變壓吸附分離工業(yè)廢氣中二氧化碳的研究進(jìn)展初探

【摘要】介紹了碳的捕獲和存儲(chǔ)，分析了二氧化碳分離工藝及捕獲系統(tǒng)，探討了二氧化碳變壓吸附分離技術(shù)的進(jìn)展、國(guó)內(nèi)外變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展。另外，還指出了變壓吸附分離二氧化碳工藝中存在的問(wèn)題，并就這些問(wèn)題提出相應(yīng)的改進(jìn)策略，希望能夠?yàn)閷?shí)際工作提供指導(dǎo)與參考。

【關(guān)鍵詞】變壓吸附；工業(yè)廢氣；碳捕獲；碳存儲(chǔ)；二氧化碳

1.引言

石油、煤炭的大量使用會(huì)導(dǎo)致排放到大氣中的二氧化碳量急劇上升，其帶來(lái)的溫室效應(yīng)已經(jīng)成為影響人類生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域的重要問(wèn)題。為了降低二氧化碳的排放量，緩解溫室效應(yīng)，人們嘗試運(yùn)用各種方式方法來(lái)提高能源利用效率，尋找替代能源，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。文章主要就利用變壓吸附分離工業(yè)廢氣中的二氧化碳進(jìn)行探討與分析，并提出具體的工藝策略，希望對(duì)工業(yè)廢氣二氧化碳的分離工藝提供借鑒。

2.碳的捕獲和存儲(chǔ)簡(jiǎn)介

碳的捕獲和存儲(chǔ)是隨著科研的深入和技術(shù)的更新發(fā)展而出現(xiàn)的新概念，其主要目的是采取相應(yīng)的技術(shù)措施，減少向大氣的二氧化碳排放量。這兩個(gè)概念最早產(chǎn)生于1977年，具體是指采取相應(yīng)的措施，將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源中分離出來(lái)，輸送到一個(gè)封存地點(diǎn)，并長(zhǎng)期與大氣隔絕的過(guò)程，從而減少向大氣的二氧化碳排放量。程序包括捕獲、運(yùn)輸、封存三個(gè)階段。實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)這三個(gè)流程實(shí)現(xiàn)對(duì)碳的捕獲和存儲(chǔ)，該概念的出現(xiàn)和工業(yè)生產(chǎn)的具體應(yīng)用，主要目的是降低二氧化碳排放量，緩解溫室效應(yīng)，保護(hù)人類生存環(huán)境。然而，碳的捕獲和存儲(chǔ)只是降低二氧化碳排放量，緩解溫室氣體的一種方案，能否得到具體應(yīng)用，以及應(yīng)用效果如何，還受到技術(shù)成熟程度、成本、法律法規(guī)等的制約。只有在所有這些因素都具備和完善的前提下，才有可能對(duì)該方案進(jìn)行有效的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行推廣和普及。在具體應(yīng)用中，碳的捕獲最為困難，所需要耗費(fèi)的資金也更多，占到整個(gè)工藝流程資金耗費(fèi)的85%左右。因此，在實(shí)際工作中，關(guān)鍵是要采取有效的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳的有效捕獲。

3.二氧化碳分離工藝及捕獲系統(tǒng)概述

3.1分離工藝的類型與特征。就其類型來(lái)看，分離工藝包括溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法、變壓吸附法四種不同的工藝類型。這些工藝各有自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在具體的應(yīng)用過(guò)程中，既可以根據(jù)具體情況單獨(dú)采用某種工藝，也可以根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)幾種工藝進(jìn)行組合，以提高工作效率。當(dāng)氣體的二氧化碳濃度較低，一般適合采用溶劑吸收法，采用該工藝對(duì)二氧化碳進(jìn)行濃縮之后，其濃度可以達(dá)到99.99%。盡管該工藝可以得到濃度較高的二氧化碳，但也存在著一些缺陷與不足，例如，工藝的投資較低，能源消耗巨大，分離回收成本較高，因而該工藝的推廣和應(yīng)用受到較大程度的限制。低溫蒸餾法的能源消耗也十分巨大，投資較多，在二氧化碳濃度較高的情形比較適用，但該工藝的分離效果較差，在具體應(yīng)用中難以推廣和普及。膜分離法的成本投入較少，能源消耗也相對(duì)降低，但得到的二氧化碳濃度不高，在模分離之前需要進(jìn)行脫水、過(guò)濾等處理工作，盡管該方式存在不足之處，但綜合來(lái)看仍然是一種較為優(yōu)良的工藝方式。變壓吸附法通過(guò)捕獲提純二氧化碳，能源消耗較低，操作簡(jiǎn)單方便，對(duì)周圍環(huán)境沒(méi)有污染，是較為理想的處理工藝。

3.2捕獲系統(tǒng)的不同種類。在具體應(yīng)用中，包括燃燒后捕獲、燃燒前捕獲、氧燃料燃燒三種不同的方式，不同的方式操作流程不一樣，具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，在具體應(yīng)用中，不管采用何種方式，需要考慮燃?xì)饬髦械亩趸紳舛?、燃?xì)饬鲏毫?、燃料類型等因素，以達(dá)到更好的處理效果，促進(jìn)捕獲和分離工藝的正常運(yùn)行。

4.二氧化碳變壓吸附分離技術(shù)的進(jìn)展研究

4.1二氧化碳分離工藝研究。在對(duì)氣體分離和提純的過(guò)程中，變壓吸附所采用的的方式是，通過(guò)周期性的壓力變換從而實(shí)現(xiàn)上述目的。為提高分離效果，在設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝流程等方面都取得了進(jìn)步。例如，1960年出現(xiàn)了變壓吸附雙塔結(jié)構(gòu)，使得變壓吸附循環(huán)操作得以實(shí)現(xiàn)，取得了良好的效果，不僅使產(chǎn)物的回收率得到了提高，還降低了均壓中的能量損失，給整個(gè)變壓吸附帶來(lái)重要的意義。另外，為了降低能量損耗，使二氧化碳的純度、回收率得以提高，再加壓、均壓、順流減壓、回流等工藝相繼出現(xiàn)，并在具體工作中得到應(yīng)用，這些工藝的出現(xiàn)，不僅使得產(chǎn)品的回收率得到提高，還提高了產(chǎn)品的純度，使得工藝流程中的能源消耗不斷降低，對(duì)整個(gè)變壓吸附分離技術(shù)帶來(lái)積極的作用。

4.2吸附劑材料分析。在具體應(yīng)用中，吸附劑的主要作用是捕獲二氧化碳，衡量吸附劑好壞的標(biāo)準(zhǔn)包括工作能力、選擇性、平衡等溫線類型、熱效應(yīng)等指標(biāo)。較為常用的材料包括活性炭、沸石、活性氧化鋁等，各有自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該根據(jù)具體需要合理選用。

5.國(guó)內(nèi)外變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展研究

5.1現(xiàn)代變壓吸附技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步。最先利用變壓吸附二氧化碳技術(shù)的時(shí)候，人們普遍認(rèn)為該技術(shù)缺乏發(fā)展前景，其成本較高，能源消耗較大，難以大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。隨著技術(shù)的改進(jìn)和升級(jí)，吸附塔結(jié)構(gòu)、循環(huán)設(shè)計(jì)、吸附劑等進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和提升，變壓吸附分離技術(shù)得到了進(jìn)一步廣泛的應(yīng)用。目前，該技術(shù)的二氧化碳回收率高、純度高、能耗低、成本投入少，效益明顯，是較為理想的二氧化碳吸附技術(shù)。

5.2國(guó)外變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展。在國(guó)外，該技術(shù)取得了不斷的改進(jìn)，其工藝流程變得更為簡(jiǎn)單，操作也更為方便，效益越來(lái)越明顯。日本最先利用變壓吸附技術(shù)分離二氧化碳，另外，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等也重視該技術(shù)的應(yīng)用。并且注重在這方面的投入，相應(yīng)的研究成果不斷出現(xiàn)并得到推廣。以日本為例，日本政府已經(jīng)累計(jì)投入5000萬(wàn)美元用于二氧化碳捕獲和存儲(chǔ)的科研活動(dòng)，并且，設(shè)計(jì)活塞驅(qū)動(dòng)式超快速變壓吸附來(lái)捕獲二氧化碳，研發(fā)溫度支持的固定塔系統(tǒng)來(lái)分離二氧化碳，在科研方面取得了重要的突破，對(duì)具體工作也產(chǎn)生積極的影響。

5.3國(guó)內(nèi)變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展。該技術(shù)最早由西南化工研究設(shè)計(jì)院開發(fā)出來(lái)。1987年，第一套從石灰窯氣中提純二氧化碳的裝置在四川眉山氮肥廠投入運(yùn)行；1989年，第一套從合成氨變換氣中提純二氧化碳的裝置在廣東江門氮肥廠投產(chǎn)；1995年，寧波化肥廠建成從合成氨變換氣中分離回收二氧化碳的變壓吸附裝置；1997年，云南峨山化肥廠建成一套液體二氧化碳生產(chǎn)裝置；2005年，四川開元科技有限責(zé)任公司改進(jìn)變壓吸附脫碳技術(shù)工藝流程，優(yōu)化設(shè)備配置，并在自動(dòng)控制系統(tǒng)方面取得較大進(jìn)步。今后隨著科研的深入，該技術(shù)將會(huì)取得更大的進(jìn)步，其應(yīng)用效果也更為顯著。

6.變壓吸附分離二氧化碳工藝中存在的問(wèn)題

6.1改進(jìn)變壓吸附循環(huán)設(shè)計(jì)或研發(fā)親二氧化碳吸附劑材料。工廠排出的廢氣，經(jīng)過(guò)處理后也會(huì)有5%左右的水蒸氣無(wú)法清除，而吸附劑往往先吸附水蒸氣，從而使得二氧化碳的吸附能力降低，今后有必要改進(jìn)變壓吸附循環(huán)設(shè)計(jì)，或研發(fā)親二氧化碳吸附劑材料。

6.2壓力降的存在對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。壓力降對(duì)加壓、減壓、沖洗產(chǎn)生負(fù)面作用，使得系統(tǒng)壓力降低，增加系統(tǒng)能耗，降低成本投入，對(duì)提高二氧化碳回收率也帶來(lái)負(fù)面影響。

7.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，變壓吸附分離工業(yè)廢氣的二氧化碳工藝能源消耗少，投資較少，不會(huì)帶來(lái)污染問(wèn)題，效益顯著，對(duì)分離二氧化碳具有重要作用。今后在減少二氧化碳排放方面將會(huì)發(fā)揮更加重要的作用。

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