二氧化碳捕集技术的思路与方法

二氧化碳捕集技术的思路与方法

摘要：全球变暖的日益加剧引起了人们对二氧化碳减排的关注。对于燃用化石燃料所释放出的二氧化碳气体，二氧化碳的捕集与封存技术是一种有效的减排手段。本文对于目前二氧化碳捕集技术常用的燃烧前捕集、燃烧后捕集、氧燃料燃烧三种主流技术思路进行了论述。同时介绍了吸收法、吸附法、膜分离法等具体的捕集方法。

关键词：二氧化碳捕集；吸收法；吸附法；膜分离法

Abstract: There is growing concern that anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions are contributing to global climate change. The capture and storage of CO2 is gaining attention as an option for limiting CO2 emissions from the use of fossil fuels. This article reviews the current status of the development of CO2 separation and capture research and engineering. Three popular CO2 capture from coal-derived power generation pathways (post-combustion capture, pre-combustion capture, and oxy-combustion) are introduced .Various technologies, such as absorption, adsorption, and membrane separation are also discussed.

key words: C arbon dioxide capture; absorption; adsorption; membrane separation

1. 发展CO2捕集技术的目的和意义

《京都议定书》第一期承诺将于2012年到期，然而在哥本哈根会议至今的历次世界气候大会上，各国在责任划分上尚未达成有效的共识。这场发展中国家与发达国家之间的博弈也许仍要继续，但是温室效应带来的全球变暖及其引发的一系列环境问题，无时无刻不提醒着世界各国高度关注二氧化碳减排问题。根据《京都议定书》中的规定，温室气体包含二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氧化亚氮(N2O)，氟氯碳化物(CFCs)，全氟碳化物(PFCs),六氟化硫(SF6)等6种。在所有温室气体中，CO2对全球变暖应负主要责任，占60%以上，甲烷占20%，N2O、氯氟烃等工业气体和臭氧占剩下的20%。因此，控制温室效应和全球气候变化，关键是控制CO2的排放[1]。

因此，随着《京都议定书》第二承诺期的到来，中国承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，这显然要承受巨大的国际压力，同时也意味着开发减排CO2的新技术和新方法已成为中国必须面对的课题。CO2的排放，主要来自工业生产与汽车、飞机、轮船的废气排放和煤炭、石油、天然气等化石燃料的燃烧排放。其中化石燃料燃烧是最主要的排放来源，占到70%。我国的能源结构以煤炭为主，燃煤所排放的CO2成为减排的重点。

常规燃气、燃油、燃煤烟道气的组成(体积分数)如下:N2 82 %~89 % ,CO2 8 %~15 % ,O2 3 %~5 % ,少量SO2和NOX[2]。从排烟中分离CO2 将使电厂热效率降低7%~29% ,大幅度增加发电成本,造成这种损失的主要原因是:在较低的压

力下,从以氮气为主要成分的混合气体中分离较低浓度的CO2气体的难度很大[3]。

另一方面，CO2又是重要的化工原料，市场对CO2的需求量很大,如可用于生产干冰、食品CO2气、焊接保护气、烟丝膨胀剂。在化学工业中,CO2已大量用于生产甲醇、尿素、纯碱等产品[4]。在石油开采领域，CO2气驱强化采油（EOR）也已经成为一项比较成熟的技术，既提高了原油的开采量，又可以在油井中部分贮存CO2，基于同样原理的强化煤层气开采技术（ECBM）也已处在工程实验阶段[5]。

综上所述，从环保和碳源利用的角度考虑，开发经济、实用的CO2捕集分离技术有着十分重要的意义和广阔的市场前景。

2. CO2减排技术思路

2.1. 主要技术思路

CCS(Carbon Capture and Storage)碳捕集与封存技术是目前公认的减排CO2的有效手段，虽然它的广泛应用仍要几十年才能实现，但是为了保护人类免遭气候变化所带来的环境影响，它仍然是一项首选的长期技术政策。因此开发低能耗低成本的CCS技术具有环境和经济双重效益[6]。目前的CCS技术会使发电成本提高50%，而CO2的捕集占整个CCS应用成本的75%[7].目前国际上普遍研究的技术思路有三种：燃烧前处理技术（Pre-Combustion Capture），燃烧后处理技术（Post-Combustion Capture），氧燃料燃烧技术（Oxyfuel-Combustion）。

2.2. 燃烧前捕集

燃烧前捕集技术需要在燃烧前将燃料进行气化或重整，其思路是首先通过重整天然气或者煤气化的方法将化石燃料转化为CO2和H2的混合气，再将CO2气体从混合气中分离，剩余的H2可以与N2或水蒸气混合后进入燃气轮机中燃烧或者应用于燃料电池。另外，通过气化手段将煤部分氧化生成主要成分为CO 和H2的合成气，这种合成气可以作为IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）电站的燃料。

燃烧前捕集的成本低于燃烧后捕集。美国能源署发布的预计指出，燃烧前捕集技术将使电厂的发电成本提高25%[6]。

而且，应用了燃烧前捕集技术的IGCC电站比燃煤电站更加高效，将成为未来新电站建设的一种选择。

图1 燃烧前捕集技术原理图[8]