碳捕集技術(shù)研究進(jìn)展

陳 亮，賀堯祖，劉勇軍,，羅德明

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2.國(guó)家煙氣脫硫工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610065）

碳捕集技術(shù)研究進(jìn)展

陳 亮1，賀堯祖1，劉勇軍1,2，羅德明2

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2.國(guó)家煙氣脫硫工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610065）

碳捕集技術(shù)對(duì)于減少大氣中的CO2濃度顯得至關(guān)重要，尤其是對(duì)于排放大量溫室氣體的火力發(fā)電廠(chǎng)和工業(yè)源的CO2捕集。本文主要概述了CO2的燃燒前捕集、富氧燃燒捕集、燃燒后捕集這3種主要的碳捕集技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合當(dāng)前正在研究的碳捕集技術(shù)，提出了碳捕集技術(shù)未來(lái)可能的發(fā)展方向。

二氧化碳；燃燒前捕集技術(shù)；富氧燃燒捕集技術(shù)；燃燒后捕集技術(shù)

2014年IPCC發(fā)布的第五次評(píng)估報(bào)告指出，CO2仍然是最主要的溫室氣體。以2010年人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)排放的CO2來(lái)看，其中電力和供暖占25%，農(nóng)林及土地利用占24%，工業(yè)占21%，交通占14%，建筑行業(yè)占6.4%，其他占9.6%[1]。根據(jù)大多數(shù)情景預(yù)測(cè)，接下來(lái)的幾十年里一次性能源的供應(yīng)仍將以化石燃料為主，而化石燃料燃燒所產(chǎn)生排放的CO2占的比重較大，且也是最為可控的[2]。

CCS技術(shù)是指將CO2從相關(guān)燃燒排放源捕獲并分離出來(lái)，輸送到油氣田、海洋等地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期（幾千年）封存，從而阻止或者顯著減少溫室氣體的排放，以減輕對(duì)地球氣候的影響，被認(rèn)為是目前最有效的措施。而其中碳捕集的成本占整個(gè)系統(tǒng)的2/3，因而碳捕集技術(shù)的研究和發(fā)展對(duì)于大力發(fā)展CCS技術(shù)顯得至關(guān)重要。

碳捕集技術(shù)主要分為3種，一是燃燒前捕集，二是富氧燃燒捕集，三是燃燒后捕集。碳捕集技術(shù)的選擇取決于燃料的類(lèi)型、燃燒方式、燃燒的溫度、氣體中CO2濃度和分壓以及現(xiàn)有技術(shù)和成本。

1 燃燒后捕集技術(shù)

火電廠(chǎng)的CO2燃燒后捕集在特定的經(jīng)濟(jì)條件下是可行的，且已有工業(yè)化應(yīng)用。如圖1所示，傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠(chǎng)通過(guò)煤與空氣混合燃燒產(chǎn)生熱和電，在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生SO2、NOx和顆粒物等污染物，由于CO2的捕集過(guò)程需要保持混合氣體的相對(duì)潔凈度，因而一般捕集的過(guò)程在除塵脫硫脫硝以后。燃燒后捕集技術(shù)的分支較多，主要分為吸收法、吸附法、膜分離法、低溫蒸餾法等，目前應(yīng)用得最廣泛且高效的CO2捕集方法是醇胺吸收法。醇胺法能夠捕集85%~95%的CO2，吸收了CO2的溶劑再進(jìn)行升溫解吸，可得到高濃度的CO2氣體進(jìn)行運(yùn)輸封存。

盡管商業(yè)化的CO2捕集系統(tǒng)還沒(méi)有完全建立起來(lái)，醇胺法捕集工程在近20多年以來(lái)已陸陸續(xù)續(xù)建立起來(lái)上百座[3]，主要應(yīng)用于食物和飲料等工業(yè)的原料氣中的CO2的捕集，少部分應(yīng)用于火力發(fā)電廠(chǎng)的CO2捕集。其中以L(fǎng)ummus、MHI、Fluor Daniel等公司的工業(yè)化捕集最為知名。一般的醇胺吸收液濃度為20%左右，增加吸收液濃度能夠提高捕集效率和減少能耗，但是吸收液濃度越大其對(duì)設(shè)備的腐蝕性也就越大，因而不同設(shè)計(jì)的捕集系統(tǒng)和裝備，其工藝流程和參數(shù)也大大不同。

圖1 燃燒后捕集CO2系統(tǒng)示意圖

燃燒后捕集技術(shù)可以直接應(yīng)用于傳統(tǒng)電廠(chǎng)煙氣CO2捕集，且建設(shè)費(fèi)用較低，但是由于傳統(tǒng)電廠(chǎng)的煙氣流量大，CO2濃度低，壓力小，因而其捕集能耗和成本都很難降低。且以醇胺吸收法為主的捕集技術(shù)，由于醇胺溶液具有比較強(qiáng)的腐蝕性且易揮發(fā)具有一定毒性，因而醇胺吸收法具有一定的局限性。隨著近年來(lái)CO2捕集技術(shù)和材料研究的深入，吸附法發(fā)展較快且具有吸附速率快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別是吸附劑的吸附性能越來(lái)越高。Qi等人[4]制備出了吸附容量達(dá)12mmol·g-1（65℃，PCO2=0.08）的固體胺吸附劑，這些新興吸附劑的出現(xiàn)有可能以更低的成本和能耗成功應(yīng)用于燃燒后碳捕集。

2 燃燒前捕集

在燃燒前去除燃料中的碳元素，那么必然得將燃料中的碳轉(zhuǎn)化為易分離的物質(zhì)。以燃煤火電廠(chǎng)為例，如圖2所示，煤與水蒸汽或者氧氣在高溫高壓下發(fā)生部分氧化反應(yīng)，產(chǎn)生一定量的CO和H2，即得到所謂的“合成氣”。合成氣經(jīng)過(guò)顆粒去除純化以后，合成氣中的CO與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)生成CO2，然后經(jīng)過(guò)吸收法、吸附法等技術(shù)去除CO2，例如已得到廣泛工業(yè)應(yīng)用的Seloxol法，然后得到幾乎純凈的H2燃料氣。

圖2 燃燒前捕集CO2系統(tǒng)示意圖

盡管燃料氣化相對(duì)于傳統(tǒng)的直接燃燒的步驟較為復(fù)雜且成本較高，但是在CO2的分離過(guò)程中，在高壓、且CO2濃度較高的分離條件下，分離更為簡(jiǎn)單且成本較低。與燃燒后捕集CO2是通過(guò)CO2與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)不同的是，燃燒前捕集CO2更適合的方法是CO2在高壓、高濃度條件下發(fā)生物理吸收吸附，然后降壓進(jìn)行解吸。但是燃燒前捕集的能耗較大，特別是燃料氣氣化重組轉(zhuǎn)換和CO2與H2混合氣變壓分離CO2的過(guò)程，最初的燃料轉(zhuǎn)化步驟較為復(fù)雜，與燃燒后系統(tǒng)相比成本較高。但由變換反應(yīng)器產(chǎn)生的高濃度CO2（在烘干條件下一般占體積的15%~60%），以及在這些應(yīng)用中的高壓條件，則更有利于CO2的分離。燃燒前系統(tǒng)可以在采用綜合汽化復(fù)合循環(huán)（IGCC）技術(shù)的電廠(chǎng)中使用[5]。

3 富氧燃燒捕集

如圖3所示，富氧燃燒技術(shù)是指在燃燒過(guò)程中通入不含氮?dú)獾募冄酰紵蟮臒煔釩O2體積濃度可達(dá)85%以上[6]，便于后續(xù)的封存。富氧燃燒捕集具有非常大的發(fā)展前景，由于燃燒過(guò)程中沒(méi)有氮?dú)獾膮⒓?，其燃燒溫度更高，且只產(chǎn)生微量的NOx，因而整個(gè)碳捕集過(guò)程其能耗較低。

但是富氧燃燒捕集整個(gè)核心是制氧過(guò)程，常采用低溫分離和膜分離技術(shù)[7]，制氧過(guò)程費(fèi)用很高。由于富氧燃燒過(guò)程溫度較高，因而涉及燃燒器的材料耐受力和燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改造。綜合考慮制氧成本和燃燒器結(jié)構(gòu)這兩方面問(wèn)題，該過(guò)程目前主要限制于實(shí)驗(yàn)室和中試研究[8]。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在研究改造富氧燃燒器，使得燃燒器能夠同時(shí)將CO2的傳輸利用以及保存集于一體[9]。

圖3 富氧燃燒捕集CO2系統(tǒng)示意圖

4 總結(jié)和展望

隨著全球越來(lái)越重視氣候的變化，溫室氣體的減排必將會(huì)受到各國(guó)的重視，碳捕集技術(shù)是各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。由于煙氣的組成較為復(fù)雜，在原本的脫硫脫硝以后，還要進(jìn)行碳捕集，目前最大的困難就是如何降低捕集成本。近些年來(lái)膜分離法、吸附法、低溫蒸餾法的研究中，以吸附法研究最為熱門(mén)。各種吸附材料的研究和快速發(fā)展，伴隨著吸附劑制備成本的降低，吸附法將會(huì)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)適用于燃燒后碳捕集。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，燃燒前捕集和富氧燃燒捕集技術(shù)也將會(huì)慢慢地應(yīng)用于各種化石燃料燃燒的過(guò)程中，特別是對(duì)于火力發(fā)電廠(chǎng)而言，燃燒前捕集技術(shù)的發(fā)展將會(huì)大大減少電廠(chǎng)的CO2排放量。

捕集后的二氧化碳作為一種副產(chǎn)物，只有少數(shù)會(huì)進(jìn)入工廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用，大部分還是通過(guò)封存來(lái)進(jìn)行保存，因而碳捕集技術(shù)的發(fā)展也將伴隨著碳運(yùn)輸和碳利用研究。由于碳捕集技術(shù)大部分還是處于試驗(yàn)性研究，因而工業(yè)化以及商業(yè)化的推廣也是其一大任務(wù)。

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Recent Advance in Carbon Dioxide Capture Technologies

CHEN Liang1, HE Yao-zu1, LIU Yong-jun1,2, LUO De-ming2
(1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.National Flue Gas Desulfurization Engineering Technology Research Center, Chengdu 610065, China)

Carbon dioxide capture was widely seen as a vital technology for reducing atmospheric emission of CO2from power plants and other industrial facilities. In this paper, the recent research on three type of capture technologies, namely pre-combustion processes oxy-combustion systems and post-combustion CO2capture processes, were reviewed. For prospective, we made insight of the further process about CO2capture that would make in the future.

carbon dioxide; pre-combustion; oxy-combustion; post-combustion

TQ 127.1

A

1671-9905(2016)04-0042-03

2016-02-26