作者：朱炫燦

定價：99元

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印刷日期：2021.06.03

《鉀修飾鎂鋁水滑石富氫氣體中溫CO/CO2凈化研究》提出了一種基于靜態床的真實高壓吸附動力學測試方法，探討了鉀修飾鎂鋁水滑石在300~450 °C，0.1~2.0 MPa下的吸附動力學；使用原位表征手段揭示了鉀修飾鎂鋁水滑石的中溫CO2吸附機理。搭建了綜合考慮CO2吸附和WGS催化動力學、吸附塔的傳質、動量傳遞和動態邊界條件的復合系統模型。為了實現連續的制氫過程，搭建兩段式中溫變壓吸附（ET-PSA）系統，實現了H2回收率和H2純度的雙高。將ET-PSA系統應用于整體煤氣化燃料電池系統，估算得到凈化能耗為1.11~1.13 MJ/kg。

第1章引言

1.1研究背景及意義

1.1.1化石燃料脫碳和制氫

1.1.2中溫CO/CO2凈化技術

1.1.3中溫CO/CO2凈化的工業應用

1.2國內外研究現狀

1.2.1固體CO2吸附劑綜述

1.2.2水滑石的合成和表征

1.2.3鉀修飾鎂鋁水滑石吸附模型

1.2.4鉀修飾鎂鋁水滑石吸附機理

1.2.5中溫吸附法CO/CO2凈化深度

1.2.6循環吸附/解吸工藝設計與優化

1.2.7系統能耗分析

1.2.8存在的主要問題

1.3研究思路與研究內容

1.3.1研究思路

1.3.2研究內容

第2章鉀修飾鎂鋁水滑石高壓吸附動力學及建模

2.1概述

2.2靜態床高壓動力學測試方法

2.2.1容積標定

2.2.2吸附動力學測試與計算

2.2.3對溫度偏差的修正

2.2.4對CO2泄漏的修正

2.3高壓吸附動力學測試結果

2.3.1鉀修飾鎂鋁水滑石材料表征

2.3.2測試方法驗證

2.3.3吸附壓力和溫度的影響

2.3.4真空條件下解吸性能

2.3.5高壓循環穩定性

2.4高壓吸附動力學建模

2.4.1建模方法

2.4.2動力學模型的標定與驗證

2.4.3溫度和壓力的影響機制

2.5本章小結

第3章鉀修飾鎂鋁水滑石吸附機理及吸附劑優化

3.1概述

3.2材料合成和表征方法

3.2.1樣品合成方法

3.2.2材料表征方法

3.2.3CO2吸附性能評價方法

3.2.4CO2吸附機理原位測試方法

3.3K2CO3浸漬對鎂鋁水滑石CO2吸附的增強機理

3.3.1鉀修飾鎂鋁水滑石材料表征

3.3.2鉀修飾鎂鋁水滑石CO2吸附/解吸性能

3.3.3鉀修飾鎂鋁水滑石CO2吸附原位紅外表征

3.3.4K2CO3浸漬和Mg/Al值的協同機理

3.4有機溶劑洗滌法制備高性能水滑石吸附劑

3.4.1有機溶劑洗滌法

3.4.2AMOST對水滑石材料形貌的影響

3.4.3AMOST對CO2吸附性能的影響

3.5本章小結

第4章催化劑/吸附劑復合系統單塔建模和驗證

4.1概述

4.2CO2吸附熱力學平衡濃度計算和降低

4.3吸附單塔CO2深度凈化分析

4.3.1固定床測試系統

4.3.2基準工況下的凈化效率

4.3.3解吸條件的影響

4.3.4蒸汽解吸的影響

4.3.5高壓的影響

4.3.6CO/CO2深度凈化循環的設計

4.4復合單塔CO/CO2深度凈化分析

4.4.1實驗方法及參數定義

4.4.2基準工況下的凈化效率

4.4.3循環性能表征

4.4.4入口氣體CO濃度的影響

4.4.5入口氣體水氣比的影響

4.4.6單塔總壓和溫度的影響

4.4.7H2作為平衡氣時的凈化效率

4.5復合單塔建模

4.5.1建模方法

4.5.2CO，CO2和H2突破曲線擬合

4.5.3復合單塔軸向CO和CO2濃度分析

4.5.4有效CO2吸附量預測

4.6本章小結

第5章中溫變壓吸附(ETPSA)系統建模

5.1本章引論

5.2雙塔ETPSA建模及用于脫碳氣中溫CO/CO2凈化

5.2.1建模方法及參數定義

5.2.2基準工況下的凈化效率

5.2.3操作參數的影響

5.2.4ETPSA優化運行區域

5.3兩段ETPSA建模及用于變換氣中溫CO/CO2凈化

5.3.1建模方法

5.3.2第一段8塔ETPSA凈化效率

5.3.3第二段2塔ETPSA凈化效率

5.3.4兩段ETPSA凈化效率

5.4本章小結

第6章中溫CO/CO2凈化能耗分析和工藝優化

6.1本章引論

6.2IGFC系統建模及參數定義

6.3采用Selexol法的IGFC系統

6.3.1IGFC_Selexol系統建模

6.3.2Selexol法凈化能耗計算

6.4采用ETPSA法的IGFC系統

6.4.1IGFC_ETPSA系統建模

6.4.2ETPSA法凈化能耗計算

6.4.3參數優化對ETPSA凈化能耗的影響

6.5本章小結

第7章總結與展望

7.1總結

7.2創新點

7.3展望

參考文獻

附錄A第3章補充圖表

附錄B第5章補充圖表

附錄CIGFC系統建模細節

在學期間發表的學術論文與研究成果

致謝

高溫CO2吸附材料在吸附增強型產氫反應過程中具有重要應用，不但能提高燃料的轉化率、降低整個工藝的能耗，還能捕集CO2，避免其排放到大氣中且為后續CO2存儲和轉化提供保障。本課題擬利用有機陰離子插層和剝離-雜化兩種方法對類水滑石進行結構調控，系統研究有機陰離子的碳鏈長度和碳鏈結構，以及雜化材料（如石墨烯、碳材料、鈦酸鹽、硅酸鹽等）的物理化學特性、表面電荷密度、及類水滑石和雜化材料的結合方式等因素對CO2吸附性能的影響規律；構建出吸附性能更高、熱穩定性和循環使用性更強的類水滑石基高溫CO2吸附材料；優化吸附材料在吸附增強型水氣轉換反應工況下的運行參數；探究CO2在吸附材料表面的吸-脫附動力學和吸附機制。本項目的最終目標是開發具有我國自主知識產權的、高效穩定的高溫CO2吸附材料，推動CO2減排，為實現我國社會經濟可持續發展和營造良好的國際環境提供技術支撐。

CO2作為一種主要的溫室氣體其捕獲一直是研究的熱點。本課題系統研究了一系列不同碳鏈長度和碳鏈結構的有機離子插層Mg3Al1 LDH對CO2吸附性能的影響規律，并構建了類水滑石/碳材料（氧化石墨烯/碳納米管）復合材料，對其合成條件、吸附CO2性能、吸附條件、熱穩定性、循環使用性能、和吸附機理等做了系統深入研究。通過材料設計成功制備出不同碳鏈長度的一元和二元線性羧酸根及含苯環有機陰離子插層的Mg3Al1 LDH，通過系統探究發現了長碳鏈的羧酸根插層Mg3Al1 LDH有著較好的CO2吸附性能，直鏈結構的羧酸根比含苯環有機陰離子插層Mg3Al1 LDH的 CO2吸附性能好。其中，長碳鏈、直鏈結構的棕櫚酸根插層的Mg3Al1 LDH（LDH-C16）為吸附量最優材料，吸附量達到0.91 mmol g-1。通過調控LDH-C16的鎂鋁比例及負載三元堿金屬硝酸鹽（LiNO3、NaNO3、KNO3）對其進行改性。研究表明，Mg20Al1-C16 LDH負載55 mol% 堿金屬硝酸鹽能將吸附量提高至3.21 mmol g-1，該材料表現出高CO2吸附性能和良好的循環穩定性，這種新型的CO2吸附劑在SWEGS反應中具有良好的應用前景。系統研究了LDH二維納米單層的制備方法，采用層層剝離的方法制備了四種類水滑石納米單層（LDH-NS），在對LDH-NS表征過程中，開發了一種簡單，方便，可靠的證明LDH是否在甲酰胺中被剝離的方法—凝膠XRD法。另外還證明了LDH剝離液的濁度與被剝離程度沒有必然的聯系。采用靜電自組裝法合成了四種類水滑石/氧化石墨烯（LDH-NS/GO）復合材料；通過測定四種復合材料的吸附CO2性能，確定了每種復合材料的最佳合成條件，確定了復合材料的結構、形貌以及復合形式，解析了其提高吸附CO2效果的原因；分別采用靜電自組裝法和共沉淀法合成了三種不同類水滑石/氧化碳納米管（LDH/OCNT）復合材料，通過探究其吸附CO2性能，確定了最佳復合比例。最后，本課題對LDH的吸附位點及吸附機理做了進一步探究，通過XRD和固體核磁表征提出了由于方鎂石中的Mg被Al替代或者八面體水鎂石中Al原子的空缺導致活性物質Mg-O鍵的出現可能是吸附過程的主要機理。