二氧化碳捕集、利用与封存技术.docx

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1、一、引言在工业化和城市化进程中，将温室气体排入大气已经导致全球变暖、造成气候变化。二氧化碳（CO2）是温室气体的主要来源，2018年，全球C02排放量达到33.1Gt,大约占温室气体排放量的67%。因此，大气中CCh的浓度显著增加（大约为百万分之412）。二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）是潜在的颠覆性技术，有助于应对气候变化挑战。CCUS用于捕集发电厂、工业厂房等排放源以及大气中的CO2。捕集的C02可用作原料，或者注入地表深处，被永久地安全封存。CCUS（使用生物质时，也称为生物质能碳捕集、利用与封存）是一种能大规模实现净零排放的技术，可用于现有的燃煤和燃气发电厂，有助于在发电时降低碳排

2、放量。除了为供电行业做出贡献之外，对于在生产过程中会产生C02的钢铁、水泥、玻璃、陶瓷、化学品制造等工业，要实现深脱碳，CCUS可能是唯一具有可扩展性和成本效益的选择。政府间气候变化专门委员会（IPCC）和国际能源署（IEA）开展的分析表明，CCUS是实现2050年净零（NetZerO）目标的关键；如巴黎协定所述，CCUS有助于减少1/6的全球COz排放量，能将全球气温升幅控制在1.5以内。如果不能成功应用CCUS,应对气候挑战则会耗费更多财力。例如，在不应用CCUS的情况下，中国实现长期气候变化缓解目标需要多花费25%的费用。第2章着重讨论碳捕集的化学吸收，并对此展开了详细讨论。第3章的主题

3、是电催化还原C02,因为该方法在CO2利用方面颇具潜力。最后，第4章着重论述基本的C02圈闭机制，该机制对于C02封存具有重要意义。二、碳捕集在发电、工业生产以及能源转换过程中均会排放CO碳捕集技术分为三个途径：燃烧后捕集、氧燃料燃烧捕集以及燃烧前捕集。捕集技术中采用了多种物理和化学工艺，包括溶剂型吸收、吸附/吸收用固体吸附剂、薄膜、低温以及用于分离COz的化学循环。目前，化学吸收是商业上使用最广的技术(如加拿大每年100万吨CO2(tJ边界大坝CO2捕集厂项目和美国每年140万tco,佩特拉诺瓦(PetraNova)碳捕集与封存(CCS)项目)。全球碳捕集项目的现行成本是60-110SD,预

4、计到2030年会降至3050SDt这有助于在商业规模上加强技术推广。鉴于燃烧后化学吸收对现有设施的改动最小，所以未来上市的潜力最大。化学吸收涉及使用化学溶剂吸收co2的各种物理和化学捕集工艺。目前.，捕集技术的采用主要受溶剂再生能耗高、毒性大、易挥发、成本高等因素的限制。当前.，边界大坝和佩特拉诺瓦项目捕集CO?消耗的能源是0.250.3MWhtCOu导致能效损失。据估计，C0,捕集率为90%时，发电厂(如煤粉超临界发电厂)的净发电效率将从41%45%降至30%35%,预计商业应用中的能耗会减少30%40%.为了提高捕集效率和经济竞争力，开发性能高且能有效改良工艺配置的新型溶剂才是具有吸引力的

5、研究领域。理想的COz溶剂是化学吸收过程的核心，应具有吸收率高、吸收能力大、再生能量需求低等特点。还需要具备安全、稳定、环境友好、设备腐蚀性低和经济合理性等特点。图1和表1总结了不同类型的COz捕集溶剂。单胺、胺混合物、相溶剂、贫水溶剂等胺系吸收剂用于实现更好的效率。相溶剂的理念是将一种单相的吸收体系注入吸收器，然后转化成不相混的富COz和贫COz相。贫水溶剂是有机稀释剂和胺的混合物。这些溶剂能增强传质特性，提升吸收能力，还能减少热量的产生。为了有效改良工艺配置，吸收过程中可采用中间冷却、富溶剂回收、贫溶剂分离等潜在的改进方法，而解吸过程可采用中间加热、富溶剂分离、闪蒸剥离等方法。这些方法是降

6、低生产费用的关键基础。Amino acid saltBiphasic solventsjtbents fo图LC0,吸收用化学溶剂以及相关吸收能力和吸收速率（表D。表1co,吸收用化学溶剂的吸收能力和吸收速率AbsorbentsExperimentalJppdrJtusAbsocpcivecaty(molCOiKSOlVCflC),)ReactionCondinonSAbsocpoonrate(InoICO)MmOlsolute)1min,)ReferencesSingleamineRJpidscreening037-2IT4Q-80-C0.006-0.037B-15AnUMblendsapp

7、aratusBubblingrector1.35-1.77 cdj1X-9-5kPa -400.015-0.017l617)BiphawsolventsBubblingreMor1.25-2.15 %12kPj 15%-25%MEA 5X-I51MDEAAN(P.DCTAAttA)-40,C0.005-0.026118-20Water-IeAnWettcd-WJlIcolumn0.66L05Qco,-2Lmin,T2S-40-C0.7-001121-23solventsAmmoniasolutionStimdUnkjppjrj(u0.30-0.85,-(15105)kPa7-20-60-C0.

8、004-0.01124-27GirbonatesolutionBubblingretor0.27-0.30PeJ0-3OkPar25c0.0Olg(M4829IonicliquidBubblingreMor0.30-1.15%15kPa-22-400.012-0.037130.31JAmoacidsaleBubblingreMtor0.20-0.32 P-1bur(1barIO5PJ)mu-IOg 60mLmin, -40,C0.024-0.(M332-MMiCfoenCPMUHOnPressuredrop0.55-1.78 Unrar.Stehcallyhinderedaminoacids:

9、1molI, T-25-60iCI35-37INAnofIuidsJPlzratmRubblingreMor0.58-0.95 NDHX)3O9,NDlLO230 T-401C0.004-0.013|7.l0.05WIX-OllWtxTKi.AXStO2T:temperature;P:pressure;Q:flowrate;MDEA:-methyldiethanolamine;AMP:2-amino-2-methyl-l-propanol;DETA:diethylenetriamine;AEEA:N-(2-hydroxyethyl)ethylenediamine;ILs:ionicliquid

10、s;NDIL0309andNDIL0230:typesofmicro-encapsulatedCO2sorbents.除点源碳捕集之外，直接空气碳捕集（DAC）是直接从大气中提取低浓度的CO2O然而，直接空气碳捕集技术尚不完善，从中捕集C02的成本也比从高浓度C02排放源中捕集高。目前，根据选择的技术，试点规模内的直接空气碳捕集成本为94232USDtC02-预计到2040年的总成本大约会降至60USDtCO2L这将会加快该技术在商业上的可行性。三、碳利用关于CO2利用，建议通过有利地重复使用捕集的CO?来提升CCUS技术的经济竞争力。一般而言，C02利用包括将COz直接用作干冰、灭火器、制冷

11、剂，以及用于食品行业；其他方法包括通过不同的化学工艺（如通过化学方法转换成燃料和化学品、矿化）和生物工艺（如微藻培养）将CCX转换成高价值产品。使用C02合成燃料的规模为每年l0-4.2GtCO2O表2总结了典型化学品的市场情况以及CO2衍生技术的成熟度。电化学还原CO?是将CO,与可再生能源的燃料过程相结合的有效方法。表2典型化学品的市场情况以及co,衍生技术的开发水平ProductsMarketsize(MtaT)Marketprice(USDt1)LevelofdevelopmentUrea180300-450CommercializationMethanol65380-500Comme

12、rcializationPolyurethane181800-2250CommercializationPolycarbonates52900-4000CommercializationCalciumcarbonate11550-380PilotanddemonstrationEthanol80450-580PilotanddemonstrationSodiumcarbonate6250-390PilotanddemonstrationFormicacid3690-1000PilotanddemonstrationMagnesiumcarbonate-21450-850LabresearchA

13、ceticacid16450-750LabresearchAcrylicacid61700-3000Labresearch近年来，受再生电的影响，电催化还原C02合成燃料和化学品引起了广泛的关注（图2）o经证实，通过精心设计和筛选电催化剂可将C02转换成双电子还原产物（即一氧化碳和甲酸盐），法拉第效率（FE）高于95%o此外，采用铜基电催化剂才可获得分离性适中的深度还原产物（电子转移数大于2）,但是该体系的稳定性仍需进一步改进。近来，采用气体扩散电极结构实现了在高电流密度（100mAcm-2）下进行电催化还原CO2操作，这标志着在COz电解槽方面取得显著进步。而且，碳-杂原子（如氮）键的形成与

14、电催化还原C02结合是在温和条件下制备增值化学品的有效途径。随着理论化学和数据科学的快速发展，理论和数据辅助催化剂设计能明显加快高性能C02还原电催化剂的探索进程。此外,在使用产品后，C02通常会排向大气中。因此,直接空气碳捕集在进一步降低空气中C02的浓度方面发挥着至关重要的作用。Currentsoufces PotrochemQl steam Cfadung Electrochemislfy EOUOoeVCunentsources Coal gasification Steam reforming Electrocbomistry G ,-0 .10 VCurrent sources N

15、atural gas Electrochemistry F - 0.17 VCurrent sources Syngasconverwoa Electrochemistry eo0.03vElectrochemistry CnoHPNo.09 VCurrent sources Metyl fbrmale/ UXmamkto hydrolysisEiectrochemistfy HCOOH P) = -0.12 VRal47) - Cart)On moxleRef 482019 - Formate - Methand Methane - Etyno Ethanol-R3 1 Ref. 1641Ref. 46 fR对翼番