性能，确定了最佳复合比例。最后，本课题对LDH的吸附位点及吸附机理做了进一步探究，通过XRD和固体核磁表征提出了由于方镁石中的Mg被Al替代或者八面体水镁石中Al原子的空缺导致活性物质Mg-O键的出现可能是吸附过程的主要机理。