二氧化碳减排一种工艺介绍

摘 要： 全球温室效应不断加剧，二氧化碳减排技术探讨在全球都变得十分必要，各种技术路线也层出不穷。传统碳捕集技术（CCS）因成本高，长期看存在风险等因素越来越受到质疑。这里介绍一种二氧化碳分解利用减排技术（CDUS）的中试平台项目，对二氧化碳捕集和利用进行全新探讨。

关键词： 二氧化碳捕集利用；平台介绍

一.二氧化碳排放状况

人类的生产劳动和工业化进程等活动会向环境中释放包括燃用化石燃料释放的二氧化碳在内的大量温室气体，其中83%是来源于与能源供给有关的工业，如发电行业。

在中国，煤炭作为主要能源供给来源仍将被长期使用，据预测，到2035年由燃煤释放的二氧化碳每年将达到172亿吨。到目前为止，温室气体排放治理始终未能在全球范围内大规模开展起来，最重要的原因是目前所能采取的技术只能帮助参与其中的国家受益于环境改变带来的社会效益，而不能从中获得经济效益回报或者平衡为减排付出的巨大投入。持续可行的方案应是减排措施在经济性上必须是可行而且是有回报的。

二.二氧化碳减排技术

1、碳捕集技术（CCS）

CCS是IPCC（政府间气候变化专门委员会）倡导下的一项二氧化碳减排技术。CCS技术不改变二氧化碳的化学结构，直接通过物理方法加压液化分离后被封存在地下。被被储存在地表下的二氧化碳气体在未来随时有泄露到地表造成窒息的风险，中国每年大约排放70亿吨二氧化碳。如果使用CCS就预示着中国要将大多数二氧化碳气体封存在一些特定区域和特殊的地质结构中。试想，未来十年后，将会有超过700亿吨的加压二氧化碳储存于我们脚下的某个区域，一旦泄露将会造成极为严重的灾难事件。除此之外，超高建设成本，运行成本以及运输和储存成本也是CCS面临的问题。

2、二氧化碳分解利用减排技术（CDUS）

本项目二氧化碳分解利用减排技术是通过应用美国一家公司（该技术处于保密状态）自主开发的特定频率的电磁催化技术，结合自主研制的具有高选择性的催化剂，使得二氧化碳在极低能量输入的情况下高效的分解。

通常情況下，二氧化碳的分子团极为稳定，其分解反应过程需要约200 kJ/mol的能量才可以实现，能耗高，转化率低。经实验验证，应用自主研发技术，显著降低二氧化碳分子团的稳定性，只需要常规方法大约1/5的能量，即可激发和维持反应过程。该技术在美国已经完成实验室阶段的理论验证，并通过小试测试平台测试，实现二氧化碳单次转化效率达70%，通过美国小试平台的测试，目前每吨二氧化碳的直接转化成本只需不到150千瓦小时的电能。这一过程完全改变了二氧化碳的分子结构，使其失去温室气体特性，生成一氧化碳以及氧气等产物，并且根据反应产物的特性，进一步使用该催化工艺，通过与其他反应物合成，生产高附加值的产品，通过不同的反应条件，生成长链的烷烃或烯烃类产物如醇类或燃油类产品，以及有机酸等。整个过程不但实现了二氧化碳的减排，同时有效地利用了二氧化碳创造经济价值。

该技术使二氧化碳在转化过程中更为节能和高效，并具有更好的选择性、更高的转化率、更低的活化能和更快的反应速度等特点和优点，并且流程简单，无需使用二氧化碳加压分离、运输、封存等工艺过程，实现二氧化碳就地直接转化并减排，最终产品对环境、健康无危害。

三.中试平台方案规划

1、CDUS基本技术流程（如下图）

含有二氧化碳的锅炉尾部烟气经过一系列复杂化学转化反应过程，烟气中的二氧化碳作为反应物被催化裂解后，再经其它系列催化反应合成生产出定向性的产品，完成减排过程。反应后烟气中的无污染气体，如氮气等，经烟囱直接排空；过程中产生的少量无污染固体废物可直接随锅炉灰渣安全排放。整个过程使用自主开发的人工智能技术控制系统，对催化过程予以准确控制，实现连续、稳定、高效反应。

2、主要系统介绍

该系统采用模块化设计，可以灵活扩展至现场各种使用规模容量要求，同时，该模块并可对电厂大规模应用的不同技术路线进行针对性优化，从而提供最优化设计依据.其基本布置方案路线设计如下。

3、模块组成及基本功能：

系统采用标准化模块，主要构成有如下几部分：气源部分、供水、蒸汽和冷却系统、气体系统稳压部分、主反应系统、排放系统、系统数据采集及信息处理系统等构成。

3.1气源部分

气源采用工业杂气，经一定比例混配，模拟现场烟气组成和状态。气体通过罐装运输至使用现场，经调压、混合、进入系统下一级。

3.2供水、蒸汽和冷却系统：

供水采用民用自来水，冷却水部分直接使用，蒸汽部分需经过预先软化后进入蒸汽锅炉予以使用，冷却水部分用于现场设备的冷却以及调整反应要求的温度需求，确保反应在制定的条件下连续发生，蒸汽部分将提供部分给混合气模拟现场烟气成份外，其余用于给系统提供所需的温度和压力需求条件。

3.3 稳压系统

经压力释放和管道传输后的各种气体，进入稳压系统，经稳压系统调压调质后，确保进入反应系统的混合气体的比例、压力、温度等参数按照设计的需求保持一致，并模拟电厂烟气的状态，确保测试具有代表性和示范作用。

3.4主反应系统

3.4.1系统包括：主要由烟气预处理系统、反应分离系统、稳定系统组成。

3.4.2主要设备功能描述

预混合气体导入主系统的烟气预处理系统后，经充分混合和预反应后，经稳流系统进入下一级反应分离系统，反应分离系统系统将对大部分二氧化碳进行直接化学分解后进入气体反应稳定系统，该系统确保系统朝预置方向进行，生成预期产物，稳定分离净化效率和效果。并最终生成物有高经济附加值产物，被分离后最终实现减少二氧化碳排放的目的。

3.5排放系统

从主反应系统排放的烟气经调整温度后，直接排放，同时，如烟气中仍然存在未能完全分离的产品，排放系统将对其进行净化处理后，做到安全环保排放。

3.6系统数据采集及信息处理系统

整个系统依靠系统数据采集功能，抓取系统中关键参数和信息，并反馈至系统控制中，实现对整个系统的连续控制，确保系统在设计的参数条件下安全高效运行；数据处理系统，将存储所有系统运行数据和参数，并提供后期优化方案所需的数据条件。

4、布置方案

本平台烟气处理能力为150m3/h，进一步验证技术方案的可行性，主要组成部分如下：

4. 1方案概述

测试模块如下图所示，能够实现恒压供气、自动混合气体、自动控制气体参数、检测报警、视频监视、循环、冷却排放功能。能够方便的更换反应部件，方便的移动、连接、收纳供气系统，并能够实现现场遮阳、围栏防护功能。

控制系统能够与各设备进行通讯并提供气体计量、蒸汽状态、供气状态、水蒸气收集状态和排气状态的检查信号，同时对整个过程所有信息的采集工作，并通过中控系统进行有效控制，确保测试按预设流程连续进行。

气源系统将模拟烟气配气经传输管道传输至相关附属设备，经调压及相关预处理过程，投入主系统，系统经过特定中转控制系统的处理后，二氧化碳被分解后形成相应设计的副产品，未参与反应的气体经排烟系统进行排放，系统中同时配备的供水、冷却对系统设备，同时信息处理系统将对整个过程的数据进行记录存储，待后期分析和进行优化处理，整个过程在完整的控制系统的控制下，实现连续安全的处理过程。

4.2方案系统组成

本平台主要有气瓶站、供气系统、气体分配、给排水系统、排烟系统、电气和控制系统等组成。

四、小结

二氧化碳捕集及利用CDUS技术已经在美国一家公司实验室成功完成1.5 m3/h的处理，本平台正在建设当中，处理能力为150m3/h，如获得成功，将为我国乃至世界减少碳排放技术发展提供一种重要尝试。

作者简介：邱祥民（1969--），男 高级工程师，长期从事环境保护工作。