陳 亮，賀堯祖，劉勇軍,，羅德明

（1.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065；2.國家煙氣脫硫工程技術研究中心，四川 成都 610065）

碳捕集技術研究進展

陳 亮1，賀堯祖1，劉勇軍1,2，羅德明2

（1.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065；2.國家煙氣脫硫工程技術研究中心，四川 成都 610065）

碳捕集技術對于減少大氣中的CO2濃度顯得至關重要，尤其是對于排放大量溫室氣體的火力發(fā)電廠和工業(yè)源的CO2捕集。本文主要概述了CO2的燃燒前捕集、富氧燃燒捕集、燃燒后捕集這3種主要的碳捕集技術的研究現(xiàn)狀，并結合當前正在研究的碳捕集技術，提出了碳捕集技術未來可能的發(fā)展方向。

二氧化碳；燃燒前捕集技術；富氧燃燒捕集技術；燃燒后捕集技術

2014年IPCC發(fā)布的第五次評估報告指出，CO2仍然是最主要的溫室氣體。以2010年人類經(jīng)濟活動排放的CO2來看，其中電力和供暖占25%，農林及土地利用占24%，工業(yè)占21%，交通占14%，建筑行業(yè)占6.4%，其他占9.6%[1]。根據(jù)大多數(shù)情景預測，接下來的幾十年里一次性能源的供應仍將以化石燃料為主，而化石燃料燃燒所產生排放的CO2占的比重較大，且也是最為可控的[2]。

CCS技術是指將CO2從相關燃燒排放源捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海洋等地點進行長期（幾千年）封存，從而阻止或者顯著減少溫室氣體的排放，以減輕對地球氣候的影響，被認為是目前最有效的措施。而其中碳捕集的成本占整個系統(tǒng)的2/3，因而碳捕集技術的研究和發(fā)展對于大力發(fā)展CCS技術顯得至關重要。

碳捕集技術主要分為3種，一是燃燒前捕集，二是富氧燃燒捕集，三是燃燒后捕集。碳捕集技術的選擇取決于燃料的類型、燃燒方式、燃燒的溫度、氣體中CO2濃度和分壓以及現(xiàn)有技術和成本。

1 燃燒后捕集技術

火電廠的CO2燃燒后捕集在特定的經(jīng)濟條件下是可行的，且已有工業(yè)化應用。如圖1所示，傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠通過煤與空氣混合燃燒產生熱和電，在燃燒過程中會產生SO2、NOx和顆粒物等污染物，由于CO2的捕集過程需要保持混合氣體的相對潔凈度，因而一般捕集的過程在除塵脫硫脫硝以后。燃燒后捕集技術的分支較多，主要分為吸收法、吸附法、膜分離法、低溫蒸餾法等，目前應用得最廣泛且高效的CO2捕集方法是醇胺吸收法。醇胺法能夠捕集85%~95%的CO2，吸收了CO2的溶劑再進行升溫解吸，可得到高濃度的CO2氣體進行運輸封存。

盡管商業(yè)化的CO2捕集系統(tǒng)還沒有完全建立起來，醇胺法捕集工程在近20多年以來已陸陸續(xù)續(xù)建立起來上百座[3]，主要應用于食物和飲料等工業(yè)的原料氣中的CO2的捕集，少部分應用于火力發(fā)電廠的CO2捕集。其中以Lummus、MHI、Fluor Daniel等公司的工業(yè)化捕集最為知名。一般的醇胺吸收液濃度為20%左右，增加吸收液濃度能夠提高捕集效率和減少能耗，但是吸收液濃度越大其對設備的腐蝕性也就越大，因而不同設計的捕集系統(tǒng)和裝備，其工藝流程和參數(shù)也大大不同。

圖1 燃燒后捕集CO2系統(tǒng)示意圖

燃燒后捕集技術可以直接應用于傳統(tǒng)電廠煙氣CO2捕集，且建設費用較低，但是由于傳統(tǒng)電廠的煙氣流量大，CO2濃度低，壓力小，因而其捕集能耗和成本都很難降低。且以醇胺吸收法為主的捕集技術，由于醇胺溶液具有比較強的腐蝕性且易揮發(fā)具有一定毒性，因而醇胺吸收法具有一定的局限性。隨著近年來CO2捕集技術和材料研究的深入，吸附法發(fā)展較快且具有吸附速率快、操作簡單等優(yōu)點，特別是吸附劑的吸附性能越來越高。Qi等人[4]制備出了吸附容量達12mmol·g-1（65℃，PCO2=0.08）的固體胺吸附劑，這些新興吸附劑的出現(xiàn)有可能以更低的成本和能耗成功應用于燃燒后碳捕集。

2 燃燒前捕集

在燃燒前去除燃料中的碳元素，那么必然得將燃料中的碳轉化為易分離的物質。以燃煤火電廠為例，如圖2所示，煤與水蒸汽或者氧氣在高溫高壓下發(fā)生部分氧化反應，產生一定量的CO和H2，即得到所謂的“合成氣”。合成氣經(jīng)過顆粒去除純化以后，合成氣中的CO與水蒸汽發(fā)生反應生成CO2，然后經(jīng)過吸收法、吸附法等技術去除CO2，例如已得到廣泛工業(yè)應用的Seloxol法，然后得到幾乎純凈的H2燃料氣。

圖2 燃燒前捕集CO2系統(tǒng)示意圖

盡管燃料氣化相對于傳統(tǒng)的直接燃燒的步驟較為復雜且成本較高，但是在CO2的分離過程中，在高壓、且CO2濃度較高的分離條件下，分離更為簡單且成本較低。與燃燒后捕集CO2是通過CO2與吸收劑發(fā)生化學反應不同的是，燃燒前捕集CO2更適合的方法是CO2在高壓、高濃度條件下發(fā)生物理吸收吸附，然后降壓進行解吸。但是燃燒前捕集的能耗較大，特別是燃料氣氣化重組轉換和CO2與H2混合氣變壓分離CO2的過程，最初的燃料轉化步驟較為復雜，與燃燒后系統(tǒng)相比成本較高。但由變換反應器產生的高濃度CO2（在烘干條件下一般占體積的15%~60%），以及在這些應用中的高壓條件，則更有利于CO2的分離。燃燒前系統(tǒng)可以在采用綜合汽化復合循環(huán)（IGCC）技術的電廠中使用[5]。

3 富氧燃燒捕集

如圖3所示，富氧燃燒技術是指在燃燒過程中通入不含氮氣的純氧，燃燒后的煙氣CO2體積濃度可達85%以上[6]，便于后續(xù)的封存。富氧燃燒捕集具有非常大的發(fā)展前景，由于燃燒過程中沒有氮氣的參加，其燃燒溫度更高，且只產生微量的NOx，因而整個碳捕集過程其能耗較低。

但是富氧燃燒捕集整個核心是制氧過程，常采用低溫分離和膜分離技術[7]，制氧過程費用很高。由于富氧燃燒過程溫度較高，因而涉及燃燒器的材料耐受力和燃燒器的結構設計和改造。綜合考慮制氧成本和燃燒器結構這兩方面問題，該過程目前主要限制于實驗室和中試研究[8]。美國阿貢國家實驗室正在研究改造富氧燃燒器，使得燃燒器能夠同時將CO2的傳輸利用以及保存集于一體[9]。

圖3 富氧燃燒捕集CO2系統(tǒng)示意圖

4 總結和展望

隨著全球越來越重視氣候的變化，溫室氣體的減排必將會受到各國的重視，碳捕集技術是各國學者的研究熱點。由于煙氣的組成較為復雜，在原本的脫硫脫硝以后，還要進行碳捕集，目前最大的困難就是如何降低捕集成本。近些年來膜分離法、吸附法、低溫蒸餾法的研究中，以吸附法研究最為熱門。各種吸附材料的研究和快速發(fā)展，伴隨著吸附劑制備成本的降低，吸附法將會以其獨有的優(yōu)勢適用于燃燒后碳捕集。隨著工程技術的發(fā)展，燃燒前捕集和富氧燃燒捕集技術也將會慢慢地應用于各種化石燃料燃燒的過程中，特別是對于火力發(fā)電廠而言，燃燒前捕集技術的發(fā)展將會大大減少電廠的CO2排放量。

捕集后的二氧化碳作為一種副產物，只有少數(shù)會進入工廠進行生產應用，大部分還是通過封存來進行保存，因而碳捕集技術的發(fā)展也將伴隨著碳運輸和碳利用研究。由于碳捕集技術大部分還是處于試驗性研究，因而工業(yè)化以及商業(yè)化的推廣也是其一大任務。

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Recent Advance in Carbon Dioxide Capture Technologies

CHEN Liang1, HE Yao-zu1, LIU Yong-jun1,2, LUO De-ming2
(1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.National Flue Gas Desulfurization Engineering Technology Research Center, Chengdu 610065, China)

Carbon dioxide capture was widely seen as a vital technology for reducing atmospheric emission of CO2from power plants and other industrial facilities. In this paper, the recent research on three type of capture technologies, namely pre-combustion processes oxy-combustion systems and post-combustion CO2capture processes, were reviewed. For prospective, we made insight of the further process about CO2capture that would make in the future.

carbon dioxide; pre-combustion; oxy-combustion; post-combustion

TQ 127.1

A

1671-9905(2016)04-0042-03

2016-02-26