燃烧后CO2气体捕集技术研究

周 媛，薛建明

(1.武汉大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072;2.国电科学技术研究院，江苏 南京 210031)

1 概况

1.1 背景介绍

从燃煤电厂排出的烟气治理技术，简单来说可以分为三类，即燃烧前处理、富氧燃烧以及燃烧后处理。燃烧后处理烟气的时机是在其排向大气之前。所以这时烟气的气压、温度、水蒸汽的饱和度都接近大气。燃烧后处理技术的困难之处在于，排出烟气的气压等于大气压以及其中含有CO2的压力(较低大约0.1 Pa)。因此，烟气捕集系统设备的体积是相当庞大［1］。另外，排出的烟气中除了CO2还含有少量的氧气、酸性气体(主要是SO2和NOx)和未燃烧完的颗粒，这些也都是需要处理的问题。大部分的CO2吸附脱除方法都是利用了CO2以下这些物理或化学特点来实现的［1］:CO2是一种弱酸性的气体，可被碱性溶液稳定的吸附;CO2可被吸附到介空结构或物理原理的吸附剂中;CO2可以通过薄膜被分离;CO2可以与简单的植物反应把自己也某种新的生物的形式锁定;CO2可以被一种叫做霜降的冷冻形式分离出来。

1.2 二氧化碳捕集技术的发展趋势

目前CO2捕集技术主要朝两个方向发展:一是提高传统胺吸附效率，寻找改进的方法;二是发展选择性捕获气体技术。胺吸附技术预期短期内吸附提高到20%～30%，中期达到40%～50% 的吸附率［2］。近期的研究重点主要是从催化剂促进试剂的改进、吸收体的设计以及更好的脱附条件这几方面入手。选择性捕获气体技术是一种全新的技术。目前，这方面技术主要有:金属有机框架吸附、生物固定及用薄膜促进分离技术。

1.2.1 改善反应试剂［2］

目前的研究目的都是提高溶剂的效果和减少其反应所需要的能量。数以千计的各种化学或者物理原理吸附的吸附剂已经在全世界各个实验室被以不同浓度，加或者不加促进剂，抗化剂等做了各种对比试验。

1.2.2 提高反应效率［3］

正如前面提到的，排出的烟气气压约等于大气压，其密度较小，而且其中CO2的密度也较低，这样就会要求燃烧后捕捉技术系统就较大的尺寸，以提供给烟气和吸附剂足够反应的时间以及和吸附薄膜接触的时间。这是限制转换速率的主要原因。

目前CO2的捕捉技术主要有吸收、吸附、膜分离、霜冻分离、生物捕捉五个大的方向。下面将对这五个方向的技术做一些阐述［4］。

2 吸收

用吸收(Absorption)方法捕捉CO2的技术主要有胺、碱性金属的氢氧化物或硕酸物、煅烧反应、氨基酸盐四种途径。其中，胺反应是最成熟的方法，CO2脱除效率高，溶剂便宜，缺点是会发生腐蚀，胺的效率会退化。生成碳酸盐是较经济的方法，耐氧，溶液不会发生降解;吸收效率高(大于90%);反应速率较慢，但是只有在高温500 ℃时才能发生反应。这四种途径包括胺的各种替代物如氨基酸盐离子液。吸收溶液一般是液态，不过也可使用其干态发生反应，如小尺寸颗粒的吸收物与CO2在流化床发生煅烧反应［5－7］。

3 吸附

吸附(Adsorption)是指固体、薄膜或者液体维持一种气体或者液体在其表面的能力。一般来说，目标气体不会与吸附物发生反应［8－12］。

活性炭是最常见的吸附剂，基于其吸附原理，其空隙的大小可以根据被吸附物的大小调整，以及其表面积可以在400～1500 m2/g 之间的范围内变化［13－17］。其他自然矿石，如沸石及MFOS 其他人工合成的吸附剂也有可能有更高的表面积和吸附能力。有一些吸附剂都具有热活性，会受温度的影响发生吸附或解吸附反应。这些吸附剂其实更具有吸引力，因为他们比其他吸附剂需要较少的能量。以下是一些吸附剂的吸附、解吸附过程［18－19］:

(1)变压吸附(PSA)。CO2在高温下被吸附，降低压力或者放入局部真空罐，释放吸附的CO2，还原吸附剂。

(2)变温吸附(TSA)。CO2在较低温下被吸附。之后升温，释放CO2还原吸附剂。

(3)变温变压吸附(PTSA)。在高压下加载吸附剂，之后降低压力，加热释放吸附的CO2。

(4)变电吸附(ESA)。CO2被吸附到一种由导电炭做成的特殊装置中，吸附完成后，电极加载到导电炭上，其获得能量，释放吸收的CO2。

吸附技术的发展发向。使其相对于其他捕捉技术更加经济可行。通过对沸石和MOFS 的改进有可能实现在变压或变温系统下，对CO2的经济可行的吸附［20－22］。

4 膜分离技术

薄膜是薄的半透过屏障，可以选择性的从化合物中分离出一些需要的物质。捕捉从烟气中分离出CO2的薄膜主要有两种类型:分子筛薄膜和溶解－扩散薄膜。

分子筛薄膜的特点是纳米尺寸的孔径，可以让CO2气体通过，而阻止其他气体的通过。这种薄膜通常是在有压力控制的环境下使用。在通入气体的一面施加较大的压力而透过的一面具有较小的压力。决定分子筛薄膜好坏的因素有选择性和透过性。现在这种薄膜针对CO2捕捉技术的发展方向是制作可以在火力电厂的烟气环境温度中工作的薄膜，以及通过改性控制薄膜对气体的选择性。

溶解－扩散薄膜更多的是起到类似于催化剂的作用，支持促进溶液与CO2发生反应。它扮演改善CO2的物质转移以及防止由于蒸发而造成溶剂的流失的作用。这种薄膜并不直接分离和捕捉气体，而是使溶剂反应更加高效。溶解－扩散薄膜有三种类型［23］:薄膜开关、支持溶液薄膜(SLM/LM)和控制液体薄膜(CLM)。

5 结霜分离技术

低温分离技术用在工业中分离与提纯化学物质。它依据不同的化学物质和气体在不同的温度结霜。通过降低和小心的控制气体的温度，并且有一个合适的平面让气体在上面结霜。结霜分离技术可以实现让特定的气体从混合气体中分离出来。这项技术在技术是很可行的，但是它的困难之处在于大规模的设备和冷却成本较高。要把CO2从烟气中分离出来，要求把大量大体积的烟气冷却需要很多的能量。目前有人针对这个做了很多研究，设计并模拟了一个控制系统，需要经过多个步骤逐渐冷却烟气，直到CO2冷冻，把CO2分离出来，之后在将其融化，并且收集这个过程释放的能量，再用于前几步的冷却，来达到节约能量，降低成本的效果［24］。

6 生物捕捉技术

生物捕捉CO2的过程是利用植物的光合作用，捕捉CO2与其反应并锁定CO2［25－28］。但是，对大多数植物来说，光合作用是一个低效的缓慢的化学反应。越简单越低级的植物光合作用的效率越高。因此效率最高的植物就是单细胞植物，单细胞水藻。单细胞植物不需要能量去生长枝干，开花，结果或者其他，只需要不断的呼吸，不断的与CO2发生反应，从而捕集CO2。

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