浅析二氧化碳捕集储存技术研究进展

＊刘晴晴 叶佳璐

（山东科技大学 土木工程与建筑学院 山东 266590）

前言

化石燃料燃烧释放大量的CO2已成为全球的环境问题，引发了国内外专家的关注。我国是世界上CO2排放量最多的国家之一，目前我国的能源消费结构以煤炭为主，并辅以石油、天然气等化石燃料，而碳排放的一个最主要的来源是燃料燃烧后排放的烟气，国内外的研究也主要集中在燃烧后的捕集储存。因此，为了有效减少烟气中CO2气体的排放，减缓温室效应的加剧，有必要发展烟气CO2的捕集储存技术，尽早实现成熟的工艺化处理。

1.常规CO2捕集技术概述

(1)吸收法

吸收法原理是利用吸收剂对含CO2的混合气体进行洗涤，达到分离并捕集CO2的效果[1]。但吸收法对吸收剂性能的优劣有很高的要求，且在过程中往往需要另外加热，增加了能耗，投资和运行成本较高。

(2)吸附法

吸附法的分离机理是通过选用具有选择吸附性的多孔介质，例如活性炭、沸石、硅胶、分子筛等，利用这些吸附剂在一定条件下对CO2进行选择性吸附，再将CO2解析分离。吸附法处理过程无污染且CO2回收率高，但吸附剂再生需要消耗的能耗较高。

(3)低温分离法

低温分离是一种基于混合烟气中的其他组分N2和CO2的沸点存在差异,低温冷凝使CO2液化,从而将CO2从混合气体中分离出来的方法[2]。因CO2在常温常压下以蒸气状态存在且易于液化，从理论上来说CO2低温分离过程较为简单，但随着分离的进行使得CO2的分压会逐渐减小，分离也变得越来越困难，造成CO2回收率过低。因此低温分离法主要适用于对CO2含量大于90%的混合气体进行提纯以及其他工艺的后期处理，对于低CO2浓度的电厂烟气而言，将CO2分离出来，需要的设备投资大、成本高、工艺复杂，经济性不高。

(4)金属氧化物法

金属氧化物法原理是利用碱性金属氧化物吸收酸性CO2蒸汽生成碳酸盐，同时在高温条件下，进行逆向反应分解碳酸盐、再生金属氧化物，得到分离后的CO2气体的同时还可以去除烟气中的水分。

(5)膜分离法

膜分离法是基于不同气体通过膜的渗透速率不同的特点。以不同组分的气体在膜的两侧所产生的压差为动力，使渗透速率快的气体透过渗透膜并在另一侧膜处富集，从而实现不同气体组分的分离。膜分离法设备紧凑，操作简便，但其对原料气要求较高，且分离得到的CO2产物纯度也不高。

2.各种常规捕集储存技术的比较

通过对各种捕集储存CO2的方法进行分析比较，得出各种方法的优缺点进行对比，结果如表1所示。

表1 各种捕集储存CO2的方法比较表

3.水合物法

(1)各种水合物法捕集技术论述

利用水合物法进行混合气体分离的原理是二元及多元气体生成水合物时的相平衡差距较大，故较易形成气体水合物的气体进入水合物相中，难形成气体水合物的气体则保留在气相中，从而实现混合气体分离。因烟气中的主要组分为CO2和N2，故在利用水合物法捕获烟气中CO2时，CO2气体较N2更容易形成水合物，经水合过程后，N2大部分被保留在气相中，CO2则富集于水合物相中。分离后得到CO2固态水合物，在一定的温度、压力条件下使其分解可得纯度较高的CO2产物，进而达到捕集提纯CO2的目的。目前，基于水合物法延展出来的方法有：加TBAB化学促进剂的水合物法、水合物膜法分离、外场作用的水合物法等。

①TBAB/THF水合物法

在气体水合物动力学研究方向，人们发现，添加动力学促进剂TBAB、THF等可显著降低气体水合物的生成压力，改变CO2水合物形成相平衡条件，并提高水合速率，节省能耗。

Duc[3]在研究钢铁工业排放气中CO2分离实验时，发现添加TBAB作为促进剂可以有效降低将CO2从CO2-N2体系中分离的生成条件。李小森等[4]发现在273.15K下，利用TBAB可将CO2体积分数为17%的CO2/N2形成气体水合物的相平衡压力降至0.6MPa以下。

②水合物膜法

利用水合物膜法进行混合气体分离的原理是：气体水合物的生成需要在特定的温度与压力条件进行，在同样温度下生成水合物时，CO2水合物的生成压力较N2水合物低，因此通过控制膜结构和操作条件，可使CO2气体先与膜孔内表面吸附的水分子形成水合物而N2不能形成水合物。CO2水合物生成后因膜渗透侧压力低，在压差的推动下，CO2水合物移动到渗透侧并在渗透测分解释放出CO2，而N2则留在原料侧，从而达到分离的目的[5]。

③外场作用的水合物法

孙始财[6]等在实验室搭建了一套高压条件下超声波作用于天然气水合物反应的装置系统，发现在气体水合物反应体系中引入超声波作用后，其生成特征参数温度、压力、流量与时间的关系与静态反应时不同。研究发现，将磁场和超声波作用等外场作用引入水合物反应时，可减少水合物的结晶引导时间，降低反应所需过冷度，提高水合率。

(2)各种水合物法的比较

对各种水合物法进行分析，得出优缺点比较如表2所示：

表2 各种水合物法优缺点的比较

由表2可以看出，水合物法作为一种新兴技术，目前正在被越来越多的研究者所重视，纵然当前各种水合物法捕集技术还存在着许多问题，但它同样拥有实际操作过程简单，绿色环保等优势，应用前景广阔，继续寻找合适的方法，必将能早日实现CO2捕集储存的工业化生产。

4.结论与展望

目前，碳排放超标是全球共同面临的一大问题，因CO2的过度排放造成的温室效应已连带起其他环境问题的共同出现，严重影响人们日常的生产生活。纵然目前有多种前景广阔的捕集方法，但寻找节能高效、可实现工业化捕集储存CO2的技术成为科技工作者的一个重要研究方向。

水合物法捕集CO2作为一种在水合物基础物性研究下发展出来的一个方向，应用优势明显。若能寻找到一种可以使CO2水合物的生成压力不太高、温度不太低的方法，则必将能实现高效节能捕集CO2，具有广阔的应用前景。