发布机构: 发布日期: 2021-12-30 14:59:30

焦纬洲,成尚元:超重力过程强化技术助力化工行业低碳发展

2020年,国家主席习近平提出“力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年实现碳中和目标”。煤炭作为我国主体能源,其燃烧所排放的CO2占全国总排放量的70%以上。在此背景下,发展碳捕集、封存和利用技术(CCUS)是当前碳减排的必然路径,更是早日实现“碳中和”目标的关键。在众多碳减排方法中利用超重力过程强化技术进行碳捕集和利用是一项重要的节能减排及资源再利用的有效措施。

超重力化工技术是将通常的化学反应和化工操作在超重力环境下得以实现的新型化工技术,其超重力环境是通过填料的高速旋转来实现的。将超重力引入化学反应及化工过程是一个全新的概念和创新的思路。超重力的加入使得化工过程中流体间的混合、传质、反应、传热效率得到了大幅度提升。与传统化工技术相比,超重力技术传递效率可以提高1~3个数量级、设备体积小、占地面积少、气相压降低、液体利用率高、产品质量提升、运行能耗低等优势,具有广泛的通用性和较大的操作弹性,被誉为“化学工业的晶体管”,是化工装置小型化、微型化的核心技术,更是节能减排降耗及资源有效利用的一流技术,此种技术必将在化学工业低碳发展中担当重要角色。基于此本文就超重力化工过程强化技术目前的应用领域提出自己的观点和看法。

一、“煤锁气”减污降碳协同净化技术(高排放产业低碳化)

“煤锁气”是煤加压气化过程中,由煤锁泄压而放出的含有尘和焦油的煤气,需经压缩机压缩后才能进入后续工序。“煤锁气”中焦油尘含量过高会造成压缩机堵塞,无法正常运行,只能通过点天灯的形式处理(如图1所示),易造成环境污染和资源浪费。超重力湿法减污降碳净化技术利用强大的离心作用,使液体以高度分散的状态与气体接触,促使捕集液与“煤锁气”中的粉尘、焦油等污染物进行多次的“雾化-分散-凝并”过程,从而有效降低煤气中焦油尘含量,避免因点天灯而带来的二次污染及资源浪费。超重力湿法减污降碳净化技术处理焦油尘含量超过1000 mg/m3的煤锁气时,净化率可达90%以上,年回收煤气2.3亿m3,压缩机工作周期由原来的5天提高到半年以上,有效地解决了煤锁气火炬燃烧排放造成的环境污染和资源浪费的行业难题。同时,超重力过程强化技术同煤电、钢铁等传统产业相结合,可以大规模减排二氧化碳。

图1 煤锁气“点天灯”

二、利用含CO2的烟道气绿色合成化学品(高碳能源低碳利用)

烟道废气中含有一定浓度的二氧化碳,通过将超重力过程强化技术与碳分工艺相结合,可以将废气中的二氧化碳捕获并合成拟薄水铝石、碳铵等化学品(如图2所示)。与传统釜式反应器相比,超重力连续碳分技术能够有效提高铝酸钠溶液与CO2气液传质速率,缩短中和反应时间,大大提高了CO2利用率;同时,通过控制中和反应条件及反应终点,实现拟薄水铝石的连续可控制备。该技术不仅攻克了企业连续碳分生产技术调控难题,有效促进CO2减排,而且对提高产品质量、简化生产操作、减轻劳动强度、降低成本、节能减排等方面意义重大,该技术在冶金、钢铁、电厂等行业具有广阔的应用前景,将有力推动企业进步、提高企业市场竞争力。

图2 超重力连续碳分法制备拟薄水铝石

三、超重力耦合纳米流体捕碳技术

针对目前CO2捕集工艺设备投资大、吸收效率低等问题,提出超重力耦合纳米流体捕碳技术(如图3所示),该技术中纳米颗粒的添加降低了溶液的表面张力,使其更容易被高速旋转的填料撕扯成细小的液体微元,从而增大了气液界面的相界面积,使得更多的纳米颗粒暴露在液体微元表面,进而增加了纳米颗粒与CO2分子接触的机会、缩短了纳米颗粒的运输路径,最终达到加强纳米颗粒掠过效应和促进CO2相间转移的目的。该技术强化了CO2传质过程,增强了CO2吸收效果,具有传质效率高、占地面积小、操作简单等特点。

图3 超重力耦合纳米流体捕碳

四、高效CO2富集技术

针对目前CO2固体吸附剂气固传质受限、成本高昂、再生能耗高等问题,利用超重力强化技术制备一种低成本、高性能、低能耗的多孔材料固载离子液体的新型吸附剂,以实现CO2的高效富集(如图4所示)。该技术从改善吸附剂的吸附性能和提高吸附设备的传质速率两方面着手:首先将昂贵离子液体负载在廉价易得的无机多孔材料上,使新型吸附剂不仅具有多孔材料的高容量,也具有离子液体的高选择性,同时降低了使用纯离子液体的成本。其次,吸附剂在超重力环境中高速旋转,使CO2气体与吸附剂的气固界面增大并实现界面快速更新,有效促进CO2与吸附剂的充分接触和反应,最终实现高效固定CO2。该技术具有吸附效率高、选择性好、再生能耗低、工艺简单等特点。

图4 超重力富集CO2技术

总之,超重力技术作为化工过程强化的重要分支,已在化工、能源、环保等领域展现出了良好的节能减排、提质增效的特点,相信在不久的将来,科研人员定会突破超重力强化碳捕集和利用的关键技术难题,有效助力化工行业的低碳发展,为早日实现“碳达峰、碳中和”目标提供新的技术支撑。

      

撰稿人:焦纬洲   超重力化工过程山西省重点实验室   副主任
    成尚元   超重力化工过程山西省重点实验室   教师

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