燃烧后CO2捕集利用与封存（CCUS）的主要技术方法

燃烧后 CO2捕集利用与封存（ CCUS）的主要技术方法

白洪亮

大连理工大学绿源环保产业有限公司 (辽宁 116023)

摘要：CO₂捕集利用与封存技术（CCUS）被认为是一项具有大规模温室气体减排潜力的技术，是能够将钢铁、有色金属、化工等工业行业燃烧后CO₂实现大规模减排的技术。

关键词：碳捕集、分离、碳减排

当今，由于温室效应引起的全球气候变暖等环境问题，已经成为全世界共同瞩目的课题，作为应对全球气候变化的重要技术途径之一，CO₂的捕集利用与封存（Carbon Capture Utilization and Storage，简称CCUS）获得了全世界的重视。通过对全球不同区域、不同规模的CCUS项目和技术进行系统的总结和分析表明， CCUS技术在解决全球碳排放的课题上正发挥着重要的作用，未来还将具有广阔的发展前景。

CO₂捕集与利用技术因为对氧化剂、燃料、燃烧物所采取的措施不同，可分为燃烧前捕集、纯氧燃烧捕集以及燃烧后捕集三种。富氧燃烧捕集技术和燃烧前捕集技术对材料的选取和操控环境（满足高温）的要求很高，因此它们的研究、开发及示范性项目很少。相比而言，燃烧后捕集凭借其成熟的技术、广泛的市场化应用空间，以及良好的经济示范作用而被市场接纳。

利用燃烧排气来分离、回收、精制CO₂的技术手段主要选用吸收分离法、吸附分离法、膜分离法、低温精馏馏法等。化学吸收法被认为是目前最有市场前景的吸附方法，在化学吸收中，胺类溶液以其吸收效果好的特点被广泛应用。下面我们就对这几项主要的技术进行分析和比较。

1 吸收分离法

吸收分离法凭借原理和工艺的不同，可以分为物理吸收法和化学吸收法两种类别。

物理吸收法选取的吸收液通常为碳酸丙稀脂、甲醇、水等，利用CO₂在这些吸收液中的溶解度将伴随周边压力的变化而产生变化的原理来吸收CO₂。物理吸收法需要在低温、高压的环境下才能进行，其特点是吸收CO₂的能力大，但是吸收利用的CO₂量比较小，吸收液再生时也不需要加热等条件和要求，溶剂既不会起泡，也不会腐蚀设备。比较适用于CO₂气体分压较高的条件好环境。

化学吸收法是利用各种吸收液和CO₂进行复杂的化学反应，通过分离、回收等工艺获得高纯度CO₂的方法。此反应是可逆的，温度对反应具有极大的影响力，一般情况下，当反应在38℃左右时会吸收CO₂，吸收CO₂后反应向右进行；当温度达到100℃左右时，反应向左进行并释放出CO₂。化学吸收法的回收过程中所使用的吸收液一般是热碳酸钾水溶液、醇胺类溶液等，化学吸收法具有CO₂吸收速率高等特点和优势，其产生的CO₂纯度可达99.99% ，所产生的经济效益良好，工业化发展的前景也异常广阔。

据了解，当燃煤电厂的烟道气中仅存3%~14%浓度的CO₂时，一般会选用化学吸收法。整个流程是首先将烟道气进行加压、冷却、去水处理后导入吸收塔内，这时吸收塔内的操作温度一般为110~140℃左右，塔内的填料、复合胺液与烟气通过逆流进入吸收塔内，此时复合胺液充分吸收CO₂后变成富液，在预热后的贫富液换热器的作用下回流到再生塔内，在里面充分解吸出CO₂而变成贫液。贫液历经过滤、冷却的环节后，重新回到吸收塔内，进而实现反复的循环利用。

经过化学吸收法脱除CO₂的工艺随着科学和时代的发展还在不断地进行着优化和迭代。自20世纪30年代，醇胺法脱碳工艺一经问世，历经近百年的发展和演变进程。从最早时期的以一乙醇胺（MEA）为溶剂进行脱碳，发展到先后以二乙醇胺（DEA）、二异丙醇胺（DIPA）为溶剂的工艺创新。1964年，美国壳牌公司的科学家们成功开发出了sulfinol溶剂，这项技术和工艺将醇胺法的工艺水平再次拉升到更高的水平。自此，胺法工艺完美实现了可以根据溶液的特性、吸收容量、速率等特点，结合其不同的优点进行复配，从而灵活、有效的应用于各种场景下的CO₂气源。

2 吸附分离法

吸附分离法是通过充分利用活性炭、氧化铝凝胶、沸石、分子筛等吸附剂对CO₂气体具有选择性吸附的独特性质，从而进行分离和吸附CO₂的方法。

吸附分离法分为变温吸附法（TSA）、变压吸附法（PSA）、和变温变压吸附法（PTSA）。

变温吸附法是利用吸附量随周边温度变化而使某种气体产生分离、从而实现气体的回收，而变压吸附法则是利用吸附量随周边压力的变化而使某种气体产生分离、从而实现气体的回收。这两种方法的特点和优势都很明显，即整个工艺过程简单明了、能耗使用低、适用场景广泛、对容器不产生腐蚀，但是回收CO₂的效率较低，必须在拥有高浓度CO₂的场景下才能使用。

中国科学家自1991年开始研究和应用CO₂吸附分离法，多年来积累了雄厚的研发实力和丰富的研发数据，国内科研院所至今已经推出了上百套CO₂吸附装置，硕果丰厚、蜚声国际，获得了国内外同业者的广泛赞誉，实现了经济效益和社会效益的双丰收。

3 膜分离法

膜分离法是当今各国在高科技技术领域中的一个竞争焦点。其本质上是一种物理分离法，并不产生相变。因为使用膜分离法时环境友好、占地少、设备小巧、操控简单、能耗低、分离效率高、方便和其他方法集成使用。应用场景一般为天然气的净化、原油采收、太空空间站或者潜艇等极端密闭环境中去除CO₂时使用。

膜分离法是利用各种气体在不同膜材料中渗透速率的差异来实现对CO₂气体的分离，膜的性质以及渗透气体与膜的相互作用有关，渗透速率相对较快的气体 如 H₂、CO₂ 透过膜后富集于膜的渗透侧，而渗透速率相对较慢的气体如 CH₄ 、NH₃ 则富集于膜的滞留侧，从而完美的实现各种混合气体的分离。

 膜的材料的使用是膜分离技术的精髓。膜材料的选择性、渗透性和效果深受 Robeson 上限的影响，优质的膜材料都具有较高的分离性能和较大的气体渗透性能，还要兼顾稳定的化学性、物理性、耐微生物侵蚀性、耐氧化性等特征。根据膜的制作材料的差异，分离膜主要分为混合基质膜，无机膜、有机聚合物膜。有机聚合物膜又分为普通高分子膜、气体渗透膜等。

4 低温精馏法

低温精馏法是在拥有极低温度和极高压的环境下，通过低温、冷凝的工艺分离出CO₂的物理过程。其主要应用场景是在油田伴生气中提纯、分离出CO₂气体，然后将液态的CO₂重新注入油井内，从而实现循环利用。低温精馏法无需利用其他的分离介质，在超低温和超高压的场景下就可以分离得到超高纯度的液化天然气产品（LNG）。使用低温精馏法时需要多塔进行操作，这样极大的增加了设备建设和投资的费用，为了维持极低温的液化、冷凝，导致后期的运营成本和能耗使用也非常高，出于对性价比的综合考虑，低温精馏法通常使用于处理天然气，尤其是对LNG中高含量CO₂的脱除。

5 未来展望

CCUS技术是中国实现碳达峰、碳中和历程中最具成长空间和发展潜力的CO₂减排措施，不仅对中国更是对世界的未来发展起到积极而深远的重要意义。

在当今我国的能源消费结构和比重中，化石能源占比仍然高达83.27%，煤电依然是我国电力供应、电力安全的重要保障部分，这也导致了我国CO₂高排放的问题一直没有得到根本性的解决。即便是在2030年可以实现碳达峰的既定目标，但是仍有约65%以上的能源生产需要依赖化石能源。如果仍然依赖传统路径，已经无法科学、有效地实现温室气体的减排目标，这就必然需要CCUS技术在脱碳过程中发挥更加重要的作用才能得以实现碳减排的目标。因此CCUS技术是中国应对气候变化中不可或缺的技术手段，具有无与伦比的战略发展意义。随着中国各级政府不断地强化对CCUS技术的政策扶持和重视，必将迅速的推进CCUS技术全产业链的形成和规范。

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