二氧化碳捕集技術(shù)的最新研究進(jìn)展

張文慧 林毅 鄒娟珍

（1上海人大人投資管理有限公司 上海 200021 2廣州漢德工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司（上海分公司） 上海 200021）

最近，隨著工業(yè)的發(fā)展，二氧化碳（CO2）的排放量不斷增加。科學(xué)研究表明CO2的大量排放會(huì)帶來全球氣候變暖，造成不可逆的災(zāi)難性破壞。因此我們需要減少CO2的排放量。CO2減排是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，它需要多種途徑共同協(xié)調(diào)。目前，CO2減排的途徑主要包括開發(fā)低碳能源、節(jié)約能源以及CO2的捕集、封存技術(shù)（CO2captureandstorage,CCS）。其中，CCS是最有前景的方案之一。本文中，我們對二氧化碳捕集技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的綜述。對燃燒前、氧燃燒、燃燒后二氧化碳捕集技術(shù)進(jìn)行比較，并討論了不同捕集方法的特點(diǎn)和適用范圍。最后對CO2捕集技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 二氧化碳捕集技術(shù)現(xiàn)狀

CCS是指從CO2排放源中將CO2捕集分離，并輸送至封存地點(diǎn)，使CO2與大氣徹底隔絕。CCS的第一步是CO2的捕集，它是最關(guān)鍵也是能耗最高的一步，CO2捕集所需能耗大約為整個(gè)CO2減排成本的70%。因此，開發(fā)低成本、高效率而且綠色無污染的CO2捕集技術(shù)具有重要的意義。

CO2捕集是一種氣體分離的過程。目前分類方法比較多，最常見的是根據(jù)分離原理分類：吸附法、吸收法以及膜分離法等。有3類相應(yīng)的CO2捕集技術(shù)，即：燃燒前捕集，氧燃燒以及燃燒后捕集。對于這三類的研究進(jìn)展如下所述。

1.1 燃燒前捕集技術(shù)

在燃燒之前，煤等其他固體燃料會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并進(jìn)一步分解為H2和CO的混合氣。該混合氣通過水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器會(huì)變成H2和CO2，H2是一種環(huán)境友好的燃料，可以用于煤氣聯(lián)合循環(huán)電廠的燃燒以及燃料電池的開發(fā)。燃燒前捕集就是將H2和CO2分開，由于混合氣的壓力一般為2.7MPa左右，而且煙氣中的CO2分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)壓力。因此，采用燃燒前捕集技術(shù)可以顯著降低捕集裝置的規(guī)模，主要采用物理吸收劑將CO2分離，常見的吸收劑包括：低溫甲醇、聚乙二醇二甲醚同系混合物以及丙烯碳酸酯。燃燒前捕集技術(shù)具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2 氧燃燒捕集技術(shù)

在純氧條件下，煤等其他固體燃料的燃燒產(chǎn)物為H2O和CO2，H2O的沸點(diǎn)較低，因此可以通過冷凝的方法將H2O分離從而得到CO2。此技術(shù)需要高純度的氧氣，一般是由低溫空氣分離裝置提供的。研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)流化床也可以對燃燒溫度進(jìn)行循環(huán)控制，從而降低溫度得到較為純凈的CO2。與燃燒前捕集技術(shù)相比，氧燃燒捕集技術(shù)具有以下優(yōu)勢：(1)可以實(shí)現(xiàn)CO2的零排放，研究發(fā)現(xiàn)通過該技術(shù)CO2捕集率超過95%；(2)氮氧化物產(chǎn)生量少，減少了脫氮裝置的規(guī)模，降低了成本。

1.3 燃燒后捕集技術(shù)

燃燒后捕集技術(shù)是在煙氣中將CO2分離，煙氣中CO2的分壓不超過0.15MPa，因此一般化學(xué)吸收劑固定CO2，而且要求化學(xué)吸收劑具有較強(qiáng)的親和能力，與CO2反應(yīng)能夠生成水溶性的物質(zhì)。燃燒后捕集技術(shù)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，上世紀(jì)70年代已經(jīng)用于煙氣中CO2的回收。目前，醇胺法是最常用的燃燒后捕集技術(shù)。但是仍然存在一些問題，例如對設(shè)備的腐蝕性強(qiáng)、吸收量小、能耗大一級需要對煙氣預(yù)處理等。

2 CO2 捕集技術(shù)的最新進(jìn)展

目前，CCS技術(shù)仍然很不成熟，其高成本限制了大規(guī)模的應(yīng)用。因此，目前降低CO2捕集成本是研究的主流方向。國內(nèi)外學(xué)者都對此進(jìn)行了研究。其中，氨法是國外普遍認(rèn)可的技術(shù)。其原理為，在溶液中氨和CO2反應(yīng)生成碳酸銨或者碳酸氫銨，煙氣中的二氧化硫以及氮氧化物也可以生成硫酸銨和硝酸。碳酸氫銨在低溫下即可分解，而且生成碳酸氫銨后氨的利用率較高，因此在采集過程中要嚴(yán)格控制氨的濃度以及其他條件，使生成的碳酸氫銨盡量多。與MEA相比，氨法具有能耗低、吸收能力強(qiáng)以及對設(shè)備無腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。阿爾斯通已經(jīng)獲得了氨法工藝專利許可權(quán)，而且在致力于開發(fā)冷氨法。目前，國外還有一些學(xué)者致力于其他的捕集技術(shù)，例如金屬有機(jī)骨架、氧氣制取、離子液體以及膜分離技術(shù)等，但是都停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。我國也致力于CCS的研究，“十一五”、973以及863計(jì)劃中有很多關(guān)于CO2捕集的課題。一些電廠建立了三套醇胺化學(xué)吸收法CO2捕集技術(shù)，而且已經(jīng)生產(chǎn)運(yùn)營，已經(jīng)達(dá)到國際水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國CCS的現(xiàn)場試驗(yàn)按照時(shí)間順序在國際上可以排到第四的位置。

3 總結(jié)和展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，CO2捕集技術(shù)更加多樣化，而且成本得到了明顯的降低，推動(dòng)CCS的大規(guī)模應(yīng)用。目前有3種常見的CO2捕集技術(shù)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，氧燃燒捕集和燃燒后捕集技術(shù)適用于大規(guī)模的應(yīng)用，有望用于工業(yè)化應(yīng)用。醇胺化學(xué)吸收法是比較成熟的捕集技術(shù)，適合大規(guī)模的工業(yè)推廣，冷氨法的成本最低，值得商業(yè)應(yīng)用。相信在不久的將來，CO2捕集技術(shù)會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，從而改善全球環(huán)境。

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