CO2捕集技術(shù)之固體吸附劑技術(shù)

由于溶劑吸收技術(shù)的缺點(diǎn)，促使了固體吸附劑CO2捕集技術(shù)的開發(fā)。相較于傳統(tǒng)胺基捕集工藝，使用固體可再生吸附劑從煙氣中捕集CO2的工藝技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，例如可再生能耗低、吸附容量大、選擇度、易于處理等優(yōu)勢。

目前捕集CO2的固體吸附劑包括沸石13X、金屬有機(jī)骨架（MOF）、活性炭、負(fù)載型堿金屬碳酸鹽等。其中，負(fù)載型堿金屬碳酸鹽作為變溫吸附工藝稀釋氣流中CO2的捕集介質(zhì)，被廣泛研究。堿金屬碳酸鹽能在50~100℃捕集CO2，在120~200℃再生，可用于燃煤發(fā)電廠濕法脫硫煙氣（FGD）中的CO2捕集。堿金屬碳酸鹽吸附劑主要缺點(diǎn)是需要較高再生溫度和固相處理。

負(fù)載型堿金屬碳酸鹽吸附劑可與水形成水合物，水合物在70~90℃條件下捕集CO2形成碳酸氫鹽。溫度達(dá)到120~130℃時，碳酸氫鹽分解并釋放出CO2和水的混合物，混合物可通過蒸汽冷凝轉(zhuǎn)化為可封存CO2。與胺基吸附不同，該工藝的水分蒸發(fā)無需熱量。水合吸附劑能在70~90℃較高溫度下吸附，并在120~130℃再生。因此，吸附和再生溫差僅為40~50℃，可使用熱泵進(jìn)一步降低熱量需求。吸附和再生低溫差有助于吸附劑加熱和冷卻。

水合吸附劑CO2捕集（HSC）工藝，可滿足商業(yè)化裝置所需基本特性。水合吸附劑具有高吸附容量、快速吸附和解吸動力學(xué)以及多循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)勢。該工藝?yán)霉腆w載體上負(fù)載碳酸鉀作為吸附劑。盡管固體吸附劑活性物質(zhì)負(fù)載量較高，但仍具有更高表面積（35 m2/g）和孔體積（0.15 cm3/g）。同時固體吸附劑具有更高吸附容量（3.2 mmol/g）、多周期穩(wěn)定性、較低再生溫度（120~130℃）和對煙氣雜質(zhì)（SOx、NOx、O2等）的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

水合吸附劑工藝可用于天然氣發(fā)電廠產(chǎn)生的煙氣（0.5 kg/t CO2），以及濕法FGD燃煤發(fā)電廠煙氣（SOx＜20 μg/g）。由于水合吸附劑對NOx的惰性，預(yù)計(jì)其NOx耐受性優(yōu)于胺基工藝。與傳統(tǒng)胺基工藝不同，水合吸附劑無需擔(dān)心煙氣中存在氧氣。

吸附劑和工藝優(yōu)化目標(biāo)是降低HSC工藝運(yùn)營成本。通過水和反應(yīng)實(shí)現(xiàn)吸附劑可再生，降低了HSC工藝總熱量需求，從非水合的141 kJ/mol CO2顯著降低至70 kJ/mol CO2。由于固體吸附劑沒有水分蒸發(fā)導(dǎo)致的熱蒸發(fā)，與應(yīng)用傳統(tǒng)胺基工藝的燃煤發(fā)電廠或催化裂化（FCC）煙氣和天然氣發(fā)電站相比，捕集每噸CO2的總能源需求降低了60%~70%。

此外，水合吸附劑吸附反應(yīng)和解吸反應(yīng)溫差較小，可使用熱泵系統(tǒng)有效利用煉廠或發(fā)電廠120~ 180℃的低溫流，同時能耗可降低至傳統(tǒng)胺類吸收（CAAP工藝）的80%~90%。近期，一套中試裝置使用高容量HSC吸附劑循環(huán)流化床，該工藝在穩(wěn)定狀態(tài)下達(dá)到93%的CO2去除率。高容量HSC吸附劑具有3.2 mmol/g的CO2捕集能力，是目前已發(fā)表的胺基和固體吸附劑研究中的最高值之一。

HSC工藝中循環(huán)流化床傳熱率良好。吸附劑在使用狀態(tài)下具有熱穩(wěn)定性、耐磨性、無腐蝕性、非粘性或自由流動等優(yōu)點(diǎn)，同時具有Geldart-A類顆粒良好傳熱和流化性能。水合吸附劑工藝在CO2捕集方面明顯優(yōu)于商業(yè)化溶劑工藝。水合吸附劑工藝中每摩爾CO2捕集所需凈能量僅為傳統(tǒng)胺基工藝的40%，同樣也低于受阻胺工藝。同時，水合吸附劑工藝擁有更低CO2捕集成本。

受阻胺溶劑吸收工藝在CO2捕集和降低資本支出與運(yùn)營成本方面顯現(xiàn)出發(fā)展?jié)摿?。然而，水合固體吸附劑的最新研究進(jìn)展顯示出其可替代溶劑型工藝。胺基溶劑與煙氣接觸，需要一定高度和體積的吸收器滿足質(zhì)傳遞要求，而水合固體吸附劑使用循環(huán)床系統(tǒng)則沒有高度要求。同時與胺基溶劑相比，水合固體吸附劑可在單個容器中實(shí)現(xiàn)更高吸附量。

由于容器尺寸無需特殊冶金工藝，水合固體吸附劑總體運(yùn)營成本比傳統(tǒng)胺基工藝低70%，資本支出比傳統(tǒng)胺基工藝低40%。水合固體吸附劑具有良好持續(xù)吸附循環(huán)能力和大于90%的CO2去除效率，同時可獲得純度99%的CO2。