CO2捕捉及封存技术研究进展

CO2捕捉及封存技术研究进展*

钟栋梁1刘道平2邬志敏2

（1.重庆大学动力工程学院，重庆 400030；2.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

摘要重点讨论了CO2捕捉与封存技术，包括针对火力发电厂的后燃烧处理、预燃烧处理和加氧燃烧处理技术，以及针对CO2固定的植树造林、海洋施肥、光合作用、矿物碳化和气体水合物等技术，期望为CO2捕捉与封存技术的研发提供重要参考。

关键词CO2大气环境煤烟气捕捉

Progress in the development of carbon dioxide capture and sequestration technologies Zhong Dongliang1，Liu Daoping2，Wu Zhimin2.(1.School of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030；2.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093)

Abstract：The huge amount of CO2 emitted into the atmosphere has been threatening the earth environment seriously. This paper emphatically discussed the technologies of CO2 capture and sequestration, including post-combustion process, pre-combustion process and Oxy-combustion process, which are mainly used in the fossil-fueled power plants. The process such as forestation, ocean fertilization, photosynthesis, mineral carbonation, and gas hydrate are widely used for carbon fixation. The introduction of these technologies is in the hope of making valuable references for the development of carbon dioxide capture and sequestration technologies.

Keywords：carbon dioxide；atmospheric environment；coal；flue gas；capture

20世纪世界人口和能源消耗迅速增长。地球总人口翻了四番，超过了62亿。能源消耗从0.9×109 t石油当量（TOE）上升到1.02×1010 t。20世纪的煤炭消耗量占能源消耗总量的43％，石油消耗量占31％，天然气约占15%，而核能和水电的累积总量不超过10％，见图1，因此20世纪也被称作煤炭世纪[1]。本世纪人类社会除了面临能源供应紧张问题，还面临环境保护的巨大压力，尤其是温室效应问题。目前，世界能源消耗的85％来自化石燃料，火力发电厂的CO2排放占全球CO2总排量的40％，其中燃煤发电厂所占比重最大[2]。国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，2100年全球平均气温上升1.9 ℃，海平面升高38 m，同时伴随多个物种的灭绝[3]。因此，CO2作为最主要的温室气体，设法对其进行减排、捕捉和封存成为各国关注的焦点，同时也是世界各国科学研究人员急需解决的重大课题。

减少CO2排放量，目前主要有3种方式：（1）降低能源强度；（2）减少碳排放强度；（3）加强CO2隔离。第1种方式要求高效利用现有能源；第2种方式要求使用非化石燃料，例如，使用氢气或可再生能源；第3种方式则要求高度发展CO2分离和捕捉技术。CO2捕捉与封存技术被认为是缓解环境压力的中期解决方案，因为它允许人类继续使用化石能源直到可再生能源技术发展成熟。RIAHI等[4]研究了包含经济、人口及能源需求等因素的CO2

1第一作者：钟栋梁，男，1980年生，博士，研究方向为能源利用及水合物技术研究。

* 国家自然科学基金资助项目（No.50276038）。

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捕捉及封存模型，研究结果表明CO2捕捉作为长期技术策略的优选方案，能帮助人类应对气候变化造成的环境危机。因此，笔者主要讨论CO2捕捉与封存技术的研究与发展。

图1 20世纪的能源结构

1 火力发电厂的CO2捕捉

在所有工业中，火力发电厂的CO2排放量最大，占总排放量的33%～40%。在封存CO2前必须对其实施分离与捕捉。对发电厂而言，CO2的分离和捕捉有3种方案：后燃烧处理，预燃烧处理和加氧燃烧处理。后燃烧处理技术同天然气分离CO2技术相似，预燃烧处理技术已大规模应用于生产氢气；加氧燃烧收集CO2技术还处于研究试验阶段。

1.1 后燃烧处理

后燃烧处理是从含有NO X和SO2的烟气中分离CO2并作处理，如图2所示，煤粉燃烧发电厂属于典型的后燃烧处理[5]。化学吸收是后燃烧处理CO2的常用方式，例如乙醇胺（MEA）吸收。这种技术已大规模用于天然气工业，优点在于能分离出较纯的CO2。尽管化学吸收剂在规模和投资上与SO2洗涤器相当，但吸收剂能除去发电厂烟气排放总量的1/4~1/3，可以大大减少电厂的发电量。膜气体分离技术是后燃烧处理捕捉CO2的另一种方式。

图2 煤粉燃烧发电厂的CO2捕集

1.2 预燃烧处理

在预燃烧处理系统中，燃料首先通过重整（天然气）和气化（煤）转化为CO2和H2混合气体，然后参与反应，煤气化燃烧发电厂属于此类[5]。CO2从混合气体中分离出来，H2则进入燃气轮机燃烧或直接用于燃料电池，图3给出了该处理过程的流程图。煤在煤气化过程中被部分氧化，转化为以H2和CO为主的气体燃料。当合成气燃料用于类似传统联合发电厂时，该过程被称作整体煤气化联合循环（IGCC）。