李曉飛　王　雷　賈　磊　蔡文劍

(1山東大學控制科學與工程學院, 濟南 250061)(2南洋理工大學電氣與電子工程學院, 新加坡 639798)

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低濃度CO2捕集斜向緊湊微型流化床的設計及性能

李曉飛1,2王雷1賈磊1蔡文劍2

(1山東大學控制科學與工程學院, 濟南 250061)(2南洋理工大學電氣與電子工程學院, 新加坡 639798)

為高效節(jié)能地利用固體吸附劑進行低濃度CO2捕集,提出了一種低壓降和高吸附劑利用率的新型斜向緊湊微型流化床(OCMFB)反應器．通過CO2捕集實驗,對OCMFB反應器與徑向流固定床(RFFB)反應器、徑向吸附器(RA)和流化床(FB)反應器的性能進行了對比研究．實驗結果表明:與RFFB,RA和FB反應器相比,OCMFB反應器床道流化性和低進氣速度的優(yōu)勢使壓降最大降幅分別達到60%,56%和63%,CO2穿透吸附時間分別增加了42%,35%和8%,飽和時間分別縮短24%,20%和15%;經(jīng)過10次CO2捕集循環(huán)后,OCMFB反應器與RFFB和RA反應器相比,吸附劑磨損基本相當,與FB反應器相比,吸附劑磨損明顯減小;OCMFB反應器表現(xiàn)出比RFFB,RA和FB反應器更穩(wěn)定的CO2吸附性能．

CO2捕集;固態(tài)胺吸附劑;徑向流固定床;流化床

在能源、環(huán)境和健康等應用領域采用固體吸附劑進行低濃度CO2捕集具有重要的作用[1-2]．近些年,經(jīng)過大量的理論和實驗研究,開發(fā)出了一些具有比常規(guī)胺系吸附劑更好的CO2吸附能力和更低再生能耗的固體吸附劑．Shekhah等[3]提出了一種同構金屬-有機骨架SIFSIX-3-Cu吸附劑,該吸附劑在高度稀釋的氣流下表現(xiàn)出良好的CO2捕集能力、選擇性和在交替的水分條件下穩(wěn)定的吸附性能．Wang等[4]通過將聚乙烯亞胺(PEI)浸漬到大孔甲基丙烯酸酯吸附樹脂(HP2MGL)中，制備了樹脂基固態(tài)胺吸附劑,在25 ℃條件下,該吸附劑對質(zhì)量分數(shù)為0.5% CO2混合氣的吸附量為93.5 mg/g．然而,固體吸附劑能高效對CO2捕集的關鍵因素是采用合適的吸附床反應器[5]．

目前用于裝載固體吸附劑的吸附床反應器主要有固定床、流化床和移動床反應器等.固定床反應器可分為軸向和徑向反應器.軸向反應器床體結構較簡單,但床層壓降較大;徑向反應器由于流通面積較大和流程較短,故床層壓降較?。骰卜磻鳉夤探佑|充分,但是吸附劑磨損嚴重．移動床反應器在使用小體積固體吸附劑時擴散阻力較大,壓降較高[6-8]．Tarka等[9]比較了裝載SBA-15吸附劑的固定床、流化床和新型的徑向流固定床反應器對CO2進行捕集的性能,結果表明,固定床壓降較高;流化床壓降較低,但吸附劑磨損太大、更換成本太高;新型的徑向流固定床反應器具有較低的壓降和較小的吸附劑磨損．Yang等[10]對流化床作為CO2吸附器和逆流移動床作為再生器系統(tǒng)進行了初步設計分析,發(fā)現(xiàn)移動床不僅導熱性差，而且使用小體積吸附劑時床層壓降高．Tian等[11]提出了一種新型平行多層床徑向吸附器,并分析指出，與單層床相比,平行多層床的壓降更低,穿透吸附時間更長．

綜上,徑向流反應器壓降較低,但吸附劑利用率較低;流化床氣固接觸充分,但吸附劑磨損太大．為了解決在使用小體積固體吸附劑的CO2捕集應用中吸附床壓降和吸附劑利用率的問題,本文提出了采用斜向短床道設計的斜向緊湊微型流化床(oblique compact micro fluidized bed,OCMFB)反應器,通過與徑向流固定床(RFFB) 反應器、徑向流吸附器(RA)和流化床(FB)反應器在壓降、吸附劑利用率和吸附劑磨損方面的性能進行實驗對比,證明OCMFB反應器具有更好的性能．

1　OCMFB反應器實驗系統(tǒng)設計

1.1吸附劑特征

將CO2吸附量高、選擇性高、再生能耗低、耐水性好的樹脂基固態(tài)胺吸附劑作為CO2捕集實驗的吸附劑．通過將質(zhì)量分數(shù)為50%聚乙烯亞胺(PEI)浸漬到大孔甲基丙烯酸酯吸附樹脂中，制備樹脂基固態(tài)胺吸附劑．樹脂基固態(tài)胺吸附劑的比表面積約為24.4 cm2/g,總孔容為0.15 cm3/g,平均孔徑約為34.8 nm,平均直徑為0.4 mm．樹脂基固態(tài)胺吸附劑在25 ℃下,對0.5% CO2與N2混合氣中的CO2吸附量為93.5 mg/g．樹脂基固態(tài)胺吸附劑的主要參數(shù)如表1所示．

表1　樹脂基固態(tài)胺吸附劑主要參數(shù)

1.2OCMFB反應器

本文設計的OCMFB反應器由長方體外殼和吸附床組成,如圖1所示,長方體外殼高250 mm,長和寬均為200 mm,吸附床由4塊具有斜向六棱柱床道的斜四棱柱鋁箔板圍成,每塊板長為150 mm,寬為75 mm,厚度為15 mm,床道角度為斜向上45°．根據(jù)吸附劑的直徑,六棱柱床道的正六邊形底面邊長設計為5 mm．OCMFB反應器斜向六棱柱床道中吸附劑床層的初始容積率(堆積床占總床道的容積份額)為0.71,床層吸附劑裝載量為200 g,床料的堆密度為660 kg/m3,OCMFB反應器系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示．

圖1　斜向緊湊微型流化床反應器原理圖(單位：mm)

反應器參數(shù)數(shù)值床道底面邊長/mm5床道斜向角度α/(°)45吸附床厚度/mm15吸附劑裝載量/g200床料堆密度/(kg·m-3)660

1.3RFFB,RA和FB反應器

為了比較OCMFB反應器的性能,本文采用RFFB，RA和FB反應器作為對比反應器．

RFFB反應器由長方體外殼和吸附床組成,如圖2所示,長方體外殼高180 mm,長和寬均為150 mm;吸附床由4塊2個大側面開孔的長方體中空殼圍成,其中每個中空殼高為120 mm,寬為60 mm,厚為15 mm．床層吸附劑裝載量為200 g，床料的堆密度為670 kg/m3．

圖2　徑向流固定床反應器原理圖(單位：mm)

如圖3所示,RA外殼與OCMFB反應器外殼相同,RA的吸附床由4塊具有徑向六棱柱床道的長方體鋁箔板圍成,每塊板的高度為130 mm,寬度為60 mm,厚度為15 mm．床層吸附劑裝載量為200 g,床料的堆密度為660 kg/m3．

圖3　RA原理圖(單位：mm)

圖4為FB反應器,反應器的總高為500 mm,內(nèi)徑為45 mm,床料高為185 mm,床層吸附劑裝載量為200 g,床料的堆密度為680 kg/m3．

2　實驗流程設計

目前,固定床和流化床反應器在理論研究和技術應用方面均積累了相當?shù)某晒?jīng)驗．固定床中氣體流速和壓降關系可采用經(jīng)典的Ergun公式[12]來描述,即

圖4　FB反應器原理圖(單位：mm)

(1)

式中,ΔpErgun為床層壓降;hfix為床高或床厚;ε為床層空隙率;μ為氣體動力黏度;ug為表觀流速;dp為吸附劑顆粒等體積當量直徑;ρf為進料氣體密度．

流化床壓降可表示為

(2)

式中,Δpsta為吸附床壓降;hfluid為床層臨界高度;εmf為床層臨界空隙率;ρp為床料密度．為了證明本文提出的OCMFB反應器的優(yōu)越性能,本文進行了壓降和CO2吸附實驗．實驗所用質(zhì)量分數(shù)為0.5% CO2混合氣由純CO2氣體(99.99%)和純N2(99.999%)在質(zhì)量流量控制器的控制下配制而成,純N2被作為吹掃氣用于吸附劑再生．

在進行OCMFB,RFFB,RA和FB反應器的壓降實驗前，去除吸附劑吸附的水分和CO2,然后通入0.5% CO2混合氣(25 ℃,101.325 kPa,干燥),氣流量從0依次增大至24 L/min,待壓降穩(wěn)定后,記錄相應流量下壓力采集系統(tǒng)獲得的壓降數(shù)據(jù);重復測量多次取平均值,作為對應流量下的吸附床壓降．

在OCMFB,RFFB,RA和FB反應器中進行CO2吸附實驗前,先去除吸附劑吸附的水分和CO2．吸附實驗中,將氣流量為4.5～20 L/min的0.5% CO2混合氣(25 ℃,101.325 kPa,干燥)分別通入OCMFB, RFFB, RA和FB反應器中進行CO2吸附．吸附劑的CO2吸附量即為單位質(zhì)量吸附劑吸附的CO2的質(zhì)量，可通過下式[13]計算：

(3)

3　結果與討論

3.1OCMFB,RFFB,RA和FB反應器壓降

OCMFB反應器氣流量與壓降的關系曲線反映了流化狀態(tài),如圖5所示,隨氣流量從0增加到24 L/min,OCMFB反應器氣流量與壓降的曲線可分為固定床、流化床和倒置固定床3個階段．在最小流化速度時的氣流量Vmf(即6.5 L/min)之前的吸附床為固定床,壓降隨氣流量線性增大;當氣流量從6.5 L/min 增加到14 L/min時,吸附床為流化床,壓降保持約180 Pa不變;當氣流量大于14 L/min時,吸附床為倒置固定床,吸附劑的正常流態(tài)化被破壞,吸附劑被吹向床道上表面的鋼絲網(wǎng),吸附劑沿著鋼絲網(wǎng)靜止,此時吸附床由流化床變?yōu)榈怪霉潭ù?壓降隨氣流量幾乎線性增大(增幅前期較小)．

圖5　不同氣流量下OCMFB的壓降變化

在OCMFB,RFFB,RA和FB反應器中,氣流量與壓降的關系如圖6所示． RFFB和 RA反應器的壓降隨氣流量幾乎線性增加;OCMFB和FB反應器在流化床階段的壓降分別保持約180和500 Pa不變．在流化床階段OCMFB反應器的壓降小于RFFB反應器的壓降(215～490 Pa)、RA反應器的壓降(190～455 Pa)和FB反應器壓降(500 Pa),最大降幅分別為60%,56%和63%．對比結果表明,OCMFB反應器具有更低的壓降,這是由于OCMFB反應器的進氣面積較大,進氣速度相對減小,流化床階段的空隙率更大．

圖6　不同氣流量下OCMFB，RFFB，RA和FB反應器的壓降

3.2不同反應器吸附劑的CO2吸附性能

OCMFB反應器在氣流量為4.5,10和20 L/min 時分別處于固定床、流化床和倒置固定床階段,3個階段下吸附劑對0.5% CO2的吸附性能如圖7所示．流化床相比于固定床和倒置固定床,CO2穿透吸附量分別增大10%和132% (流化床下穿透吸附量為77 mg/g與固定床和倒置固定床下穿透吸附量為70.2和33.1 mg/g相比),飽和吸附量分別增大6%和4%(流化床下飽和吸附量為92.3 mg/g與固定床和倒置固定床下飽和吸附量為87.2和89 mg/g相比)．OCMFB反應器為吸附劑提供了流化性,使氣固接觸更加充分,相比于吸附劑處于靜態(tài)的固定床和倒置固定床,提高了吸附劑的利用率．

圖7　OCMFB中不同流量下吸附劑的CO2吸附性能

在OCMFB,RFFB,RA 和 FB反應器中,相同的10 L/min進氣流量下吸附劑的CO2吸附性能如圖8所示．在OCMFB反應器中,CO2穿透吸附時間為2.7 h,相比于在RFFB，RA 和 FB反應器中的1.9,2.0 和2.5 h,分別增加42%,35%和8%;飽和吸附量為92.3 mg/g,相比于在RFFB,RA 和 FB反應器中的飽和吸附量85.0,86.6和 90.8 mg/g,分別增加9%，7%和2%;飽和時間為7.2 h,相比于在RFFB,RA 和 FB反應器中的飽和時間9.5,9.0和8.5 h,分別縮短了24%，20%和15%．OCMFB與RFFB和RA相比,CO2穿透吸附量和飽和吸附量均明顯增加,吸附劑的利用率明顯提高;與FB相比,OCMFB的短床道設計增大了進氣面積,減小了進氣速度,使氣固接觸更加充分,從而提高了吸附劑利用率．

(a) 動態(tài)吸附穿透曲線

(b) CO2飽和吸附量

3.3不同反應器中吸附劑的再生

在解吸實驗中,為了滿足充足的氣固接觸和快速解吸的要求,選擇氣流量為10 L/min、溫度為100 ℃的純N2吹掃，反應器出口CO2濃度隨時間的變化如圖9所示．為了減小吸附劑的磨損,OCMFB反應器在解吸階段采用和RA，RFFB反應器相同的固定床．在OCMFB反應器中,幾乎所有的CO2在80 min 內(nèi)被解吸,而在RA和RFFB反應器中分別所需90和120 min,因而在OCMFB內(nèi)吸附劑解吸時間更短,傳熱效果更好．

圖9　不同反應器中CO2濃度與解吸時間關系

為了進一步表明OCMFB的性能,本文在各個反應器中開展了連續(xù)10個周期循環(huán)的CO2飽和吸附和解吸,對吸附劑的磨損率和穩(wěn)定性進行了比較．經(jīng)過10個循環(huán),OCMFB,RFFB,RA 和 FB中吸附劑磨損率如表3所示,磨損率是吸附劑的磨損量與初始床內(nèi)裝載量的比值．在OCMFB，RFFB和RA反應器中,吸附劑磨損率分別為0.5%，0.4%和0.4%;FB中反應器的吸附劑磨損率為4.2%,遠大于其他3個吸附床;這表明RFFB和RA反應器中的吸附劑保持靜態(tài),磨損很小;FB反應器中吸附劑在劇烈攪動下磨損非常大;OCMFB反應器中的吸附劑在微流化床中的摩擦碰撞比較輕微,磨損較?。甇CMFB反應器的吸附劑磨損率遠小于FB反應器的吸附劑磨損率,因此采用OCMFB反應器可降低吸附劑的更換成本．

表3　不同反應器吸附劑磨損率

在OCMFB，RFFB，RA 和 FB反應器中,吸附劑的CO2循環(huán)吸附性能如圖10所示, 經(jīng)過10個

循環(huán),吸附劑的CO2吸附量分別減少3.7,4.8,4.4和9.8 mg/g,對應下降4.0%，5.7%，5.1%和10.8%．可見在OCMFB，RFFB和RA反應器中的CO2循環(huán)吸附量下降均較小,且在OCMFB反應器中下降最小;在FB反應器中吸附量下降較大,這是由于吸附劑在FB反應器中產(chǎn)生較大磨損,吸附劑利用率下降所致．

4　結論

1) 由于OCMFB反應器具有低進氣速度和大空隙率,因而OCMFB反應器與RFFB, RA和FB反應器相比,壓降降低,最大降幅分別可達到60%, 56%和63%．

2) OCMFB反應器與RFFB,RA和FB反應器相比,CO2穿透吸附時間分別增加42%,35%和8%,飽和時間分別縮短24%, 20%和15%,表明OCMFB反應器促進了氣固接觸,提高了吸附劑的利用率．

3) 經(jīng)過10次CO2捕集循環(huán),OCMFB反應器與RFFB和RA反應器內(nèi)的吸附劑磨損相當,且均遠小于FB反應器內(nèi)磨損,OCMFB反應器中的CO2吸附性能最穩(wěn)定,表明在OCMFB反應器中,吸附劑在微流化下所產(chǎn)生的磨損不顯著．本文所提出的OCMFB反應器在小體積固態(tài)胺吸附劑CO2捕集應用中具有良好的前景．

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Design and performance of oblique compact micro fluidized bed for low-concentration CO2capture

Li Xiaofei1,2Wang Lei1Jia Lei1Cai Wenjian2

(1School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)(2School of Electrical and Electronic Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore)

For efficient and cost-effective low-concentration CO2capture using solid sorbents, a novel oblique compact micro fluidized bed (OCMFB) reactor with low pressure drop and high sorbent utilization was proposed. The performances of the OCMFB reactor, radial flow fixed bed (RFFB) reactor, radial adsorber (RA), and fluidized bed (FB) reactor for CO2capture were evaluated and compared. The results show that compared with RFFB reactor, RA, and FB reactor, the OCMFB reactor can reduce pressure drop by 60%, 56%, and 63%, increase breakthrough adsorption time by 42%, 35%, and 8%, and reduce saturation adsorption time by 24%, 20%, and 15%, respectively, for CO2capture due to the low inlet velocity and the fluidization of the beds. The attrition of the sorbents in the OCMFB is equal to that in RFFB reactor and RA, but much better than that in the FB reactor after 10 cycles of CO2capture. The adsorption capacity of the sorbents in the OCMFB is more stable than that in RFFB reactor, RA, and FB reactor.

CO2capture; solid amine sorbents; radial flow fixed-bed; fluidized bed

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.016

2016-01-08.作者簡介: 李曉飛(1987—)，男，博士生；賈磊(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師， jialei@sdu.edu.cn.

山東大學交叉學科培育計劃資助項目(2014JC022).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.016.

TQ127

A

1001-0505(2016)04-0770-06

引用本文: 李曉飛,王雷,賈磊，等.低濃度CO2捕集斜向緊湊微型流化床的設計及性能[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(4):770-775.