规整填料塔中氨水吸收二氧化碳的研究

摘要

随着人类社会工业化进程的不断发展，化石燃料燃烧导致的空气污染和温室效应已非常严重，并威胁着人类赖以生存的环境，CO2排放问题已经受到世界各国的普遍关注。由于燃煤电厂所产生的CO2排放量占到CO2排放总量的30％，是温室气体产生的主要来源，因此目前针对燃煤电厂排放烟气的脱碳技术就成为研究CO2捕集技术的主流。目前，从火电厂烟气中捕获CO2的方法包括燃烧前脱碳、燃烧后脱碳和富氧燃烧技术，其中，以气体净化工业上相当成熟的化学溶剂吸收法工艺为基础的燃烧后脱碳是当前仅有的已进入工业规模试验的技术路线，而化学吸收法是目前公认的比较成熟的捕集CO2的方法。近年来，氨水作为一种新的吸收剂与其它吸收剂相比具有一定的优势，因此，正逐渐受到研究者的广泛关注。
　　本文在本实验室自行设计的氨水吸收CO2的填料塔实验装置基础上，采用本课题组前期工作中开发的新型开窗导流式规整填料，主要以气相体积传质系数（KGae）作为表征，对填料塔中氨水吸收CO2过程的传质性能进行了研究，探索了气速、CO2分压、液速和氨水浓度对KGae的影响。实验结果表明，在本文所列工况条件下，KGae随液速和氨水浓度的增大而增大，随CO2分压的增大有所减小，而受气速的影响不大。在此基础上，对KGae的公式进行了拟合。同时，在理论层面上，利用两性离子理论对该吸收过程进行了更进一步的分析，得到了氨水吸收CO2过程的KG及ae的相关表达式，并提出了进一步研究的可行方向。
　　在实验的基础上，本文应用计算流体力学（CFD）和计算传质学（CMT）的相关知识及相关的湍流理论和模型，结合部分实验数据，利用商业软件Fluent对氨水吸收CO2过程中规整填料塔内的流体流动和传质过程进行了模拟，并预测了塔内CO2浓度、湍流传质扩散系数等的分布状况，上述模拟数据与实验测量及文献报道符合良好。
　　本文对今后填料塔的设计，特别是氨水吸收CO2的规整填料塔的设计工作的经济性和合理性有一定指导作用。

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第一章 文献综述

1.1 引言

1.2填料塔

1.3计算流体力学及计算传质学概述

1.4本章小结

第二章 实验系统及实验方法

2.1实验系统

2.2实验方法

2.3小结

第三章 实验结果和讨论

3.1氨水吸收CO2的体积总传质系数

3.2规整填料塔中氨水吸收CO2的传质关联式的导出

3.3关于KG和ae的进一步讨论

3.4小结

第四章 填料塔中氨水吸收CO2过程的模拟

4.1模型的建立

4.2边界条件

4.3模型的求解

4.4模拟结果及其与实验结果的比较分析

4.5小结

第五章 结论

符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢