低浓度CO2捕集斜向紧凑微型流化床的设计及性能

李晓飞　王　雷　贾　磊　蔡文剑

(1山东大学控制科学与工程学院, 济南 250061)(2南洋理工大学电气与电子工程学院, 新加坡 639798)



低浓度CO2捕集斜向紧凑微型流化床的设计及性能

李晓飞1,2王雷1贾磊1蔡文剑2

(1山东大学控制科学与工程学院, 济南 250061)(2南洋理工大学电气与电子工程学院, 新加坡 639798)

为高效节能地利用固体吸附剂进行低浓度CO2捕集,提出了一种低压降和高吸附剂利用率的新型斜向紧凑微型流化床(OCMFB)反应器．通过CO2捕集实验,对OCMFB反应器与径向流固定床(RFFB)反应器、径向吸附器(RA)和流化床(FB)反应器的性能进行了对比研究．实验结果表明:与RFFB,RA和FB反应器相比,OCMFB反应器床道流化性和低进气速度的优势使压降最大降幅分别达到60%,56%和63%,CO2穿透吸附时间分别增加了42%,35%和8%,饱和时间分别缩短24%,20%和15%;经过10次CO2捕集循环后,OCMFB反应器与RFFB和RA反应器相比,吸附剂磨损基本相当,与FB反应器相比,吸附剂磨损明显减小;OCMFB反应器表现出比RFFB,RA和FB反应器更稳定的CO2吸附性能．

CO2捕集;固态胺吸附剂;径向流固定床;流化床

在能源、环境和健康等应用领域采用固体吸附剂进行低浓度CO2捕集具有重要的作用[1-2]．近些年,经过大量的理论和实验研究,开发出了一些具有比常规胺系吸附剂更好的CO2吸附能力和更低再生能耗的固体吸附剂．Shekhah等[3]提出了一种同构金属-有机骨架SIFSIX-3-Cu吸附剂,该吸附剂在高度稀释的气流下表现出良好的CO2捕集能力、选择性和在交替的水分条件下稳定的吸附性能．Wang等[4]通过将聚乙烯亚胺(PEI)浸渍到大孔甲基丙烯酸酯吸附树脂(HP2MGL)中，制备了树脂基固态胺吸附剂,在25 ℃条件下,该吸附剂对质量分数为0.5% CO2混合气的吸附量为93.5 mg/g．然而,固体吸附剂能高效对CO2捕集的关键因素是采用合适的吸附床反应器[5]．

目前用于装载固体吸附剂的吸附床反应器主要有固定床、流化床和移动床反应器等.固定床反应器可分为轴向和径向反应器.轴向反应器床体结构较简单,但床层压降较大;径向反应器由于流通面积较大和流程较短,故床层压降较小．流化床反应器气固接触充分,但是吸附剂磨损严重．移动床反应器在使用小体积固体吸附剂时扩散阻力较大,压降较高[6-8]．Tarka等[9]比较了装载SBA-15吸附剂的固定床、流化床和新型的径向流固定床反应器对CO2进行捕集的性能,结果表明,固定床压降较高;流化床压降较低,但吸附剂磨损太大、更换成本太高;新型的径向流固定床反应器具有较低的压降和较小的吸附剂磨损．Yang等[10]对流化床作为CO2吸附器和逆流移动床作为再生器系统进行了初步设计分析,发现移动床不仅导热性差，而且使用小体积吸附剂时床层压降高．Tian等[11]提出了一种新型平行多层床径向吸附器,并分析指出，与单层床相比,平行多层床的压降更低,穿透吸附时间更长．

综上,径向流反应器压降较低,但吸附剂利用率较低;流化床气固接触充分,但吸附剂磨损太大．为了解决在使用小体积固体吸附剂的CO2捕集应用中吸附床压降和吸附剂利用率的问题,本文提出了采用斜向短床道设计的斜向紧凑微型流化床(oblique compact micro fluidized bed,OCMFB)反应器,通过与径向流固定床(RFFB) 反应器、径向流吸附器(RA)和流化床(FB)反应器在压降、吸附剂利用率和吸附剂磨损方面的性能进行实验对比,证明OCMFB反应器具有更好的性能．

1　OCMFB反应器实验系统设计

1.1吸附剂特征

将CO2吸附量高、选择性高、再生能耗低、耐水性好的树脂基固态胺吸附剂作为CO2捕集实验的吸附剂．通过将质量分数为50%聚乙烯亚胺(PEI)浸渍到大孔甲基丙烯酸酯吸附树脂中，制备树脂基固态胺吸附剂．树脂基固态胺吸附剂的比表面积约为24.4 cm2/g,总孔容为0.15 cm3/g,平均孔径约为34.8 nm,平均直径为0.4 mm．树脂基固态胺吸附剂在25 ℃下,对0.5% CO2与N2混合气中的CO2吸附量为93.5 mg/g．树脂基固态胺吸附剂的主要参数如表1所示．

表1　树脂基固态胺吸附剂主要参数

1.2OCMFB反应器

本文设计的OCMFB反应器由长方体外壳和吸附床组成,如图1所示,长方体外壳高250 mm,长和宽均为200 mm,吸附床由4块具有斜向六棱柱床道的斜四棱柱铝箔板围成,每块板长为150 mm,宽为75 mm,厚度为15 mm,床道角度为斜向上45°．根据吸附剂的直径,六棱柱床道的正六边形底面边长设计为5 mm．OCMFB反应器斜向六棱柱床道中吸附剂床层的初始容积率(堆积床占总床道的容积份额)为0.71,床层吸附剂装载量为200 g,床料的堆密度为660 kg/m3,OCMFB反应器系统的主要参数如表2所示．

图1　斜向紧凑微型流化床反应器原理图(单位：mm)

反应器参数数值床道底面边长/mm5床道斜向角度α/(°)45吸附床厚度/mm15吸附剂装载量/g200床料堆密度/(kg·m-3)660

1.3RFFB,RA和FB反应器

为了比较OCMFB反应器的性能,本文采用RFFB，RA和FB反应器作为对比反应器．

RFFB反应器由长方体外壳和吸附床组成,如图2所示,长方体外壳高180 mm,长和宽均为150 mm;吸附床由4块2个大侧面开孔的长方体中空壳围成,其中每个中空壳高为120 mm,宽为60 mm,厚为15 mm．床层吸附剂装载量为200 g，床料的堆密度为670 kg/m3．

图2　径向流固定床反应器原理图(单位：mm)

如图3所示,RA外壳与OCMFB反应器外壳相同,RA的吸附床由4块具有径向六棱柱床道的长方体铝箔板围成,每块板的高度为130 mm,宽度为60 mm,厚度为15 mm．床层吸附剂装载量为200 g,床料的堆密度为660 kg/m3．

图3　RA原理图(单位：mm)

图4为FB反应器,反应器的总高为500 mm,内径为45 mm,床料高为185 mm,床层吸附剂装载量为200 g,床料的堆密度为680 kg/m3．

2　实验流程设计

目前,固定床和流化床反应器在理论研究和技术应用方面均积累了相当的成功经验．固定床中气体流速和压降关系可采用经典的Ergun公式[12]来描述,即

图4　FB反应器原理图(单位：mm)

(1)

式中,ΔpErgun为床层压降;hfix为床高或床厚;ε为床层空隙率;μ为气体动力黏度;ug为表观流速;dp为吸附剂颗粒等体积当量直径;ρf为进料气体密度．

流化床压降可表示为

(2)

式中,Δpsta为吸附床压降;hfluid为床层临界高度;εmf为床层临界空隙率;ρp为床料密度．为了证明本文提出的OCMFB反应器的优越性能,本文进行了压降和CO2吸附实验．实验所用质量分数为0.5% CO2混合气由纯CO2气体(99.99%)和纯N2(99.999%)在质量流量控制器的控制下配制而成,纯N2被作为吹扫气用于吸附剂再生．

在进行OCMFB,RFFB,RA和FB反应器的压降实验前，去除吸附剂吸附的水分和CO2,然后通入0.5% CO2混合气(25 ℃,101.325 kPa,干燥),气流量从0依次增大至24 L/min,待压降稳定后,记录相应流量下压力采集系统获得的压降数据;重复测量多次取平均值,作为对应流量下的吸附床压降．

在OCMFB,RFFB,RA和FB反应器中进行CO2吸附实验前,先去除吸附剂吸附的水分和CO2．吸附实验中,将气流量为4.5～20 L/min的0.5% CO2混合气(25 ℃,101.325 kPa,干燥)分别通入OCMFB, RFFB, RA和FB反应器中进行CO2吸附．吸附剂的CO2吸附量即为单位质量吸附剂吸附的CO2的质量，可通过下式[13]计算：

(3)

3　结果与讨论

3.1OCMFB,RFFB,RA和FB反应器压降

OCMFB反应器气流量与压降的关系曲线反映了流化状态,如图5所示,随气流量从0增加到24 L/min,OCMFB反应器气流量与压降的曲线可分为固定床、流化床和倒置固定床3个阶段．在最小流化速度时的气流量Vmf(即6.5 L/min)之前的吸附床为固定床,压降随气流量线性增大;当气流量从6.5 L/min 增加到14 L/min时,吸附床为流化床,压降保持约180 Pa不变;当气流量大于14 L/min时,吸附床为倒置固定床,吸附剂的正常流态化被破坏,吸附剂被吹向床道上表面的钢丝网,吸附剂沿着钢丝网静止,此时吸附床由流化床变为倒置固定床,压降随气流量几乎线性增大(增幅前期较小)．

图5　不同气流量下OCMFB的压降变化

在OCMFB,RFFB,RA和FB反应器中,气流量与压降的关系如图6所示． RFFB和 RA反应器的压降随气流量几乎线性增加;OCMFB和FB反应器在流化床阶段的压降分别保持约180和500 Pa不变．在流化床阶段OCMFB反应器的压降小于RFFB反应器的压降(215～490 Pa)、RA反应器的压降(190～455 Pa)和FB反应器压降(500 Pa),最大降幅分别为60%,56%和63%．对比结果表明,OCMFB反应器具有更低的压降,这是由于OCMFB反应器的进气面积较大,进气速度相对减小,流化床阶段的空隙率更大．

图6　不同气流量下OCMFB，RFFB，RA和FB反应器的压降

3.2不同反应器吸附剂的CO2吸附性能

OCMFB反应器在气流量为4.5,10和20 L/min 时分别处于固定床、流化床和倒置固定床阶段,3个阶段下吸附剂对0.5% CO2的吸附性能如图7所示．流化床相比于固定床和倒置固定床,CO2穿透吸附量分别增大10%和132% (流化床下穿透吸附量为77 mg/g与固定床和倒置固定床下穿透吸附量为70.2和33.1 mg/g相比),饱和吸附量分别增大6%和4%(流化床下饱和吸附量为92.3 mg/g与固定床和倒置固定床下饱和吸附量为87.2和89 mg/g相比)．OCMFB反应器为吸附剂提供了流化性,使气固接触更加充分,相比于吸附剂处于静态的固定床和倒置固定床,提高了吸附剂的利用率．

图7　OCMFB中不同流量下吸附剂的CO2吸附性能

在OCMFB,RFFB,RA 和 FB反应器中,相同的10 L/min进气流量下吸附剂的CO2吸附性能如图8所示．在OCMFB反应器中,CO2穿透吸附时间为2.7 h,相比于在RFFB，RA 和 FB反应器中的1.9,2.0 和2.5 h,分别增加42%,35%和8%;饱和吸附量为92.3 mg/g,相比于在RFFB,RA 和 FB反应器中的饱和吸附量85.0,86.6和 90.8 mg/g,分别增加9%，7%和2%;饱和时间为7.2 h,相比于在RFFB,RA 和 FB反应器中的饱和时间9.5,9.0和8.5 h,分别缩短了24%，20%和15%．OCMFB与RFFB和RA相比,CO2穿透吸附量和饱和吸附量均明显增加,吸附剂的利用率明显提高;与FB相比,OCMFB的短床道设计增大了进气面积,减小了进气速度,使气固接触更加充分,从而提高了吸附剂利用率．

(a) 动态吸附穿透曲线

(b) CO2饱和吸附量

3.3不同反应器中吸附剂的再生

在解吸实验中,为了满足充足的气固接触和快速解吸的要求,选择气流量为10 L/min、温度为100 ℃的纯N2吹扫，反应器出口CO2浓度随时间的变化如图9所示．为了减小吸附剂的磨损,OCMFB反应器在解吸阶段采用和RA，RFFB反应器相同的固定床．在OCMFB反应器中,几乎所有的CO2在80 min 内被解吸,而在RA和RFFB反应器中分别所需90和120 min,因而在OCMFB内吸附剂解吸时间更短,传热效果更好．

图9　不同反应器中CO2浓度与解吸时间关系

为了进一步表明OCMFB的性能,本文在各个反应器中开展了连续10个周期循环的CO2饱和吸附和解吸,对吸附剂的磨损率和稳定性进行了比较．经过10个循环,OCMFB,RFFB,RA 和 FB中吸附剂磨损率如表3所示,磨损率是吸附剂的磨损量与初始床内装载量的比值．在OCMFB，RFFB和RA反应器中,吸附剂磨损率分别为0.5%，0.4%和0.4%;FB中反应器的吸附剂磨损率为4.2%,远大于其他3个吸附床;这表明RFFB和RA反应器中的吸附剂保持静态,磨损很小;FB反应器中吸附剂在剧烈搅动下磨损非常大;OCMFB反应器中的吸附剂在微流化床中的摩擦碰撞比较轻微,磨损较小．OCMFB反应器的吸附剂磨损率远小于FB反应器的吸附剂磨损率,因此采用OCMFB反应器可降低吸附剂的更换成本．

表3　不同反应器吸附剂磨损率

在OCMFB，RFFB，RA 和 FB反应器中,吸附剂的CO2循环吸附性能如图10所示, 经过10个

循环,吸附剂的CO2吸附量分别减少3.7,4.8,4.4和9.8 mg/g,对应下降4.0%，5.7%，5.1%和10.8%．可见在OCMFB，RFFB和RA反应器中的CO2循环吸附量下降均较小,且在OCMFB反应器中下降最小;在FB反应器中吸附量下降较大,这是由于吸附剂在FB反应器中产生较大磨损,吸附剂利用率下降所致．

4　结论

1) 由于OCMFB反应器具有低进气速度和大空隙率,因而OCMFB反应器与RFFB, RA和FB反应器相比,压降降低,最大降幅分别可达到60%, 56%和63%．

2) OCMFB反应器与RFFB,RA和FB反应器相比,CO2穿透吸附时间分别增加42%,35%和8%,饱和时间分别缩短24%, 20%和15%,表明OCMFB反应器促进了气固接触,提高了吸附剂的利用率．

3) 经过10次CO2捕集循环,OCMFB反应器与RFFB和RA反应器内的吸附剂磨损相当,且均远小于FB反应器内磨损,OCMFB反应器中的CO2吸附性能最稳定,表明在OCMFB反应器中,吸附剂在微流化下所产生的磨损不显著．本文所提出的OCMFB反应器在小体积固态胺吸附剂CO2捕集应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.作者简介: 李晓飞(1987—)，男，博士生；贾磊(联系人)，男，博士，教授，博士生导师， jialei@sdu.edu.cn.

山东大学交叉学科培育计划资助项目(2014JC022).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.016.

TQ127

A

1001-0505(2016)04-0770-06

引用本文: 李晓飞,王雷,贾磊，等.低浓度CO2捕集斜向紧凑微型流化床的设计及性能[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(4):770-775.