磁场协同磁性颗粒强化氨水吸收二氧化碳机理研究

The advantages of aqueous ammonia as CO2 absorbent are high CO2 loading capacity, no absorbent degradation, potential of capturing multiple flue gas components, low energy requirement, and resistance to oxidation. The magnetic field and magnetic particles are used to enhance the CO2 absorption into aqueous ammonia solution, and the study on the mechanism of the process is to be done in the project. The effects of magnetic field, magnetic particles and CO2 absorption parameters (temperature, NH3 molar ratio, ammonia solution flux, CO2 molar ratio, flue gas flux and CO2 concentration in ammonia solution) on CO2 absorption efficiency, CO2 loading capacity, CO2 absorption rate, and ammonia slip are to be studied to acquire the system performance. The effects of the intensity of magnetic field on the flow characteristics of gas, liquid and solid, the reaction chemistry, and the volumetric overall mass transfer coefficient are to be studied to reveal the enhancement effects of magnetic field on CO2 absorption. The aim of the project is to study the feasibility and mechanism of chemical absorption enhanced by magnetic field. A novel ammonia-based CO2 removal process is to be developed through the fulfillment of the project.

氨水作为吸收剂吸收燃煤烟气中CO2时,具有吸收能力强、不易降级、腐蚀性低、再生能耗低、可实现多污染物联合脱除等突出优点。项目拟采用磁场和磁性颗粒强化氨水CO2吸收过程，并对该技术进行机理研究。研究磁场特性、磁性颗粒理化特性和运行参数（温度、氨水浓度、氨水流量、烟气CO2浓度、烟气流量和氨水碳化率）对CO2吸收效率、吸收速率、吸收能力和氨逃逸率的影响规律，获取系统的运行特性。研究磁场强度对反应器内气液固三相流动状态、化学反应进程和体积总传质系数的影响规律，揭示磁场和磁性颗粒协同强化氨水吸收CO2机理。本项目是利用物理场强化化学吸收过程的一次有益尝试。通过本研究，可望为磁场辅助氨法脱碳技术的开发奠定理论基础。

项目组采用了一种全新的过程强化手段，即磁场和磁性颗粒协同强化，开发了具有自主知识产权的燃煤烟气CO2捕集方法和系统。完成了预定的研究目标，取得了以下研究成果：.（1）通过研究颗粒特性、磁场特性以及操作参数（温度、氨水浓度、烟气CO2浓度和烟气流量）对脱碳效率的影响规律，掌握了磁场条件下氨水对CO2的吸收特性。添加磁场和颗粒后，脱碳效率最高可达99.40%，比不添加磁场和颗粒时高出7%。外加磁场在氨水浓度较低（5%~8%）、烟气流量较大（3.5 L/min）、吸收温度较低（22-36°C）时，作用更加明显。.（2）通过研究颗粒特性和磁场特性对化学反应进程和体积总传质系数的影响规律，揭示磁场和磁性颗粒协同强化氨水吸收CO2机理。外加磁场和纳米颗粒，可促进氨基甲酸铵生成反应，延长CO2稳定吸收阶段。添加40mT磁场和0.2g/L，20nmFe3O4颗粒可使体积总传质系数达到5.8×10-5 mol/(m3sPa)，比不添加磁场和颗粒时高出13%。体积总传质系数随氨水浓度的上升而上升，随CO2浓度的上升而下降，随烟气流率的增加先增后减。外加磁场和颗粒在氨水浓度较低、烟气流量较大时，对体积总传质系数的提升作用更加明显。.（3）通过研究颗粒特性、磁场特性以及操作参数（温度、碳酸氢铵溶液浓度和CO2担载程度）对CO2体积流率和解吸比例的影响规律，掌握了磁场条件下碳酸氢铵（脱碳富液）解吸CO2过程特性。添加40mT磁场和0.1g/L，20nmAl2O3颗粒，可以达到最佳CO2解吸效果。.项目执行期间，发表SCI论文3篇，EI论文3篇，其他学术论文1篇，申请发明专利2项，培养硕士研究生3名。