聚丙烯中空纤维膜接触器脱除CO2及膜孔润湿影响分析的试验研究

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CO2是影响全球气候变暖最主要的温室气体,对于我国, CO2大部分来自燃煤电厂烟气排放。因此,从燃煤电厂烟气中捕获CO2是减少大气中CO2含量的有效方法。膜吸收技术是从燃煤电厂烟气中分离CO2的一种极有前途的方法,它克服了传统吸收方法的众多缺陷,具有广阔的应用前景。本文针对膜吸收法主要做了以下工作,并得出了一些结论。搭建聚丙烯中空纤维膜脱除CO2试验平台,进行聚丙烯中空纤维膜脱除CO2的试验研究,考察膜吸收技术脱除CO2的过程中,吸收液浓度、流速和模拟烟气流速对装置脱除CO2效果的影响。试验发现,对于选定的吸收液,浓度越高,CO2脱除率和传质速率越大,试验同时发现随着浓度的增大膜吸收装置中聚丙烯膜更易润湿,并影响膜吸收系统对烟气中CO2的分离。实际运用中,吸收液浓度过高,腐蚀性加大,对设备的要求更高,增大运行成本,因此需要根据具体情况综合考虑吸收液性质和设备性能选择经济合理的吸收液浓度。吸收液流速提高有利于液体扰动,使吸收液与CO2的反应产物随液体快速流走,气体和液体间CO2的浓度梯度增大,CO2吸收速率加快,从而使CO2脱除率和传质效率提高,吸收效果增强。随着模拟烟气流速的增加,吸收液对CO2脱除率降低,传质效率升高。主要是模拟烟气流速增加,在膜柱中的停留时间减少,模拟烟气中CO2不能及时与吸收液接触,使得CO2脱除率降低。在聚丙烯中空纤维膜试验平台上进行了考察膜孔润湿影响因素分析的试验,发现吸收液种类、浓度、流速和膜的烘干次数对膜孔润湿均有不同程度的影响。不同种类吸收液的脱除效率和传质效率均随着运行时间的延长而减小。36小时之内脱除率和传质效率下降平缓,36小时之后下降明显,说明膜已经润湿,润湿后膜装置的脱除率和传质效率趋于稳定。试验用四种吸收液与膜的兼容性各不相同,PG兼容性较好,膜开始润湿的时间较晚。MEA与膜的兼容性较差,膜较早润湿。MDEA兼容性介于前面两种吸收液之间,蒸馏水主要是物理吸收。从装置运行开始到膜润湿这36~42小时内蒸馏水、MEA、MDEA和PG对CO2的脱除率分别下降了60.05%,48.50%,59.44%和34.49%;从膜润湿开始到下一次测定数据这3个小时内,四种吸收液的脱除率分别下降了52.12%,41.28%,65.29%和23.78%,这说明膜孔润湿不利于CO2脱除,对CO2脱除效果影响明显,膜孔润湿后脱除率下降幅度较大。蒸馏水虽然能使膜较长正常运行,但是传质效率较低,是物理吸收,对CO2脱除效果不佳。在改性聚丙烯中空纤维膜试验平台上进行了考察改性聚丙烯中空纤维膜的润湿状况的实验。与未改性聚丙烯中空纤维膜比较,发现改性膜初始CO2的脱除率和传质效率均较未改性膜有一定程度的下降。这可能是改性膜的厚度增加,膜孔变小,孔隙率变小,膜的传质阻力增大的缘故。但是随着装置运行时间的延长可以发现,改性膜的抗润湿远远大于未改性膜,装置连续运行五天,在第四天改性膜仍然具有相对稳定的CO2脱除率和传质效率,之后CO2脱除率和传质效率急速下降,膜孔润湿。这说明膜改性后,膜孔表面粗糙度增加,吸收液与膜的接触角变大,膜的抗润湿性增强,膜的传质性能较少受到润湿的影响。改性膜受吸收液浓度和流速的影响也较未改性膜小,可以选择较高浓度和流速的吸收液,以提高CO2脱除率和传质效率。从长期运行的角度看,膜吸收系统利用改性膜脱除CO2的效果更好。
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