二氧化碳的捕集、封存與綜合利用
二氧化碳的捕集、封存與綜合利用
前言
近年來，溫室效應加劇問題使環境與經濟可持續發展面臨嚴峻的挑戰。因此，引起溫室效應和全球氣候變化的二氧化碳的減排技術成為各國關注的焦點，如何從源頭減少二氧化碳排放和降低大氣中二氧化碳的含量成為挑戰人類智慧的難題。中國作為一個發展中國家，主要以煤炭的消費為主，主要的CO2排放源為燃煤的發電廠。從總量上看，目前我國的二氧化碳排放量已位居世界第二，預計到2025年，我國的CO2總排放量很可能超過美國，位居世界第一。因此，我國急需對所排放的二氧化碳進行捕獲研究，以緩解我國的空氣污染壓力。目前CO2的應用領域得到了廣泛開拓，除了眾所周知的碳酸飲料、消防滅火外，工業、農業、國防、醫療等部門都在使用CO2。科學研究己經證明，CO2具有較高的民用和工業價值:以CO2為原料可合成基本化工原料；以CO2為溶劑進行超臨界萃取；還可應用于食物工程、激光技
術、核工業等尖端高科技領域；近年來開發出的新用途如棚菜氣肥、保鮮、生產可降解塑料等也展現出良好發展前景。[1]
1.CO2捕集系統
CO2捕獲技術發展的方向是降低技術的投資費用和運行能耗。依據捕獲系統的技術基礎和適用性，通常將火電廠CO2的捕集系統分為以下4種：燃燒后脫碳、燃燒前脫碳、富氧燃燒技術以及化學鏈燃燒技術。
1.1 燃燒后脫碳
燃燒后脫碳是指采用適當的方法在燃燒設備后，如電廠的鍋爐或者燃氣輪機，從排放的煙氣中脫除CO2的過程。
在燃燒后捕集技術中，由于煙氣中CO2分壓通常小于0. 15個大氣壓，因此需要與CO2結合力較強的化學吸收劑分離捕集CO2，用于CO2捕集的化學吸收劑主要是能與CO2反應生成水溶性復合物的有機醇胺類。目前在CO2捕集方面研究和采用較多是醇胺法(MEA法)。[2]
燃燒后捕集技術是一種成熟的技術，這種技術的主要優點是適用范圍廣，系統原理簡單，對現有電站繼承性好。但捕集系統因煙氣體積流量大、CO2的分壓小，脫碳過程的能耗較大，設備的投資和運行成本較高，而造成CO2的捕集成本較高。
1.2 燃燒前脫碳
燃燒前脫碳就是在碳基原料燃燒前，采用合適的方法將化學能從碳中轉移出來，然后將碳與攜帶能量的其他物質分離，從而達到脫碳的目的。燃燒前分離捕集CO2實質上是H2和CO2的分離，由于合成氣的壓力一般在2. 7MPa以上(取決于氣化工藝)，CO2的分壓遠高于化石燃料在空氣燃燒后煙氣中的CO2分壓。典型的燃燒前CO2捕集流程分三步實施:
(1)合成氣的制取：將煤炭、石油焦、天然氣等燃料與水蒸氣、氧氣進行不完全的燃燒反應，生成CO和H2的合成氣。
(2)水煤氣變換：將合成氣的CO進一步與水蒸氣發生CO變換反應，生成CO2和H2。
(3)H2/CO2分離：將不含能量的CO2同能量載體H2分離，為后續的氫能量利用和CO2封存等作準備。[3]
燃燒前捕集技術的成本比燃燒后捕集技術的成本低，具有較大的發展潛力。
1.3 富氧燃燒
該技術是利用空分系統獲得富氧或純氧，然后將燃料與氧氣一同輸送到專門的純氧燃燒爐進行燃燒，生成煙氣的主要成分是CO2和水蒸氣。一般需要對燃燒后的煙氣進行重新回注燃燒爐，這一方面降低燃燒溫度；另一方而也進一步提高了CO2的體積分數。由于煙氣中CO2的體積分數高，可顯著降低CO2捕獲的能耗，但必須采用專門的純氧燃燒技術，需要專門材料的純氧燃燒設備以及空分系統，這將大幅度提高系統的投資成本，目前大型的純氧燃燒技術仍處于研究階段。
1.4 化學鏈燃燒
化學鏈燃燒技術的能量釋放機理是通過燃料與空氣不直接接觸的無火焰化學反應，打破了自古以來的火焰燃燒概念。這種新的能量釋放方法是新一代的能源環境動力系統，它開拓了根除燃料型、熱力型NOx產生與回收CO2的新途徑。
化學鏈燃燒技術是與空氣不直接接觸的情況下，燃料與金屬氧化物反應，CO2產生在專門
的反應器中，從而避免了空氣對CO2的稀釋。金屬氧化物與燃料進行隔絕空氣的反應，產生熱能、金屬單質以及CO2和水，金屬單質再輸送到空氣反應器中與氧氣進行反應，再生為金屬氧化物。反應生成的CO2和水處于反應器中，所以CO2的捕獲非常容易。[4]該法的經濟性要依靠大量可以無數次循環再生的有活性的載氧體，控制載氧體的磨損和惰性是該技術的關鍵。由于其經濟性好，作為煙氣中捕集分離CO2的方法前景看好。
