【48812】【6·5国际环境日】碳捕集技能原理

  碳捕集、使用与封存（carbon capture, utilization and storage，CCUS）技能指将二氧化碳（CO2）从工业或许动力出产相关源中别离并捕集，加以地质、化工或生物使用，或输送到适合的场所封存，使CO2与大气长时间阻隔的技能体系，该技能道路被认为是削减温室气体排放的有效途径。

  碳捕集技能是指将CO2从固定排放源中别离，现在首要的固定CO2排放源包含水泥和钢铁出产、化石燃料制氢、废物焚烧和发电等职业。

  焚烧前捕集技能是指将氢气、天然气、煤气和合成气等可燃气体中的CO2进行别离与捕集的技能。因为CO2别离是在燃料焚烧前进行的，燃料气尚未被N2稀释，燃料气中CO2浓度高，因为高压（10～80 bar）和高浓度（20%～50%），捕集的能耗和本钱较低。一般提到焚烧前捕集技能，大多是指根据煤气化或全体煤气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）的CO2焚烧前捕集技能。高压下，化石燃料与氧气、水蒸气在气化反响器中分化生成CO和H2混合气，经冷却后，送入变换器，进行催化重整反响，生成以H2和CO2为主的水煤气，并对其进行CO2别离，取得的高浓度H2作为燃料送入燃气轮机。

  现在，溶液吸收、固体吸附、膜别离是焚烧前碳捕集首要的技能，具有商业运转才能。

  是使用溶液从混合气中别离CO2，按吸收原理可分为物理溶液吸收法、化学溶液吸收法以及物理-化学混合溶液吸收法等。物理吸收法使用CO2在溶液（如甲醇、N-甲基吡咯烷酮、聚乙二醇二甲醚等）中的溶解度随压力而改动的原理来吸收、别离CO2，温度越低，压力越高，溶剂对CO2吸收效果就将越好，如超低温Rectisol工艺，具有捕集能耗低的特色，更适于中高压（20～80bar）条件。化学吸收是选用溶液与CO2产生化学反响构成化学键进行吸收，并在较高温度下进行解吸再生，具有捕集容量大、选择性高、工艺简略等特色，在常压操作条件下捕集效果要显着优于物理溶剂。

  不同吸收溶液对CO2的吸收效果（来历：化工发展，2014年，33卷7期，1895-1901）

  是指通过固体吸附剂从混合气中别离CO2，按吸附原理包含物理吸附及化学吸附。物理吸附首要是根据在较高压力下吸附，降压加冲刷或降压加抽暇的再生循环工艺。变压或变压/变温吸附资料包含活性炭、分子筛、水滑石、笼状水合物等。化学吸附可使用负载胺、硅酸盐、碳酸盐等通过化学反响吸附二氧化碳，并在高温下进行解吸、再生。其首要特征是吸附选择性高，对环境蒸汽或水分耐受性好。部分吸附剂可作业在中高温（200～600℃），因此不需要对变换气进行冷却，使得全体捕集本钱较低。

  首要应用在合成气CO2和H2别离。用于合成气脱碳的膜进程是典型的高压膜进程，合成气压力为 3～5 MPa，其间H2含量为60%～80%，其他首要为CO2。用于CO2和H2别离的膜有两类：一类为H2优先浸透膜，即H2/CO2别离膜，另一类为CO2优先浸透膜，即CO2/H2别离膜。

  富氧焚烧和化学链焚烧技能是指通过空分或载氧体富集氧气，在化石动力焚烧时首要通入氧气，得到高浓度的CO2，由此削减CO2和空气中惰性气体如N2的别离难度和能耗。这类技能包含富氧焚烧技能和化学链焚烧技能。焚烧中碳捕集技能包含富氧焚烧、化学链焚烧技能。

  是指用高浓度的O2与CO2的混合气体替代空气在锅炉内与煤粉进行焚烧反响。其间，O2是使用工业级的空分设备取得，CO2是通过烟气循环的方法从锅炉排放的烟气中取得，通过不断的CO2循环和富集使得烟气中CO2浓度不断升高，理论上干烟气下CO2的浓度可高达80%以上，便于进行CO2的紧缩与别离，具有本钱低、易规模化、适于存量机组改造等长处，其体系流程如图。

  富氧焚烧体系示意图（来历：刘建华. 国内燃煤锅炉富氧焚烧技能发展[J]. 热力发电, 2020, 49(7): 48-54.）

  是将传统的燃料与空气非直触摸摸反响的焚烧，凭借载氧体，使燃料无需与空气触摸，焚烧侧产品只要CO2和水，经冷凝后可直接收回CO2，无需额定的别离设备。化学链焚烧体系由空气反响器、燃料反响器和载氧体组成，其间载氧体由金属氧化物与载体组成，金属氧化物真实参加反响传递氧，而载体承载金属氧化物并进步化学反响特性。金属（Me）在空气反响器中，被空气中的氧气氧化，生成金属氧化物（MeO）；金属氧化物（MeO）在燃料反响器中，与燃料产生氧化复原反响，燃料产生氧化反响生成CO2和H2O，MeO产生复原反响生成金属（Me）。

  焚烧后捕集技能是指将CO2和氮气、氧气和水蒸汽等不行燃气体的别离。这些气体首要来自于工业进程开释的烟道气，量大面广，是最首要的CO2排放源。这类混合气体的压力为常压1 bar左右，CO2浓度为2%～30%。因为常压和低浓度，CO2捕集的能耗和本钱要高于焚烧前捕集技能，但常压设备出资和保护本钱较低。

  化学吸收法脱除CO2是使用碱性吸收剂与烟气触摸并与CO2产生化学反响，构成不稳定的盐类，而盐类在加热或减压的条件下会逆向分化开释CO2而再生吸收剂，从而将CO2从烟气中别离。典型的化学吸收法工艺为，烟气经预处理后进入吸收塔，自下向上活动，与从吸收塔顶部自上而下的吸收剂构成逆流触摸，脱碳后的烟气从吸收塔顶排出。吸收CO2的吸收剂为富液，经贫富液换热器升温后进入再生塔解吸CO2，解吸的CO2连同水蒸气冷却后，除掉水分后得到高纯度CO2气体。解吸CO2的吸收剂为贫液，由再生塔底流出，经贫富液换热器换热后，进入吸收塔循环构吸收CO2。

  焚烧后固体吸附法一般是使用化学吸附，烟气中的CO2与固体资料外表某些原子或基团构成化学键合而产生的吸附效果。化学吸附工艺依托变温吸附体系来进行，其典型工艺体系由吸赞同脱附两个反响器组成。烟气首要进入低温吸附反响器（吸附塔），与吸附剂产生反响，脱除其间的CO2；通过旋风别离器将富含CO2的吸附剂与净化气别离；富含CO2的吸附剂进入高温脱附反响器（解吸塔），通过水蒸气加热再生继而开释其捕捉的CO2；再生后的吸附剂即CO2匮乏的吸附剂，通过冷却器进行冷却后，回来吸附反响器，用于循环吸附CO2。和溶液吸收比较，无溶剂参加，工艺进程简化，无设备腐蚀，节能降耗显着。

  膜吸收法是将膜和化学吸收相结合，该技能首要是选用微孔膜，在膜吸收工艺中，混合气体与吸收液不非直触摸摸，二者分别在膜的两边活动，所选用的微孔膜自身没有选择性，内情起到阻隔混合气体与吸收液的效果，微孔膜上的微孔足够大，理论上能够答应膜一侧被别离的气体分子不需要很高压力就能够穿过微孔膜到膜另一侧，该进程首要是依托膜另一侧吸收液的选择性吸收到达别离混合气体中CO2的意图。

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