二氧化碳捕集技术的最新研究进展

张文慧 林毅 邹娟珍

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最近，随着工业的发展，二氧化碳（CO2）的排放量不断增加。科学研究表明CO2的大量排放会带来全球气候变暖，造成不可逆的灾难性破坏。因此我们需要减少CO2的排放量。CO2减排是一项复杂的工程，它需要多种途径共同协调。目前，CO2减排的途径主要包括开发低碳能源、节约能源以及CO2的捕集、封存技术（CO2captureandstorage,CCS）。其中，CCS是最有前景的方案之一。本文中，我们对二氧化碳捕集技术现状进行了全面的综述。对燃烧前、氧燃烧、燃烧后二氧化碳捕集技术进行比较，并讨论了不同捕集方法的特点和适用范围。最后对CO2捕集技术的发展方向进行了展望。

1 二氧化碳捕集技术现状

CCS是指从CO2排放源中将CO2捕集分离，并输送至封存地点，使CO2与大气彻底隔绝。CCS的第一步是CO2的捕集，它是最关键也是能耗最高的一步，CO2捕集所需能耗大约为整个CO2减排成本的70%。因此，开发低成本、高效率而且绿色无污染的CO2捕集技术具有重要的意义。

CO2捕集是一种气体分离的过程。目前分类方法比较多，最常见的是根据分离原理分类：吸附法、吸收法以及膜分离法等。有3类相应的CO2捕集技术，即：燃烧前捕集，氧燃烧以及燃烧后捕集。对于这三类的研究进展如下所述。

1.1 燃烧前捕集技术

在燃烧之前，煤等其他固体燃料会转变为气态，并进一步分解为H2和CO的混合气。该混合气通过水煤气转换反应器会变成H2和CO2，H2是一种环境友好的燃料，可以用于煤气联合循环电厂的燃烧以及燃料电池的开发。燃烧前捕集就是将H2和CO2分开，由于混合气的压力一般为2.7MPa左右，而且烟气中的CO2分压远远高于这个压力。因此，采用燃烧前捕集技术可以显著降低捕集装置的规模，主要采用物理吸收剂将CO2分离，常见的吸收剂包括：低温甲醇、聚乙二醇二甲醚同系混合物以及丙烯碳酸酯。燃烧前捕集技术具有成本低的优点，具有巨大的发展潜力。

1.2 氧燃烧捕集技术

在纯氧条件下，煤等其他固体燃料的燃烧产物为H2O和CO2，H2O的沸点较低，因此可以通过冷凝的方法将H2O分离从而得到CO2。此技术需要高纯度的氧气，一般是由低温空气分离装置提供的。研究发现，循环流化床也可以对燃烧温度进行循环控制，从而降低温度得到较为纯净的CO2。与燃烧前捕集技术相比，氧燃烧捕集技术具有以下优势：(1)可以实现CO2的零排放，研究发现通过该技术CO2捕集率超过95%；(2)氮氧化物产生量少，减少了脱氮装置的规模，降低了成本。

1.3 燃烧后捕集技术

燃烧后捕集技术是在烟气中将CO2分离，烟气中CO2的分压不超过0.15MPa，因此一般化学吸收剂固定CO2，而且要求化学吸收剂具有较强的亲和能力，与CO2反应能够生成水溶性的物质。燃烧后捕集技术是一项比较成熟的技术，上世纪70年代已经用于烟气中CO2的回收。目前，醇胺法是最常用的燃烧后捕集技术。但是仍然存在一些问题，例如对设备的腐蚀性强、吸收量小、能耗大一级需要对烟气预处理等。

2 CO2 捕集技术的最新进展

目前，CCS技术仍然很不成熟，其高成本限制了大规模的应用。因此，目前降低CO2捕集成本是研究的主流方向。国内外学者都对此进行了研究。其中，氨法是国外普遍认可的技术。其原理为，在溶液中氨和CO2反应生成碳酸铵或者碳酸氢铵，烟气中的二氧化硫以及氮氧化物也可以生成硫酸铵和硝酸。碳酸氢铵在低温下即可分解，而且生成碳酸氢铵后氨的利用率较高，因此在采集过程中要严格控制氨的浓度以及其他条件，使生成的碳酸氢铵尽量多。与MEA相比，氨法具有能耗低、吸收能力强以及对设备无腐蚀的优点。阿尔斯通已经获得了氨法工艺专利许可权，而且在致力于开发冷氨法。目前，国外还有一些学者致力于其他的捕集技术，例如金属有机骨架、氧气制取、离子液体以及膜分离技术等，但是都停留在实验室研究阶段。我国也致力于CCS的研究，“十一五”、973以及863计划中有很多关于CO2捕集的课题。一些电厂建立了三套醇胺化学吸收法CO2捕集技术，而且已经生产运营，已经达到国际水平。据统计，我国CCS的现场试验按照时间顺序在国际上可以排到第四的位置。

3 总结和展望

随着技术的发展，CO2捕集技术更加多样化，而且成本得到了明显的降低，推动CCS的大规模应用。目前有3种常见的CO2捕集技术，它们各有优缺点。其中，氧燃烧捕集和燃烧后捕集技术适用于大规模的应用，有望用于工业化应用。醇胺化学吸收法是比较成熟的捕集技术，适合大规模的工业推广，冷氨法的成本最低，值得商业应用。相信在不久的将来，CO2捕集技术会得到广泛的应用，从而改善全球环境。

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