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【6·5世界环境日】碳捕集技术原理
2021-06-01

碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage,CCUS)技术指将二氧化碳(CO2)从工业或者能源生产相关源中分离并捕集,加以地质、化工或生物利用,或输送到适宜的场地封存,使CO2与大气长期隔离的技术体系,该技术路线被认为是削减温室气体排放的有效途径。

碳捕集技术是指将CO2从固定排放源中分离,目前主要的固定CO2排放源包括水泥和钢铁生产、化石燃料制氢、垃圾焚烧和发电等行业。

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从固定排放源捕集二氧化碳

01 燃烧前碳捕集(Pre-combustion Capture)技术

燃烧前捕集技术是指将氢气、天然气、煤气和合成气等可燃气体中的CO2进行分离与捕集的技术。由于CO2分离是在燃料燃烧前进行的,燃料气尚未被N2稀释,燃料气中CO2浓度高,由于高压(10~80 bar)和高浓度(20%~50%),捕集的能耗和成本较低。通常说到燃烧前捕集技术,大多是指基于煤气化或整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)的CO2燃烧前捕集技术。高压下,化石燃料与氧气、水蒸气在气化反应器中分解生成CO和H2混合气,经冷却后,送入变换器,进行催化重整反应,生成以H2和CO2为主的水煤气,并对其进行CO2分离,获得的高浓度H2作为燃料送入燃气轮机。

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基于IGCC的燃烧前CO2捕集技术

目前,溶液吸取、固体吸附、膜分离是燃烧前碳捕集主要的技术,具备商业运行能力。

溶液吸取法

是利用溶液从混合气中分离CO2,按吸取原理可分为物理溶液吸取法、化学溶液吸取法以及物理-化学混合溶液吸取法等。物理吸取法利用CO2在溶液(如甲醇、N-甲基吡咯烷酮、聚乙二醇二甲醚等)中的溶解度随压力而改变的原理来吸取、分离CO2,温度越低,压力越高,溶剂对CO2吸取效果就将越好,如超低温Rectisol工艺,具有捕集能耗低的特点,更适于中高压(20~80bar)条件。化学吸取是采用溶液与CO2发生化学反应形成化学键进行吸取,并在较高温度下进行解吸再生,具有捕集容量大、选择性高、工艺简单等特点,在常压操作条件下捕集效果要明显优于物理溶剂。

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不同吸取溶液对CO2的吸取效果(来源:化工进展,2014年,33卷7期,1895-1901)

固体吸附法

是指通过固体吸附剂从混合气中分离CO2,按吸附原理包括物理吸附及化学吸附。物理吸附主要基于在较高压力下吸附,降压加冲洗或降压加抽空的再生循环工艺。变压或变压/变温吸附材料包括活性炭、分子筛、水滑石、笼状水合物等。化学吸附可利用负载胺、硅酸盐、碳酸盐等通过化学反应吸附二氧化碳,并在高温下进行解吸、再生。其主要特点是吸附选择性高,对环境蒸汽或水分耐受性好。部分吸附剂可工作在中高温(200~600℃),因而不需要对变换气进行冷却,使得整体捕集成本较低。

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固体吸附法CO2分离

膜分离法

主要应用在合成气CO2和H2分离。用于合成气脱碳的膜过程是典型的高压膜过程,合成气压力为 3~5 MPa,其中H2含量为60%~80%,其余主要为CO2。用于CO2和H2分离的膜有两类:一类为H2优先渗透膜,即H2/CO2分离膜,另一类为CO2优先渗透膜,即CO2/H2分离膜。

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膜分离原理

02 燃烧中碳捕集(Oxy-fuel capture)技术

富氧燃烧和化学链燃烧技术是指通过空分或载氧体富集氧气,在化石能源燃烧时主要通入氧气,得到高浓度的CO2,从而减少CO2和空气中惰性气体如N2的分离难度和能耗。这类技术包括富氧燃烧技术和化学链燃烧技术。燃烧中碳捕集技术包括富氧燃烧、化学链燃烧技术。

富氧燃烧(Oxy-combustion)技术

是指用高浓度的O2与CO2的混合气体代替空气在锅炉内与煤粉进行燃烧反应。其中,O2是利用工业级的空分装置获得,CO2是通过烟气循环的方式从锅炉排放的烟气中获得,通过不断的CO2循环和富集使得烟气中CO2浓度不断升高,理论上干烟气下CO2的浓度可高达80%以上,便于进行CO2的压缩与分离,具有成本低、易规模化、适于存量机组改造等优点,其系统流程如图。

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富氧燃烧系统示意图(来源:刘建华. 国内燃煤锅炉富氧燃烧技术进展[J]. 热力发电, 2020, 49(7): 48-54.)

化学链燃烧(Chemical Looping Combustion)技术

是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧,借助载氧体,使燃料无需与空气接触,燃烧侧产物只有CO2和水,经冷凝后可直接回收CO2,无需额外的分离装置。化学链燃烧系统由空气反应器、燃料反应器和载氧体组成,其中载氧体由金属氧化物与载体组成,金属氧化物真正参与反应传递氧,而载体承载金属氧化物并提高化学反应特性。金属(Me)在空气反应器中,被空气中的氧气氧化,生成金属氧化物(MeO);金属氧化物(MeO)在燃料反应器中,与燃料发生氧化还原反应,燃料发生氧化反应生成CO2和H2O,MeO发生还原反应生成金属(Me)。

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化学连燃烧原理示意图

03 燃烧后碳捕集(Post-combustion Capture)技术

燃烧后捕集技术是指将CO2和氮气、氧气和水蒸汽等不可燃气体的分离。这些气体主要来源于工业过程释放的烟道气,量大面广,是最主要的CO2排放源。这类混合气体的压力为常压1 bar左右,CO2浓度为2%~30%。由于常压和低浓度,CO2捕集的能耗和成本要高于燃烧前捕集技术,但常压设备投资和维护成本较低。

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化学吸取法

化学吸取法脱除CO2是利用碱性吸取剂与烟气接触并与CO2发生化学反应,形成不稳定的盐类,而盐类在加热或减压的条件下会逆向分说明放CO2而再生吸取剂,从而将CO2从烟气中分离。典型的化学吸取法工艺为,烟气经预处理后进入吸取塔,自下向上流动,与从吸取塔顶部自上而下的吸取剂形成逆流接触,脱碳后的烟气从吸取塔顶排出。吸取CO2的吸取剂为富液,经贫富液换热器升温后进入再生塔解吸CO2,解吸的CO2连同水蒸气冷却后,除去水分后得到高纯度CO2气体。解吸CO2的吸取剂为贫液,由再生塔底流出,经贫富液换热器换热后,进入吸取塔循环构吸取CO2。

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化学吸取法工艺示意图

固体吸附法

燃烧后固体吸附法一般是利用化学吸附,烟气中的CO2与固体材料表面某些原子或基团形成化学键合而产生的吸附作用。化学吸附工艺依托变温吸附系统进行,其典型工艺系统由吸附和脱附两个反应器组成。烟气首先进入低温吸附反应器(吸附塔),与吸附剂发生反应,脱除其中的CO2;经过旋风分离器将富含CO2的吸附剂与净化气分离;富含CO2的吸附剂进入高温脱附反应器(解吸塔),通过水蒸气加热再生继而释放其捕捉的CO2;再生后的吸附剂即CO2贫乏的吸附剂,经过冷却器进行冷却后,返回吸附反应器,用于循环吸附CO2。和溶液吸取相比,无溶剂参与,工艺过程简化,无设备腐蚀,节能降耗明显。

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固体吸附法工艺

膜吸取法

膜吸取法是将膜和化学吸取相结合,该技术主要采用微孔膜,在膜吸取工艺中,混合气体与吸取液不直接接触,二者分别在膜的两侧流动,所采用的微孔膜本身没有选择性,只是起到隔离混合气体与吸取液的作用,微孔膜上的微孔足够大,理论上可以允许膜一侧被分离的气体分子不需要很高压力就可以穿过微孔膜到膜另一侧,该过程主要依靠膜另一侧吸取液的选择性吸取达到分离混合气体中CO2的目的。

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CO2膜吸取原理

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