[科普中国]-二氧化碳捕获系统

概念与应用领域

捕获是碳捕获与封存(carbon capture and storage，简称CCS技术)的第一步。二氧化碳在运输和封存时需要以较高的纯度存在，而在大多数情况下工业尾气中二氧化碳的浓度达不到这个要求，所以必须从尾气中将二氧化碳分离出来，这一过程称为二氧化碳的捕获。

电力行业是CCS技术应用的主要领域。化石燃料燃烧释放的二氧化碳是最主要的温室气体来源，其中发电行业的排放量占比最大。2007年，中国发电行业排放的二氧化碳约28亿吨，一座中等规模（400〜600 MW)的燃煤发 电厂每年排放的二氧化碳在数百万吨。发电行业具有能耗高、二氧化碳排放量大且集中等特点。与汽车尾气和居民生活排放的二氧化碳相比，这种来源固定、量大且集中的二氧化碳排放方式更易于统一处理。在世界范围内，发电行业是CCS技术应用的主要领域。

煤炭的综合利用是CCS应用的另一重要领域。中国是富煤国家。在中国发展CCS，应该首先考虑与煤炭的利用相结合。在煤炭开采和利用的全生命周期中，不仅燃煤电厂会释放出二氧化碳，煤炭开采前、开采 中以及加工利用和转化的各个环节也都将产生二氧化碳以及温室效应更大的煤层气（主要成分是甲烷气体，其温室效应是二氧化碳的21倍）。通常，这 些过程会产生以高浓度形式存在的副产品二氧化碳，对其进行捕获所需要耗 费的能魅将低于对燃煤电厂的二氧化碳的捕获。因此，如果能实现从煤炭开 采到煤炭综合利用的全生命周期的清洁化，那么比单纯地捕获煤炭燃烧所产 生的二氧化碳更符合中国国情1。

技术特点和发展现状根据捕获机理的不同，二氧化碳捕获系统可以分为化学吸收、物理 吸收、物理吸附、膜分离、深冷分离等若干类别，在应用时需要根据二氧化碳排放源的实际特点和参数等进行捕获方式和设备的选择。在几种 主要的捕碳技术中，化学吸收和物理吸收方法相对来说是最成熟的，在 化工行业已经得到了广泛的应用。另外，我国业已建成的三套煤粉电厂 烟气燃烧后的捕获示范装置也都是采用了化学吸收捕获方式，只不过捕获的规模都比较小（规模最大的为105 t/y)，尚未达到大幅减碳的规模要求，而且还面临着一定的技术放大和成本降低的问题。除化学吸收和 物理吸收方法外，物理吸附法、膜分离法和深冷分离法技术迄今尚未成熟，基本还处于概念验证或是小型试验阶段，尚有许多技术细节及问题有待解决。

由于所利用的捕获原理不同，各种捕获系统的性能特点也各不相同，因此适用场合也有所差别。目前，一般的共识是，对于二氧化碳分压低的烟气，宜采用捕获能力强的化学吸收方法；对于二氧化碳分压高的烟气，可以考虑使用捕获能耗低的物理吸收法。至于另外三种主要的捕获方法，由于其尚未完全成熟，所以仍无法准确地判断其各自的适用场合1。

原理和性能化学吸收法化学吸收二氧化碳是利用化学试剂与二氧化碳之间的化学反应将二氧化 碳从烟气中分离出来的方法。利用某些化学试剂能够与 CO2反应生成化合物的性质捕获CO2。适合CO2浓度/分压低的场合，如燃煤电厂、水泥厂、钢铁厂的烟气捕获等。基本成熟，已有工业示范，装置规模小。

物理吸收法物理吸收捕获是利用某些物理溶剂对二氧^碳的溶解度远大于烟气中其 他组分的特性实现二氧化碳与其他组分的分离。目前使用物理试剂的捕获工 艺主要有两大类：一类使用聚乙二醇二甲醚作为捕获试剂，典型工艺包括联 合碳化物公司开发的Selexol工艺以及我国南化集团研究院开发的NHD工艺；另外一类采用甲醇作为捕获试剂，典型工艺是德国林德公司和鲁奇公司 联合开发的Rectisol低温甲醇洗工艺。

物理化学吸收法除纯粹的化学#收捕获法和物理吸收捕获法外，一些企业还开发出了针对化学试剂和物理试剂相混合的混合试剂的捕获工艺，以利用化学吸收捕获和物理吸收捕获方法的性能优势，这被称为物理化学吸收捕获法。

新型捕获系统A 吸附分离技术

吸附分离技术利用吸附剂表面活性点与不同气体分子之间吸引力的差异 实现不同气体组分的分离。吸附剂的气体处理能力一般与吸附剂的比表面积 有关，比表面积越大，则吸附剂的气体处理能力越强。所以，吸附剂一般都 是多孔材料，常用的吸附剂包括分子筛、活性炭、硅胶和活性氧化铝等，或是采用某两种或几种吸附剂的组合。研究结果显示，由于二氧化碳的分子空间结构、分子极性等固有的性质，绝大多数吸附剂对二氧化碳的吸附能力都比甲烷、一氧化碳、氢气和氮气等其他气体大，因此绝大多数吸附剂都可以用于二氧化碳的分离。

B 吸附分离技术

膜分离是利用不同气体组分在一些膜材料中渗透速率不同的特点实现二 氧化碳分离的捕获方法。膜分离技术的核心是确定对不同气体组分具有选择透过性的膜材料，多为半渗透的非多孔介质膜。气体在膜中渗透遵循的是溶解-扩散机理，即吸 附在膜的一侧表面的气体分子溶解，并在浓度差的作用下向膜中扩散、移动，然后从膜的另一侧解析出来。由于不同气体在膜中的溶解扩散速率不同，因此可以实现不同气体组分的分离1。

主要的二氧化碳捕获系统要实现对烟气中的二氧化碳捕获的目的，需要对二氧化碳排放源进行技术改造，安装二氧化碳捕获系统。通常来说，根据在化石能源生命周期各过程中捕获二氧化碳的位置不同，可将适用于电厂的捕获系统分为“燃烧后捕获”、“燃烧前捕获”和“富氧燃烧”三种。

燃烧后捕获是指，在燃烧设备（锅炉、燃气机等）的烟气中捕获二氧 化碳。但由于电厂尾气中二氧化碳浓度通常介于3%~13%，而适合低浓度二氧化碳分离的化学吸附工艺需要消耗较多的中低温饱和蒸汽以用于吸附剂 再生，导致系统效率损失。

燃烧前捕获是指，利用煤气化或天然气重整可以将化石燃料转化为主要 成分为一氧化碳和氢气的合成气，进一步通过水煤气变换反应可以将合成气体中的一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，最后将二氧化碳分离出来。这一捕获 方法称为燃烧前捕获或燃料气捕获。

富氧燃烧是针对常规空气燃烧会稀释的缺陷所提出的纯氧燃烧的氧气/ 二氧化碳循环概念。氧气/二氧化碳循环采用纯氧作为氧化剂，燃烧产物主 要为二氧化碳和水，通过透平膨胀和余热锅炉放热后剩余的二氧化碳的浓度 约为80%，易于分离。

各种捕获方法有其不同的适用场合：燃烧后捕获可以用于煤粉电厂烟气、水泥厂烟气、钢铁厂烟气等的捕获；燃烧前捕获可以用于涉及煤炭气化 的整体煤气化联合循环（IGCC)发电厂、基于煤基合成气的煤化工厂等的捕获；富氧燃烧技术可以用于现有化石燃料燃烧装置的技术改造，将这些装 置由空气助燃改造为氧气助燃，从而实现二氧化碳捕获。

燃烧前捕获系统在煤化工行业已经有了广泛的应用，只是规模较采用 商业化捕获装置的要小一些。另外，我国绿色煤电公司正在天津建设的 250 MW整体煤气化联合循环发电厂，就计划在建成之后实施二氧化碳的燃烧前捕获。富氧燃烧技术发展相对滞后一些，迄今世界范围内只有德国的黑泵电厂建成了一座30 MW的示范装置。

无论是适用范围、效率损失、成本，还是技术发展阶段，都各有优劣，目前尚难以确定大规模推广CCS时采用何种方法，需要在前期的示范项目中进行实证研究1。