化学信息学—CO2的捕集技术

夏佳灵

（安徽大学化学化工学院 08级化学工程与工艺）

摘要：随着世界工业的快速发展，大气中CO2含量的增多逐渐成为这个时代最紧迫的环境问题。CO2的捕集与储存（CCS）成为减少CO2排放的一项选择，尤其是对CO2排放较多的火力发电厂。同时，随着科学技术的进步，对CO2的捕集技术的研究也逐渐增多。本文对各种捕集技术做了详细的介绍、对比。 关键词：火力发电厂 捕集技术 优缺点

随着世界工业的发展，排放到大气中的CO2 逐渐增多，对全球气候环境造成了严重的影响。二氧化碳是导致全球气候变化的最主要因素。《京都议定书》中将其列为温室气体之首，其次为甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳和六氟化硫[1]。其主要影响主要表现在全球气候变暖，同时导致了地球上的病虫害增加、 海平面上升、 自然灾害增多、土地干旱、缺水状况加剧。因此，CO2的捕集技术逐渐受到各国政府的重视，不同的CO2的捕集技术被研究并得以发展。 1. CO2主要捕集技术

CO2主要捕集技术可分为三类：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集[2]。主要流程见图1-1，在燃烧后捕集中，分离的CO2主要来自于烟气成分，包括空气中含有的和化石燃料燃烧后产生的气体。燃烧前捕集技术中，首先化石燃料经过气化或重整转化成主要成份为CO和H2的煤气，然后利用水煤气变换反应大大提高CO2的浓度， CO2分离后得到的富氢燃气燃烧发电。在富氧燃烧技术中，用O2代替空气，燃料在不含或含有少量N2的氧气流中充分燃烧，可使燃烧后烟气中含有高浓度的CO2。它们之间的优缺点见表1-1[3]。 类型 燃烧前 优点 由于合成气压力高，含有CO2浓度较高致使：1.CO2分压高 1.捕集过程中推动力增加 2.可应用的分离技术多 3.存在降低压缩成本的潜力 适用于大多数火力发电厂 应用中存在的不足 主要适用于新建发电厂，目前只有少数气化厂在使用；设备费用高；需要广泛的支撑体系 由于烟道气在常压下，稀释了CO2，致使相对于封存要求CO2分压低，推动力 燃烧后 表1-1 不同捕集技术的优缺点比较（见上页） 可作为改进技术的选择 较低 富氧燃烧 燃烧后气体中CO2浓度高（≧90%） 可作为技术改进和排气助燃型技术的选择

大量低温氧气的需求增加了经济负担； 需要冷CO2循环装置确保温度低于燃烧器材料上限；捕集效率降低；辅助工程负荷增加

图1-1 CO2燃烧后、燃烧前、富氧燃烧捕集技术流程比较[3]

2.常用CO2捕集技术

目前，大多数存在的火力发电厂主要使用的是燃烧后捕集技术，而对于新建的火力发电厂或气化厂多采用燃烧前捕集技术和富氧燃烧技术。现在研究最多的是燃烧后捕集技术，其中燃烧后捕集主要有以下方法：吸收法（物理吸收和化学吸收）、吸附法、膜分离法、低温蒸馏法、电化学法、离子液体法、酶法、催化剂法、化学循环燃烧法。由于部分技术较新，未得到广泛应用，如2-1图，下面主要介绍已用于实际应用的吸附法、膜分离法、低温蒸馏法和吸收法。

2.1 吸附法

吸附法：吸附法可分为变压吸附法(PSA法)和变温吸附法(TSA法)。PSA法是基于固态吸附剂对原料气中的二氧化碳有选择性吸附作用，高压时吸附量较大,降压后被解吸出来而进行的。TSA法则是通过改变吸附剂的温度来吸附和解吸二氧化碳。常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和活性炭等。现在，金属有机骨架材料（MOFs）成为研究热点[4]。通常工业上较多采用变压吸附法。日本东京电力公司的学者正在探索变温与变压相结合的吸附技术,称之为PTSA法(Pressure &Temperature Swing Adsorption)，（二氧化碳纯度可达99%,二氧化碳回收率为90%）[8]。

图2-1 CO2常用捕集技术框图[5]

吸附法对火电厂烟气而言，现有吸附剂吸附能力低，对二氧化碳选择性差，耗能大，成本高，适合处理二氧化碳体积分数为20%-50%工业气体。

2.2 膜分离法

膜分离法是依靠待分离混合气体与薄膜材料(如醋酸纤维、聚酰胺PI、聚矾、聚砜)间产生的不同化学或物理反应,使某种组分可快速溶解并穿过薄膜,从而将混合气体分成穿透气流和剩余气流两部。膜分离法工艺流程有两种，分为单级和两级，如图2-2。

图2-2 膜分离法从烟道气中回收二氧化碳工艺流程

在两级膜分离法中，气体进入膜分离系统，CO2优先通过膜组件1，富集在渗透侧，浓缩至原料气CO2含量的2～8倍。截留侧的气体CO2含量达到输送要求。富集CO2气体进入下一级膜分离器，进一步被提浓，含量可达到90％以上[7]。所用膜化学稳定性好、使用寿命长的橇装式结构，体积小、重量轻，具有便于维护、节约维修费用、工艺简单、易操作、无污染等特点。膜分离技术是有着光明前景的高新技术，甚至有人将膜技术的应用称之为“第三次工业革命”。其缺点是使用温度高、成本较高、长期运行可靠性差。

2.3 低温蒸馏法

低温蒸馏法是通过低温冷凝分离二氧化碳的一种物理过程,一般是将烟气多次压缩和冷却,以引起二氧化碳的相变，达到从烟气中分离二氧化碳的目的。低温蒸馏法对于φ(CO2)高于60% 的回收较为经济，适用于油田现场[6]。

低温蒸馏法优点在于能够产生高纯、液态的二氧化碳,便于管道输送。在未来氧气/二氧化碳烟气循环系统中较有前景。从烟道气中回收利用二氧化碳，由于烟气温度高，烟气量大，而压力和二氧化碳含量较低，低温分离法不经济。

2.4 吸收法

吸收法分为物理吸收法和化学吸收法。 2.4.1 物理吸收法

物理吸收法的原理是利用不同温度和压力下，二氧化碳在吸收剂溶解度相差大，通过改变系统环境，实现二氧化碳的吸收和解吸，从而达到分离处理二氧化碳的目的，一般来讲,有机溶剂吸收的能力随压力增加和温度下降而增大,反之则减小。目前，工业上常用的物理吸收法的公司有Fluor法(美国Fluor公司)、Rectisol法(德国Lndie与Lurgi公司)、Selexol法(美国uninoCbardeiCoproartoin公司)等[5]。优缺点见表2-1。

物理吸收法主要是以水、甲醇、碳酸丙烯酯等作为吸收剂，但是由于二氧化碳在溶剂中

的溶解服从亨利定律,这种方法仅适用于二氧化碳分压较高的条件，而且对吸收剂要求较高，吸收剂须对二氧化碳的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。 2.4.2化学吸收法

化学吸收法是利用二氧化碳和某种吸收剂之间的化学反应将气体从烟道气中分离出来的方法。由于二氧化碳为酸性气体，其反应原理为弱碱和弱酸进行可逆反应生成一种可溶于水的盐，然后在还原塔内加热富二氧化碳的吸收液使二氧化碳解吸出来，同时吸收剂得以再生。化学吸收剂有机吸收剂、无机吸收剂和混合吸收剂，如MEA、DEA、AMP、MDEA、氨水法、K2CO3等。 典型的化学吸收法比较如表2-2[9~13]。

方法类型 Fluor法 吸收剂 优点 吸收剂再生不需要燃料；CO2缺点 吸收剂循环量大、价格昂贵、对烃类也有较强的吸收能力，易受烃类干扰 在较低的的温度下，甲醇能够吸收微量金碳酸丙烯酯（C4H6O3） 溶解度高；无需补充水；操作简单，产品为干气；可用于温度较低场合 Rectisol法 低温甲醇 甲醇不起泡沫，易溶于水，减少了损耗；热稳定性和化学稳定性高；无腐蚀；设备选材广；属如汞，形成银汞合低压下甲醇闪蒸再生容易，无需再沸器 金；甲醇需冷冻，增加了运营成本 吸收剂对烃类有较强 Selexol法 吸收剂易吸收水，因此吸收后[CH3(CH2CH2O)nCH3] 的气体为干气；运营成本低；的吸收能力，易受烃n (3~9) 吸收剂再生用气提法，无需再沸器；过程在低压下可操作 表2-1 不同物理吸收方法的比较[5]

类干扰；过程在高压下操作效益更高 方法 热钾碱法 吸收剂 K2CO3 优点 成本低 缺点 整个工艺过程温度高，能耗大，对设备腐蚀严重，回收烟道尾气中二氧化碳的成本高 技术不成熟，NH4HCO3重新分解且有高的二氧化碳脱除效率和二氧化碳负荷能，同时再生能耗低，成二氧化碳返回到大气中 二氧化碳 吸收负荷低，设备腐蚀氨水法 NH3 二氧化碳脱除率高，氨水成本低 与二氧化碳反应快，碳容MEA 一乙醇胺 吸收 量大，净化度高 率高，胺易降解，能耗高，再生时溶剂的损失也比较大 二氧化碳吸收负荷低，设备腐蚀率高，胺易降解，能耗高，再生时溶剂的损失也比较大 DEA 吸收 二乙醇胺 与二氧化碳反应快，碳容量大，净化度高 吸收二氧化碳的速度较快，再生能耗低，优于MDEA /MEA吸收剂用量较小，碳容量和再生能耗都优于MEA和DEA。 AMP 吸收 2-甲基-2-氨基-3-丙醇 吸收速率没有MEA快 MDEA 吸收 MDEA/PZ(哌嗪)吸收 甲基二乙醇胺 化学稳定性好,溶剂不易降解变质; 溶液的发泡倾向和腐蚀性小 吸收能力强，热耗低，再生CO2纯度高（>99%），溶剂损失少，腐蚀小 与二氧化碳反应速率慢 甲基二乙醇胺与哌嗪 PZ价格太贵，成本太高 表2-2 不同化学吸收法的比较

结语

本文介绍了不同中CO2捕集技术，并对这些技术作了比较，但总结起来，制约这些技术在实际中得到广泛应用的仍是成本问题，吸收法和吸附法中吸收剂需要循环利用，膜分离法和低温蒸馏法中需要动能和热能，这些因素使得运营成本增加。因此，以后CO2捕集技术的发展会向着使成本最小化的方向进行。

参考文献：

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[13]Niall MacDowell, Nick Florin,et al.Energy Environ. Sci.2010, 3,1645–1669

The Research Of The Technology Of CO2 Capture

Xia Jialing

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Anhui University,C40814055)

Abstract:with the rapid development of world industry,The escalating level of atmospheric carbon dioxide is one of the most pressing environmental concerns of our age. Carbon capture and storage (CCS) from large point sources such as power plants is one option for reducing anthropogenic CO2 emissions.At the same time,with the development of science and technology,the research of the technology of CCS increase.This article show different kinds of technologies. Key Words: power plants capture technology advantage and disadvantage

化学信息学

——课程期末论文

论文名称： CO2 捕集技术研究

年级专业： 08级化学工程工艺 学生姓名： 夏佳灵 学 号： C40814055 教 师： 张建安