王建熊;姜晓波;邱利民;王雅宁
【摘 要】针对现有CO2低温凝华数据不足,低温凝华法碳捕集实验缺乏以及对气固分离的换热器研究很少的现状,采用可视化方法进行低温凝华法碳捕集的实验研究,对于不同初始浓度和流量下N2/CO2二元系中CO2在换热器中的温度分布及其凝华晶体生长形态进行了实验,获得了不同的CO2凝华状态信息.%Carbon capture and storage receives extensive concern in the background of global warming.Because of the huge costs and complex processes of traditional carbon capture technology in industrial applications,a novel carbon capture technology by cryogenic desublimation,which can be used for industrial cold recovery,has been studied in this article.Since the existing cryogenic carbon dioxide desublimation data is insufficient,a low temperature visualized experiment platform was setup to test and record temperature distributions and crystalline morphology in the heat exchanger for N2/CO2 binary system in different concentrations and flow rates.And different carbon dioxide desublimation states are recorded.
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2018(000)001
线材生产
【总页数】7页(P47-52,68)
【关键词】低温凝华;碳捕集;可视化实验;二元系
【作 者】王建熊;姜晓波;邱利民;王雅宁
【作者单位】硅胶假乳浙江大学制冷与低温研究所 杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所 杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所 杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所 杭州310027
【正文语种】中 文
【中图分类】TB663
1 引 言
近年来，在温室效应下的全球气候变暖因其造成的多种自然灾害及生物链断裂威胁等而受
到人们的广泛关注。2009年哥本哈根会议中将把全球温升控制在2 ℃以内的目标作为全球共识写入《哥本哈根协定》。研究指出全球气候变暖归因于人类活动所排放温室气体的可能性超过90%，其中人类工业化进程中大规模的CO2排放被公认为是造成温室效应的罪魁祸首，温室效应60%由其引发。因此，发展碳捕集与封存技术(CCS，Carbon Capture and Storage)作为有效应对全球气候变化的关键环节而倍受重视。根据Bingyun Li等[1]的综述中对近年来碳捕集技术的梳理，目前传统的可实现工业级应用碳捕集技术主要包括吸收法、吸附法和膜分离法等。而正如David Berstad等[2]所预测的，随着未来几十年内世界能源供应对化石燃料的日益依赖，新技术往往无法快速而广泛地在全球范围内获得同步将成为人们从高碳能源体系切换到低碳能源体系的主要约束，而低温碳捕集技术(CCC, Cryogenic Carbon Capture)正是具有巨大潜能和应用价值的新型碳捕集与封存技术。
根据相关的文献调研结果，当前CO2及其混合物在三相点以下的相关物性数据很不完善，对CO2的低温凝华法碳捕集实验数据尤其是凝华晶体形态生长变化规律的实验数据缺乏，此外在两相流传热传质的研究中对存在气固相传热的换热器研究比较少。本文采用可视化方法，模拟对工业液化气体使用过程中蒸发释放的冷量进行回收，以常温下液氮蒸发的温度(约77 K)为冷源，对N2/CO2混合气中的CO2进行低温凝华捕集实验，并对CO2的低温凝
金量子2 CO2低温凝华捕集实验台简介
针对低温凝华法碳捕集过程中气体与冷源的换热方式设计，目前存在两种较为典型的可行性方案，即气体混合式和气壁接触式换热。不同于Naletov等[3]采用的气体混合式真空腔体换热器设计方案， 为解决冷源温度可变控制，气体温度易于测量及可视化凝华图像方便直观观察等问题，本实验采用了继承自袁灵成等[4]设计的气壁接触式的水平逆流式套管换热器的形式，用经过液氮预冷过的冷氮气对N2/CO2混合气进行冷却，直到混合气温度降低至CO2凝华温度以下时，CO2将发生凝华并附着在管道上，以此实现对CO2的捕集。实验台传热最主要涉及到的逆流式套管换热器，其结构的剖面示意图如图1。 该换热器的外管为玻璃管以实现可视目的，玻璃管的规格为φ53×2.5 mm，长700 mm；内管为304不锈钢管，规格为φ32×1.5 mm，为增强可视效果，在不锈钢管表面喷涂了一层厚度可忽略的黑航空漆。实验台设置了摄像头，将其安装在与换热器流道平行的导轨上，利用控制步进电机的运行，以实现对整个换热器沿程不同位置CO2凝华过程的观察和拍摄记录。
图1 换热器剖视图Fig.1 Cutaway view of heat exchanger
本实验的低温凝华法碳捕集系统流程如图2所示。整个实验台主要包括供气与预冷系统、低温凝华系统和测控和显示系统等3个组成部分。
图2 低温凝华法碳捕集系统Fig.2 Cryogenic desublimation carbon capture system
供气与预冷系统为实验提供实验气体和冷源，主要包括两路高纯氮气(冷氮气和混合气中的氮气部分)和一路高纯CO2、可移动式液氮罐和固定式液氮杜瓦。
低温凝华系统主要为CO2的低温凝华提供真空绝热环境，使CO2在换热器中被高效捕集。低温凝华系统包括真空罩、氮气加热器、气体混合器、预冷换热器、可视流道和图像采集系统等。
测控和显示系统用于测量、控制CO2在低温凝华过程中的各项物理参数，并对相关控制要素及实验数据进行实时显示和记录作用。测控和显示系统主要包括温度测量和控制系统、压力测量系统、流量测量和控制系统、液位测量系统、步进电机控制系统及计算机显示设备等。
实验台的工作过程如下：已设定流量的两路高纯氮气首先进入液氮杜瓦，冷却至100 K左右后进入氮气加热器，根据每次实验预设的实验参数将两路氮气的温度控制在适合范围内。其中一路低温高纯氮气进入可视流道的内管，为外管的CO2/N2混合气体提供冷量，使CO2在可视流道中被捕集。另一路温度稍高的高纯氮气进入气体混合器中，与已设定流量的高纯二氧化碳充分混合，使CO2得到初步预冷后，进入预冷换热器被冷氮气排出气进一步冷却以达到余冷回收，最后混合气进入可视流道外管，经过与内管壁换热后使得CO2凝华并附着在内管壁面。设置在与可视流道平行导轨上的摄像头，对流道沿程不同位置的凝华过程进行观察和记录。
3 实验操作步骤
本实验在继承袁灵成的实验操作[5]基础上进行了优化和改进，操作过程中分为预冷阶段、凝华阶段和复温阶段。
3.1 预冷阶段
实验中混合气侧的温度必须由常温(约298 K)下降到CO2的凝华温度以下(纯质CO2为194.7
K)，才能实现CO2的凝华捕集，因此需要对管道进行提前预冷，以降低能耗并减少实验时间。结合图1，操作步骤如下：
(1)打开氮气钢瓶减压阀MVT1至0.2 MPa左右，打开阀门MV5—7，MV6全开，MV5和MV7调节至较小开度，将与MV7相连通的输气管从液氮杜瓦进气口卸下，保持输气管出来的小流量氮气吹扫液氮杜瓦上的进气口，直至该进气口与液氮输送管对接完成，然后关闭MV6和MV7。
(2)向冷氮气管路中通入液氮，使其预冷氮气加热器H2、可视流道以及预冷换热器。与此同时，利用混合用氮气管路中低流速低温氮气预冷氮气加热器H1以及气体混合腔体等。预冷大约持续20—30分钟。diy电子显微镜
(3)待真空腔体内各温度传感器示数均降低至150 K以下时，再次打开阀门MV6和MV7，其中MV7为较小开度。将与MV7相连通的输气管从液氮杜瓦进气口卸下，保持输气管出来的小流量氮气吹扫液氮杜瓦上的进气口，与此同时停止加注液氮，将输液管卸下，连接输气管与进气口，然后关闭MV6，MV7全开。
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