【《CO2捕集技术综述》2200字】

CO2捕集技术综述我国是一个能源消耗大国，其中电力产业消耗了大部分能源。电力产业作为最大的单一碳排放源，对其进行“脱碳”在世界低碳转型过程中起着至关重要的作用。想要实现CO2减排，一类方法是从源头减少CO2的排放，比如通过对设备和工艺进行优化升级，提高燃料转化率或使用可再生能源（如风能和太阳能等）、清洁能源取代传统化石燃料，实现CO2减排。另一类方法是将排放出的CO2进行后续处理，避免其排入大气。二氧化碳捕集与封存技术（CCS）便是针对产生的CO2进行后续处理的一种综合性技术。该技术通过某种捕集技术将电厂烟气中的CO2进行分离回收后再压缩将其储存，从而减少CO2排入大气。CCS技术的使用将有助于减少14%的CO2排放量进入大气[10]，被认为是目前可以大量减少CO2排放且经济可行的方法。我国CCS技术虽然起步较晚，但发展迅速。而目前CCS技术中CO2捕集成本约占总成本的70%以上[11]，捕集成本较高，因此发展低能耗的捕集技术，降低捕集成本是推动CCS技术发展的关键。在电厂目前的CO2捕集技术中燃烧后捕集技术由于该技术对电厂运行设备改造简单，改造量小，而被认为是未来一段时间里最具有工业应用前景的捕集技术。目前，可应用于燃烧后CO2捕集的典型技术有物理吸附法、膜分离法、低温蒸馏法和溶剂吸收法。1.1物理吸附法物理吸附法是指当烟气通过某种固态吸附剂时，利用CO2的特性与烟气中其他气体分子不同从而使CO2吸附于吸附剂表面，然后再通过某种合适的解吸方法将CO2再生，从而实现CO2分离和富集的一类捕集技术。物理吸附法根据不同的吸附机理可分为变温吸附法（TSA）、变压吸附法（PSA）和变温变压吸附法（PTSA）[12]。TSA法是通过改变吸附剂的温度来实现CO2吸附和解吸过程的，即常温或低温下对CO2进行吸附，高温下对CO2进行解吸[13]。PSA法是调节压力来实现对CO2的吸附和解吸，即在高压操作条件实现CO2吸附，在低压操作条件进行CO2解吸的方法[14]。由于TSA法需要频繁的调节温度变化，操作时间长，能耗大，所以工业上较少使用TSA法。物理吸附法工艺过程简单、能耗低、操作弹性大、无腐蚀性，但是吸附剂的吸附容量和选择性较低，吸附剂用量大，且由于需要连续进行吸附和解吸，对运行设备自动化程度依赖性较高。此外，该方法的CO2回收率较低。因此该捕集工艺的工业化应用受到了限制。1.2膜分离法膜分离法是利用膜对烟气中不同气体渗透率不同来对某种气体进行分离脱除的一类捕集技术。膜分离法利用膜两侧的压力差，使烟气中高渗透率的气体可以迅速通过膜材料实现气体的分离。当膜分离法用于捕集CO2时，使用对CO2具有高渗透率的膜材料是该方法的关键。目前常用于CO2分离的膜材料按其材料特性一般可以分为有机膜、无机膜和混合机质膜。其中有机膜制备方便、成本低，但是由于耐热性能差、易被腐蚀和污染等问题，其应用受到限制[15]；无机膜热稳定性和化学稳定性较好，但是对CO2的分离系数较低，需要使用多级膜分离，且制备难度大，成本较高[16]；而混合机质膜则是综合了有机膜和无机膜各自的优点，耐热性能好，化学稳定性高，CO2渗透性高，具有良好的应用前景。但膜分离法捕集CO2不适用烟气中的CO2分压较低的工况条件，会导致CO2分离效率低。因此，一种新型膜吸收法在传统膜分离技术的基础上被开发出来，即膜分离法和化学吸收法相结合的方法。在该方法中，膜对气体分子没有选择性，仅对烟气和吸收剂起隔离作用。气体分子透过膜微孔扩散到另一侧吸收剂中，此时膜两侧由于气体分子中的CO2被吸收剂吸收而出现浓度差，导致CO2分子不断透过膜微孔进入吸收剂中，从而达到CO2的分离。膜吸收法的工作原理如图1-2所示。膜吸收法的开发解决了由于烟气中CO2分压较低所导致的膜两侧压差不够，分离效率低的问题，但是实现该方法工业化应用还需提升膜材料稳定性以及膜材料与吸收剂结合性等关键性能。图1-2膜吸收法工作原理[17]Fig.1-2Theworkingmechanismofmembraneabsorptionmethod[17]1.3低温蒸馏法低温蒸馏法是利用烟气中不同气体分子在低温和高压下沸点的差异，在低温下将CO2冷凝分离的一种物理方法。在使用该方法之前，为了避免影响CO2分离后的纯度，应先将待分离的烟气进行除尘和脱水，然后将烟气进行冷却压缩使烟气中的CO2不断液化分离。但是烟气中CO2分压较低，使用低温蒸馏法分离困难，脱除效率低，且能耗大，据估算该方法消耗的能量可高达电厂燃煤产生的能量的55%[18]。通常，低温蒸馏法较适用于CO2分压高于90%的混合气体[19]。另外，由于低温蒸馏法在低温冷凝分离过程中所需设备庞大，成本较高，因而其在现阶段的烟气脱碳工艺中很少使用。1.4溶剂吸收法溶剂吸收法是利用烟气中不同气体分子在吸收剂中的溶解度或反应活性不同而对CO2选择性的分离，随后再采用适宜的方法将CO2解吸出来的一类捕集技术。该方法又分为物理吸收法和化学吸收法。物理吸收法中，CO2在较高压力或较低温度下在溶剂中的溶解度增大，而减压或加热操作可以使CO2从溶剂中再生出来，这一过程中不发生化学反应。现有的物理吸收法有加压水洗法、Selexol法、碳酸丙烯酯法、低温甲醇洗法、吡咯烷酮法等[20]。该方法最大的优势在于其能耗较低，CO2再生条件温和，并且可实现吸收溶剂的完全再生[21]，但是其选择性往往较低，分离效果不佳。化学吸收法则是利用吸收溶剂与CO2之间发生化学反应来达到CO2分离目的的方法。一般是在低温下吸收剂通过化学反应对CO2进行分离，然后加热富液将CO2解吸。正因为捕集过程中化学反应的发生，使得化学吸收法对CO2的选择性高于其