CO2捕集及分离技术的简述代分离作业

CO2 捕集及分离技术的简述

摘要:随着科学技术的发展和环保要求的提高，控制CO2的排放量成为了工业化

发展的一个不可回避的课题。本人详细介绍了电厂CO

2

捕集方法及相关原理和三

种CO

2

分离技术。

关键词：CO2捕集；脱碳；分离；吸收

前言

据统计，现在每年排入大气中的CO

2高达290亿t，而约有一半的CO

2

存留于

大气中。在工业化前CO

2

在空气中的含量是280×10-6 mg/L，目前已高达约370

×10-6mg／L[1]。大气中CO

2

的含量过高是引发引发温室效应的主要原因，它带给人类的危害是多方面的，如由冰川融化、北极层缩减、降雨形态改变等异常现象造成的飓风、干旱、海洋风暴、沙漠面积增大等自然灾害，物种灭绝及生物多样性的丧失，饮用水的减少及平均气温上升等[2]。

二氧化碳主要是来自石燃料——煤炭、石油和天然气燃烧产生，随着经济

及工业的发展，CO

2

排放量越来越大，温室效应加剧等问题使环境与经济可持续发展面临严峻的挑战。因此，引起温室效应和全球气候变化的二氧化碳的减排及

回收净化和再利用技术成为各国关注的焦点[3]。本文主要介绍几种CO

2

的捕集及分离方法。

1 CO

2 捕集方法

在人类排放的CO

2

中，电站是燃烧化石燃料最大、最集中的排放源，控制电

厂CO

2的排放是人类减CO

2

最重要的切入点[4]。依据捕获系统的技术基础和适用

性，通常将火电厂CO

2

的捕集系统分为以下4种：燃烧后脱碳（post-combustion）、

燃烧前脱碳（pre-combustion）、富氧燃烧技术（oxyfule）以及化学链燃烧技术（CLC）。

1.1 燃烧后脱碳

所谓燃烧后脱碳是指采用适当的方法在燃烧设备后，如电厂的锅炉或者燃气

轮机，从排放的烟气中脱除CO

2

的过程。这种技术的主要优点是适用范围广，系

统原理简单，对现有电站继承性好。但捕集系统因烟气体积流量大、CO

2

的分压

小，脱碳过程的能耗较大，设备的投资和运行成本较高，而造成CO

2

的捕集成本较高[5]。

1.2 燃烧前脱碳

燃烧前CO

2

分离技术主要是在燃料燃烧前,将碳从燃料中分离出去，参与燃

烧的燃料主要是H

2，从而使燃料在燃烧过程中不产生CO

2

[6]。燃烧CO

2

分离技术

的典型应用就是整体煤气化联合循环系统(IGCC)。其技术路线为：固态燃料(煤、石油焦、生物质等)首先进入气化炉气化，生产出粗煤气，然后粗煤气经历除尘、

脱硫等净化工艺后与水发生重整反应，使得绝大部分煤气转化为H

2与CO

2

。重整

后的煤气中CO

2浓度较高，因此可以采用较低的能耗进行CO

2

分离，H

2

占分离CO

2

后的气体的大部分，从而将固体燃料化学能从碳转移到氢中, CO

2

经压缩后用于

其他工业生产过程或储藏。燃烧前CO

2分离应用于IGCC的主要优点：CO

2

浓度较

高，捕集系统小、能耗低，加上在其他污染物控制以及效率上的潜力等[7]。1.3 富氧燃烧

该技术是利用空分系统制取富氧或纯氧气体，然后将燃料与氧气一同输送到专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，生成烟气的主要成分是CO

2

和水蒸气。燃烧后的部

分烟气重新回注燃烧炉，一方面降低燃烧温度；另一方面进一步提高尾气中CO

2

质量浓度，据测算，尾气中CO

2

质量浓度可达95%以上，由于烟气的主要成分是

CO

2和H

2

O，可不必分离而直接加压液化回收处理，可显著降低CO

2

的捕集能耗。

目前，大型的纯氧燃烧技术仍处于研究阶段[8]。

1.4 化学链燃烧

化学链燃烧的基本思路是：采用金属氧化物作为载氧体，同含碳燃料进行反应；金属氧化物在氧化反应器和还原反应器中进行循环。还原反应器中的反应相当于空气分离过程，空气中的氧气同金属反应生成氧化物，从而实现了氧气从空气中的分离，这样就省去了独立的空气分离系统。燃料和氧气之间的反应被燃料与金属氧化物之间的反应替代，相当于从金属氧化物中释放的氧气与燃料进行燃烧。金属氧化物在两个反应器间的循环速率及其在反应器中的平均停留时间决定了反应器中的热量和温度平衡，从而控制反应进行的速度。化学链燃烧反应式如下：

MeO + 燃料→Me + H

2O + CO

2

Me+1/2 O

2

→MeO

这种技术将原本剧烈的燃烧反应用隔离的氧化反应和还原反应替代，避免了

燃烧产生的CO

2

被空气中的氮气稀释，且无需空分系统等额外的设备和能耗[9]。

燃烧产生的烟气在脱水处理后几乎是纯净的CO

2

。目前，化学链燃烧技术仍处于

研究阶段。

2 CO2的分离

CO

2

的分离回收技术一般包括吸收分离法、吸附分离法、低温分离法和膜分

离法等[10]。

2.1 吸收分离

吸收分离法是利用吸收剂溶液对混合气体进行洗涤来分离 CO

2

的方法。按照吸收剂的不同，它又可分为化学吸收法、物理吸收法。物理吸收过程遵守亨利定

律，低温和高压对CO

2

的吸收有利。该法关键是确定优良的吸收剂。所选的吸收

剂必须对CO

2

的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。常

用于CO

2

吸收分离的物理吸收剂有甲醇[11]，N-甲基-2-吡咯烷酮和聚乙二醇二甲

醚[12]。化学吸收分离法基于CO

2

和一种或多种碱性吸收剂之间的化学反应，此法

的优点是能在相对较低的CO

2分压(3.5-21.0 kPa)下使用。用于CO

2

吸收分离的

典型的化学吸收剂有二异丙醇胺、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钾和醇胺类如单乙醇

胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基乙醇胺(MDEA)和三乙醇胺(TEA)。目前，MEA 吸收分离法是最有效的分离技术[13]，且已被用与工业上二氧化碳的捕集。氨洗是近来提出的减少烟道气中CO

2

的排放的一个新方法[14]。Bai和Yeh[15]研究发现氨洗脱除二氧化碳的效率(约为98%)比单乙醇胺洗的效率(约为80%)高。此外，氨洗

的吸收容量(0.7～1.4 kg- CO

2

/kg-NH3)也比单乙醇胺洗的吸收容量(0.2～0.4

kg- CO

2

/kg-MEA)高。化学吸收法主要缺点是需耗热，再生能耗大，吸收速率低和吸收容量小，需要很高的循环速度和大量的吸收塔，因此能量消耗和投资都很大[16]。

2.2吸附分离法

吸附分离是基于气体与吸附剂表面之间的分子间作用力来实现的，依据分子间作用力性质可以分为物理吸附和化学吸附。常用的物理吸附剂是碳基吸附剂(如活性碳)和分子筛，特别是分子筛，根据结构、孔径和官能团划分有不同类型，如4A、13X、Na-Y、Ca-X型分子筛。物理吸附剂通常在低温时具有相对较高的吸附容量，而在高温时，吸附容量迅速降低。例如，25℃和30 psi时，活性碳和

分子筛13X和4A的平衡吸附容量分别约为8.2、5.2、4.8 mol- CO

2

/kg吸附剂[17]，而高于250℃时，活性碳和分子筛的吸附容量几乎都可以忽略不计[18, 19]。

用作化学吸附剂的物质是金属氧化物(如MgO和CaO)和水滑石矿类化合物