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燃煤烟气CO2捕集技术浅析

二氧化碳给环境带来的负面影响已经引起了全球的关注。自1992年以来,世界各国政府不断磋商会谈,为了约束各国排放的温室气体,先后签署《气候变化框架公约》、《京都议定书》、《德里宣言》、“蒙特利尔路线图”等重要公约。在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》将“主要行业二氧化碳、甲烷等温室气体的排放控制与处置利用技术”列入环境领域优先主题,并在先进能源技术方向提出“开发高效、清洁和二氧化碳近零排放的化石能源开发利用技术”;《国家“十二五”科学和技术发展规划》提出“发展二氧化碳捕集利用与封存等技术”。《中国应对气候变化科技专项行动》、《国家“十二五”应对气候变化科技发展专项规划》均将“二氧化碳捕集、利用与封存技术”列为重点支持、集中攻关和示范的重点技术领域。

控制二氧化碳的排放已经刻不容缓。目前,对于CO2的捕集技术主要分为三大类:燃烧前,燃烧中以及燃烧后。几种方式各有利弊,目前都在不断的研究发展中。

1 燃烧前捕集技术

燃烧前脱除二氧化碳,就是燃料在参与燃烧前就将其中的碳分离出去,从而使燃烧后没有CO2生成。这个技术的典型代表就是整体煤气化联合循环(IGCC)。近年来,国内外对于这项技术的研究比较多,中国华能CSIRO燃烧前捕集示范项目,2012年美国Lost Cabin项目,2014年加拿大Agrium与ACTL合作的CO2捕集项目,美国Kemper County的IGCC项目等。相对于其他的脱碳方法,燃烧前技术要求气体高压力,高浓度和高纯度。该技术的优点是运行成本低,CO2浓度高;缺点是系统复杂,只能与IGCC匹配,不适用于传统电厂。

2 燃烧中捕集技术

燃烧中捕集也成为富氧燃烧技术(Oxygen Enriched Combustion)。该技术的特点是利用空气分离系统,分离出绝大部分的氮,获得纯氧,送入能量转化器与燃料混合。燃烧产物避免了脱销过程,经过脱硫之后燃烧产物90%就是CO2,可直接处理或利用。该技术的优点就是避免了氮氧化物的排放,回收CO2成本低,脱硫效率高。但是有一个最大的问题就是制氧成本太高,使得这项技术的经济性大打折扣,从而限制了这项技术的工业化运用。

3 燃烧后捕集技术

燃烧后捕集,就是将燃烧产物进行脱碳。是目前最有前景,并且已有工业化运用的技术。针对目前的燃煤电厂,采用燃烧后脱碳仅需要在现有系统上小范围的改装,不用对其他主要系统大规模改动。所以这项技术适用于许多老电厂,市场潜力大。其缺点是电厂烟气中含有大量的惰性气体和粉尘,CO2的浓度和分压较低,对CO2的捕获费用相对偏高。目前,工业上吸收分离CO2的方法主要有吸附法、化学吸收法、低温蒸馏法、膜分离法等。

3.1 吸附法

吸附法是利用吸附剂对CO2的选择性和可逆解吸作用来分离烟气中CO2。主要机理是由于流体分子与吸附介质表面分子之间的引力而使其附着于介质表面。

此技术的优点是系统简单,无腐蚀及污染,吸附剂寿命长,维护量少。但如何选择最优良的吸附剂是关键点。吸附剂孔径、孔体积、表面积、被吸附气体与吸附剂之间的亲和力等因素直接影响吸附效果。此技术适用于CO2浓度高(20~80 vol.%)的工业气。烟气中CO2浓度较低,需对烟气除水和除灰,增大CO2分压以满足吸附分压等预处理,耗能大。因此,该方法不宜用于电厂烟气脱碳。

3.2 化学吸收法

化学吸收法就是利用吸收剂溶液吸收气相的CO2。常用的化学吸收剂有醇胺溶液,强碱溶液等。有单一纯胺法和混合纯胺法。化学吸收法是目前最成熟的脱碳方法。国内外已经有很多工业化的实例。南化研究院的改良甲基二乙醇胺(MDEA)法脱碳技术,德国BASF公司开发的aMDEA工艺,采用了六种溶剂配方,均具有较高的化学稳定性。化学吸收法的优点是脱碳率高,能达到99%以上,吸收效率高,适应性广。缺点是在脱碳过程中系统温度的控制。对于燃煤电厂烟气,进入脱碳吸收塔的温度一般要求不高于100℃,所以烟气必须先降温。脱碳后,为了减少低温腐蚀又必须升温,这就造成能耗过高。除此之外,吸收剂与烟气中的SOX、NOX反应生成不可逆的盐类,会直接造成吸收剂的损失。这些都限制了化学吸收法的大规模推广。

3.3 膜分离法

膜分离法的机理是利用气体与膜材料之间发生反应,将CO2透过薄膜分离出来。按膜的材料可分为有机膜和无机膜。此技术的关键是选择与膜材料相匹配的吸收剂溶液。另外膜材料的耐久性,对温度压力的适应性,以及电厂烟气中杂质对膜的腐蚀,污染,堵塞等问题都是目前面临的问题[8]。

3.4 膜吸收法

膜吸收法与膜分离法不同。膜本身对气体没有选择,也不参与反应。膜只起到隔离烟气和吸收液的作用。该技术是采用微孔膜技术,CO2透过膜孔到达膜的另一侧与吸收液反应,CO2靠在膜两侧的浓度差,自行的从一侧继续到达另一侧,从而不断的被吸收。国内外学者对膜吸收法展开了大量的研究。目前的研究结果表明膜吸收法的吸收效率高,过程中无相变,并且价格低,具有很大的市场潜力,适合大规模的运用[9,10]。但是在研究中也有难题比如膜孔容易堵塞,污染等。

4 结论

从目前的脱碳方法分析,针对燃煤电厂的烟气二氧化碳捕集,化学吸收法是最成熟的方法。从长远看,膜吸收法也有比较大的潜力,值得深入研究和推广。