□呂月霞
化石燃料在燃燒過程中排出大量的溫室氣體二氧化碳,給地球的生態環境和人類的生存條件帶來嚴重的威脅,引起了國際社會的關注。
CO2捕獲和封存技術(CCS)是一種能夠在短期內穩定或者降低大氣中溫室氣體濃度的技術方案。世界上正在運行的較有代表性的CCS項目包括挪威國家石油公司在北海的Sleipne項目、阿爾及利亞的InSalah項目和加拿大Weyburn項目。與國際較為先進的CO2捕集技術相比,中國碳捕集的技術還處於起步階段。目前主要有三種方法捕集電廠化石燃料燃燒過程中產生的CO2氣體。
1.燃燒前CO2捕獲系統:將CO2從化石燃料經過氣化和蒸汽重整後產生的合成氣中分離出來,主要用於採用煤氣化聯合循環發電技術(IGCC)的電廠。該系統的優點是合成氣中CO2的分壓較高,可以採取物理吸收等捕獲技術來降低減排能耗；其缺點是燃料的初步轉化步驟較複雜,與燃燒後捕獲系統相比發電設備的總成本比較高。
2.富氧燃燒CO2系統:一次燃料在燃燒時使用的是純氧而非空氣,因此燃燒後得到的是CO2和H2O的混合蒸汽,將水蒸氣冷卻之後便可得到高濃度的CO2。該系統的優點是通過冷卻和清除水蒸氣便可得到高濃度的CO2,捕獲成本非常低；其缺點是製備燃燒所用的高純度氧氣的能耗很高,該技術尚不成熟,處理的氣體量相對較少。
3.燃燒後捕獲系統:將CO2從一次燃料在空氣中燃燒後產生的煙道氣中分離出來,主要用於燃燒鍋爐和汽輪機發電等場合。電廠煙道氣中的CO2的濃度和分壓較低,CO2的捕獲費用相對來說偏高。但該捕獲系統可以對既有電廠進行機組改裝後安裝CO2捕獲設備,不需要對現有的燃煤電廠進行過多的結構改造,因此有較為廣泛的適應性和較大的市場潛力。目前,煙道氣中CO2燃燒後捕獲的方法很多,主要有物理化學溶劑吸收法、固體吸附法、低溫蒸餾法、膜分離法以及方法之間的耦合等。其中,化學吸收法已經在天然氣處理、氫氣和氨氣生產等工業領域使用很多年,工藝流程比較成熟,但是填料塔等傳統的化學吸收裝置在操作時存在氣液兩相無法單獨控制,在操作過程中容易出現液泛、溝流、霧沫夾帶等工程技術問題。固體吸附法是利用吸附劑對原料混合氣中CO2的選擇性不同,通過吸附-解吸可逆作用來分離CO2,操作簡單,容易實現自動化,但現有的大多數固體吸附劑的吸附容量和對CO2的吸附選擇性比較差,所以不適用於處理大規模燃煤電廠的煙道氣脫碳。低溫蒸餾法是通過低溫冷凝的方法將CO2從煙道氣中分離出來,該分離方法雖然能分離出高濃度的CO2,但能耗較高,一般只適用於處理含有高濃度CO2的煙道氣。傳統的膜分離法是利用某些聚合材料如醋酸纖維、聚醯亞胺、聚碸(PS)等製成的薄膜對不同氣體的滲透率的不同來分離氣體的過程,近年來發展非常迅速,目前的主要研究難點是在保證膜材料在有較高CO2滲透性的前提下,能夠同時保證膜材料有較高的CO2選擇性。基於上述各種方法都有獨特的優點和缺點,將上述兩種或者多種分離方法結合起來,發展成為新一代的集成分離技術,可以發揮各種分離方法的技術優勢,提高分離過程的效率並降低CO2減排的能耗和成本。
(作者單位:山東省科學院能源研究所)
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