【摘要】介紹了碳的捕獲和存儲，分析了二氧化碳分離工藝及捕獲系統(tǒng)，探討了二氧化碳變壓吸附分離技術(shù)的進展、國內(nèi)外變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進展。另外，還指出了變壓吸附分離二氧化碳工藝中存在的問題，并就這些問題提出相應(yīng)的改進策略，希望能夠為實際工作提供指導(dǎo)與參考。

【關(guān)鍵詞】變壓吸附；工業(yè)廢氣；碳捕獲；碳存儲；二氧化碳

1.引言

石油、煤炭的大量使用會導(dǎo)致排放到大氣中的二氧化碳量急劇上升，其帶來的溫室效應(yīng)已經(jīng)成為影響人類生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域的重要問題。為了降低二氧化碳的排放量，緩解溫室效應(yīng)，人們嘗試運用各種方式方法來提高能源利用效率，尋找替代能源，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。文章主要就利用變壓吸附分離工業(yè)廢氣中的二氧化碳進行探討與分析，并提出具體的工藝策略，希望對工業(yè)廢氣二氧化碳的分離工藝提供借鑒。

2.碳的捕獲和存儲簡介

碳的捕獲和存儲是隨著科研的深入和技術(shù)的更新發(fā)展而出現(xiàn)的新概念，其主要目的是采取相應(yīng)的技術(shù)措施，減少向大氣的二氧化碳排放量。這兩個概念最早產(chǎn)生于1977年，具體是指采取相應(yīng)的措施，將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源中分離出來，輸送到一個封存地點，并長期與大氣隔絕的過程，從而減少向大氣的二氧化碳排放量。程序包括捕獲、運輸、封存三個階段。實際應(yīng)用中通過這三個流程實現(xiàn)對碳的捕獲和存儲，該概念的出現(xiàn)和工業(yè)生產(chǎn)的具體應(yīng)用，主要目的是降低二氧化碳排放量，緩解溫室效應(yīng)，保護人類生存環(huán)境。然而，碳的捕獲和存儲只是降低二氧化碳排放量，緩解溫室氣體的一種方案，能否得到具體應(yīng)用，以及應(yīng)用效果如何，還受到技術(shù)成熟程度、成本、法律法規(guī)等的制約。只有在所有這些因素都具備和完善的前提下，才有可能對該方案進行有效的應(yīng)用，對其進行推廣和普及。在具體應(yīng)用中，碳的捕獲最為困難，所需要耗費的資金也更多，占到整個工藝流程資金耗費的85%左右。因此，在實際工作中，關(guān)鍵是要采取有效的措施，實現(xiàn)對碳的有效捕獲。

3.二氧化碳分離工藝及捕獲系統(tǒng)概述

3.1分離工藝的類型與特征。就其類型來看，分離工藝包括溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法、變壓吸附法四種不同的工藝類型。這些工藝各有自身的特點和優(yōu)勢，在具體的應(yīng)用過程中，既可以根據(jù)具體情況單獨采用某種工藝，也可以根據(jù)實際需要，對幾種工藝進行組合，以提高工作效率。當(dāng)氣體的二氧化碳濃度較低，一般適合采用溶劑吸收法，采用該工藝對二氧化碳進行濃縮之后，其濃度可以達到99.99%。盡管該工藝可以得到濃度較高的二氧化碳，但也存在著一些缺陷與不足，例如，工藝的投資較低，能源消耗巨大，分離回收成本較高，因而該工藝的推廣和應(yīng)用受到較大程度的限制。低溫蒸餾法的能源消耗也十分巨大，投資較多，在二氧化碳濃度較高的情形比較適用，但該工藝的分離效果較差，在具體應(yīng)用中難以推廣和普及。膜分離法的成本投入較少，能源消耗也相對降低，但得到的二氧化碳濃度不高，在模分離之前需要進行脫水、過濾等處理工作，盡管該方式存在不足之處，但綜合來看仍然是一種較為優(yōu)良的工藝方式。變壓吸附法通過捕獲提純二氧化碳，能源消耗較低，操作簡單方便，對周圍環(huán)境沒有污染，是較為理想的處理工藝。

3.2捕獲系統(tǒng)的不同種類。在具體應(yīng)用中，包括燃燒后捕獲、燃燒前捕獲、氧燃料燃燒三種不同的方式，不同的方式操作流程不一樣，具有各自的特點和優(yōu)勢。需要注意的是，在具體應(yīng)用中，不管采用何種方式，需要考慮燃氣流中的二氧化碳濃度、燃氣流壓力、燃料類型等因素，以達到更好的處理效果，促進捕獲和分離工藝的正常運行。

4.二氧化碳變壓吸附分離技術(shù)的進展研究

4.1二氧化碳分離工藝研究。在對氣體分離和提純的過程中，變壓吸附所采用的的方式是，通過周期性的壓力變換從而實現(xiàn)上述目的。為提高分離效果，在設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝流程等方面都取得了進步。例如，1960年出現(xiàn)了變壓吸附雙塔結(jié)構(gòu)，使得變壓吸附循環(huán)操作得以實現(xiàn)，取得了良好的效果，不僅使產(chǎn)物的回收率得到了提高，還降低了均壓中的能量損失，給整個變壓吸附帶來重要的意義。另外，為了降低能量損耗，使二氧化碳的純度、回收率得以提高，再加壓、均壓、順流減壓、回流等工藝相繼出現(xiàn)，并在具體工作中得到應(yīng)用，這些工藝的出現(xiàn)，不僅使得產(chǎn)品的回收率得到提高，還提高了產(chǎn)品的純度，使得工藝流程中的能源消耗不斷降低，對整個變壓吸附分離技術(shù)帶來積極的作用。

4.2吸附劑材料分析。在具體應(yīng)用中，吸附劑的主要作用是捕獲二氧化碳，衡量吸附劑好壞的標(biāo)準(zhǔn)包括工作能力、選擇性、平衡等溫線類型、熱效應(yīng)等指標(biāo)。較為常用的材料包括活性炭、沸石、活性氧化鋁等，各有自身的特點和優(yōu)勢，應(yīng)該根據(jù)具體需要合理選用。

5.國內(nèi)外變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進展研究

5.1現(xiàn)代變壓吸附技術(shù)取得了顯著的進步。最先利用變壓吸附二氧化碳技術(shù)的時候，人們普遍認(rèn)為該技術(shù)缺乏發(fā)展前景，其成本較高，能源消耗較大，難以大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。隨著技術(shù)的改進和升級，吸附塔結(jié)構(gòu)、循環(huán)設(shè)計、吸附劑等進行了不斷的改進和提升，變壓吸附分離技術(shù)得到了進一步廣泛的應(yīng)用。目前，該技術(shù)的二氧化碳回收率高、純度高、能耗低、成本投入少，效益明顯，是較為理想的二氧化碳吸附技術(shù)。

5.2國外變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進展。在國外，該技術(shù)取得了不斷的改進，其工藝流程變得更為簡單，操作也更為方便，效益越來越明顯。日本最先利用變壓吸附技術(shù)分離二氧化碳，另外，美國、德國、英國等也重視該技術(shù)的應(yīng)用。并且注重在這方面的投入，相應(yīng)的研究成果不斷出現(xiàn)并得到推廣。以日本為例，日本政府已經(jīng)累計投入5000萬美元用于二氧化碳捕獲和存儲的科研活動，并且，設(shè)計活塞驅(qū)動式超快速變壓吸附來捕獲二氧化碳，研發(fā)溫度支持的固定塔系統(tǒng)來分離二氧化碳，在科研方面取得了重要的突破，對具體工作也產(chǎn)生積極的影響。

5.3國內(nèi)變壓吸附分離二氧化碳的工業(yè)應(yīng)用進展。該技術(shù)最早由西南化工研究設(shè)計院開發(fā)出來。1987年，第一套從石灰窯氣中提純二氧化碳的裝置在四川眉山氮肥廠投入運行；1989年，第一套從合成氨變換氣中提純二氧化碳的裝置在廣東江門氮肥廠投產(chǎn)；1995年，寧波化肥廠建成從合成氨變換氣中分離回收二氧化碳的變壓吸附裝置；1997年，云南峨山化肥廠建成一套液體二氧化碳生產(chǎn)裝置；2005年，四川開元科技有限責(zé)任公司改進變壓吸附脫碳技術(shù)工藝流程，優(yōu)化設(shè)備配置，并在自動控制系統(tǒng)方面取得較大進步。今后隨著科研的深入，該技術(shù)將會取得更大的進步，其應(yīng)用效果也更為顯著。

6.變壓吸附分離二氧化碳工藝中存在的問題

6.1改進變壓吸附循環(huán)設(shè)計或研發(fā)親二氧化碳吸附劑材料。工廠排出的廢氣，經(jīng)過處理后也會有5%左右的水蒸氣無法清除，而吸附劑往往先吸附水蒸氣，從而使得二氧化碳的吸附能力降低，今后有必要改進變壓吸附循環(huán)設(shè)計，或研發(fā)親二氧化碳吸附劑材料。

6.2壓力降的存在對系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響。壓力降對加壓、減壓、沖洗產(chǎn)生負面作用，使得系統(tǒng)壓力降低，增加系統(tǒng)能耗，降低成本投入，對提高二氧化碳回收率也帶來負面影響。

7.結(jié)束語

綜上所述，變壓吸附分離工業(yè)廢氣的二氧化碳工藝能源消耗少，投資較少，不會帶來污染問題，效益顯著，對分離二氧化碳具有重要作用。今后在減少二氧化碳排放方面將會發(fā)揮更加重要的作用。

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