碳捕集技术研究进展

陈 亮，贺尧祖，刘勇军,，罗德明

（1.四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065；2.国家烟气脱硫工程技术研究中心，四川 成都 610065）

碳捕集技术研究进展

陈 亮1，贺尧祖1，刘勇军1,2，罗德明2

（1.四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065；2.国家烟气脱硫工程技术研究中心，四川 成都 610065）

碳捕集技术对于减少大气中的CO2浓度显得至关重要，尤其是对于排放大量温室气体的火力发电厂和工业源的CO2捕集。本文主要概述了CO2的燃烧前捕集、富氧燃烧捕集、燃烧后捕集这3种主要的碳捕集技术的研究现状，并结合当前正在研究的碳捕集技术，提出了碳捕集技术未来可能的发展方向。

二氧化碳；燃烧前捕集技术；富氧燃烧捕集技术；燃烧后捕集技术

2014年IPCC发布的第五次评估报告指出，CO2仍然是最主要的温室气体。以2010年人类经济活动排放的CO2来看，其中电力和供暖占25%，农林及土地利用占24%，工业占21%，交通占14%，建筑行业占6.4%，其他占9.6%[1]。根据大多数情景预测，接下来的几十年里一次性能源的供应仍将以化石燃料为主，而化石燃料燃烧所产生排放的CO2占的比重较大，且也是最为可控的[2]。

CCS技术是指将CO2从相关燃烧排放源捕获并分离出来，输送到油气田、海洋等地点进行长期（几千年）封存，从而阻止或者显著减少温室气体的排放，以减轻对地球气候的影响，被认为是目前最有效的措施。而其中碳捕集的成本占整个系统的2/3，因而碳捕集技术的研究和发展对于大力发展CCS技术显得至关重要。

碳捕集技术主要分为3种，一是燃烧前捕集，二是富氧燃烧捕集，三是燃烧后捕集。碳捕集技术的选择取决于燃料的类型、燃烧方式、燃烧的温度、气体中CO2浓度和分压以及现有技术和成本。

1 燃烧后捕集技术

火电厂的CO2燃烧后捕集在特定的经济条件下是可行的，且已有工业化应用。如图1所示，传统的火力发电厂通过煤与空气混合燃烧产生热和电，在燃烧过程中会产生SO2、NOx和颗粒物等污染物，由于CO2的捕集过程需要保持混合气体的相对洁净度，因而一般捕集的过程在除尘脱硫脱硝以后。燃烧后捕集技术的分支较多，主要分为吸收法、吸附法、膜分离法、低温蒸馏法等，目前应用得最广泛且高效的CO2捕集方法是醇胺吸收法。醇胺法能够捕集85%~95%的CO2，吸收了CO2的溶剂再进行升温解吸，可得到高浓度的CO2气体进行运输封存。

尽管商业化的CO2捕集系统还没有完全建立起来，醇胺法捕集工程在近20多年以来已陆陆续续建立起来上百座[3]，主要应用于食物和饮料等工业的原料气中的CO2的捕集，少部分应用于火力发电厂的CO2捕集。其中以Lummus、MHI、Fluor Daniel等公司的工业化捕集最为知名。一般的醇胺吸收液浓度为20%左右，增加吸收液浓度能够提高捕集效率和减少能耗，但是吸收液浓度越大其对设备的腐蚀性也就越大，因而不同设计的捕集系统和装备，其工艺流程和参数也大大不同。

图1 燃烧后捕集CO2系统示意图

燃烧后捕集技术可以直接应用于传统电厂烟气CO2捕集，且建设费用较低，但是由于传统电厂的烟气流量大，CO2浓度低，压力小，因而其捕集能耗和成本都很难降低。且以醇胺吸收法为主的捕集技术，由于醇胺溶液具有比较强的腐蚀性且易挥发具有一定毒性，因而醇胺吸收法具有一定的局限性。随着近年来CO2捕集技术和材料研究的深入，吸附法发展较快且具有吸附速率快、操作简单等优点，特别是吸附剂的吸附性能越来越高。Qi等人[4]制备出了吸附容量达12mmol·g-1（65℃，PCO2=0.08）的固体胺吸附剂，这些新兴吸附剂的出现有可能以更低的成本和能耗成功应用于燃烧后碳捕集。

2 燃烧前捕集

在燃烧前去除燃料中的碳元素，那么必然得将燃料中的碳转化为易分离的物质。以燃煤火电厂为例，如图2所示，煤与水蒸汽或者氧气在高温高压下发生部分氧化反应，产生一定量的CO和H2，即得到所谓的“合成气”。合成气经过颗粒去除纯化以后，合成气中的CO与水蒸汽发生反应生成CO2，然后经过吸收法、吸附法等技术去除CO2，例如已得到广泛工业应用的Seloxol法，然后得到几乎纯净的H2燃料气。

图2 燃烧前捕集CO2系统示意图

尽管燃料气化相对于传统的直接燃烧的步骤较为复杂且成本较高，但是在CO2的分离过程中，在高压、且CO2浓度较高的分离条件下，分离更为简单且成本较低。与燃烧后捕集CO2是通过CO2与吸收剂发生化学反应不同的是，燃烧前捕集CO2更适合的方法是CO2在高压、高浓度条件下发生物理吸收吸附，然后降压进行解吸。但是燃烧前捕集的能耗较大，特别是燃料气气化重组转换和CO2与H2混合气变压分离CO2的过程，最初的燃料转化步骤较为复杂，与燃烧后系统相比成本较高。但由变换反应器产生的高浓度CO2（在烘干条件下一般占体积的15%~60%），以及在这些应用中的高压条件，则更有利于CO2的分离。燃烧前系统可以在采用综合汽化复合循环（IGCC）技术的电厂中使用[5]。

3 富氧燃烧捕集

如图3所示，富氧燃烧技术是指在燃烧过程中通入不含氮气的纯氧，燃烧后的烟气CO2体积浓度可达85%以上[6]，便于后续的封存。富氧燃烧捕集具有非常大的发展前景，由于燃烧过程中没有氮气的参加，其燃烧温度更高，且只产生微量的NOx，因而整个碳捕集过程其能耗较低。

但是富氧燃烧捕集整个核心是制氧过程，常采用低温分离和膜分离技术[7]，制氧过程费用很高。由于富氧燃烧过程温度较高，因而涉及燃烧器的材料耐受力和燃烧器的结构设计和改造。综合考虑制氧成本和燃烧器结构这两方面问题，该过程目前主要限制于实验室和中试研究[8]。美国阿贡国家实验室正在研究改造富氧燃烧器，使得燃烧器能够同时将CO2的传输利用以及保存集于一体[9]。

图3 富氧燃烧捕集CO2系统示意图

4 总结和展望

随着全球越来越重视气候的变化，温室气体的减排必将会受到各国的重视，碳捕集技术是各国学者的研究热点。由于烟气的组成较为复杂，在原本的脱硫脱硝以后，还要进行碳捕集，目前最大的困难就是如何降低捕集成本。近些年来膜分离法、吸附法、低温蒸馏法的研究中，以吸附法研究最为热门。各种吸附材料的研究和快速发展，伴随着吸附剂制备成本的降低，吸附法将会以其独有的优势适用于燃烧后碳捕集。随着工程技术的发展，燃烧前捕集和富氧燃烧捕集技术也将会慢慢地应用于各种化石燃料燃烧的过程中，特别是对于火力发电厂而言，燃烧前捕集技术的发展将会大大减少电厂的CO2排放量。

捕集后的二氧化碳作为一种副产物，只有少数会进入工厂进行生产应用，大部分还是通过封存来进行保存，因而碳捕集技术的发展也将伴随着碳运输和碳利用研究。由于碳捕集技术大部分还是处于试验性研究，因而工业化以及商业化的推广也是其一大任务。

[1] IPCC. Climate change 2014: climate change 2014 Synthesis of Report[M].Cambridge: Cambridge University Press, 2014.

[2] Aaron D, Tsouris C. Separation of CO2from flue gas: a review[J]. Separation Science and Technology, 2005, 40(1/3): 321-348.

[3] Rubin E S, Mantripragada H, Marks A, et al. The outlook for improved carbon capture technology[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2012, 38(5): 630-671.

[4] Qi G, Fu L, Giannelis E P. Sponges with covalently tethered amines for high-efficiency carbon capture[J]. Nature communications, 2014: 5.

[5] Chen C, Rubin E S. CO2control technology effects on IGCC plant performance and cost[J]. Energy Policy, 2009, 37(3): 915-924.

[6] Olajire A A. CO2capture and separation technologies for end-of-pipe applications-a review[J]. Energy, 2010, 35(6): 2610-2628.

[7] Pfaff I, Kather A. Comparative thermodynamic analysis and integration issues of CCS steam power plants based on oxy-combustion with cryogenic or membrane based air separation[J]. Energy Procedia, 2009(1): 495-502.

[8] Buhre B J P, Elliott L K, Sheng C D, et al. Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation[J]. Progress in energy and combustion science, 2005, 31(4): 283-307.

[9] Doctor R D, Molburg J D. Economics for low, mid, and high sulfur coals in PC-boilers using oxy-fuels[C]//Proceedings of the 22nd Annual International Pittsburgh Coal Conference, Pittsburgh, PA. 2005.

Recent Advance in Carbon Dioxide Capture Technologies

CHEN Liang1, HE Yao-zu1, LIU Yong-jun1,2, LUO De-ming2
(1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.National Flue Gas Desulfurization Engineering Technology Research Center, Chengdu 610065, China)

Carbon dioxide capture was widely seen as a vital technology for reducing atmospheric emission of CO2from power plants and other industrial facilities. In this paper, the recent research on three type of capture technologies, namely pre-combustion processes oxy-combustion systems and post-combustion CO2capture processes, were reviewed. For prospective, we made insight of the further process about CO2capture that would make in the future.

carbon dioxide; pre-combustion; oxy-combustion; post-combustion

TQ 127.1

A

1671-9905(2016)04-0042-03

2016-02-26