燃烧后二氧化碳捕集技术与应用进展.docx

目前，中国正面临着巨大的碳减排压力。2020年，中国提出了双碳战略目标，各项碳减排工作正在抓紧落实。据统计，全国已投运或建设中的CCUS（二氧化碳的捕集、利用与封存）示范项目约40个，捕集能力约300万t/a。为进一步加快实现碳减排的重大战略目标，亟需开发积极可行的碳捕集技术。此外，CO2也是一种重要的碳资源，可用于制造燃料、碳酸盐、肥料、制冷剂等化学品，或在油田开采中辅助驱油。若将CO2气体高效捕集并加以合理利用，不仅可有效降低温室气体排放压力，也将产生巨大的经济效益。当前，燃烧后CO2捕集是工业规模上应用最广泛的碳捕集方法，其具有再生能耗低、易于在现有工厂中改造实施等特点，在实现高效捕集CO?的过程中具有广阔的应用前景。目前主要的燃烧后CO2捕集技术有吸收分离法、吸附分离法、膜分离法和低温分离法。基于此，本文主要针对以上几种碳捕集技术的现状与应用研究进展进行了总结与对比，分析了技术优势与缺点，提出了适用分离场景的建议。此外，还简要概括了国内外的重点碳捕集项目，介绍了混合捕集技术的研究成果，旨在为高效节能的碳捕集技术开发提供一定的参考。摘要：二氧化碳是主要的温室气体之一，其大量排放已对全球的气候环境造成严重影响，迫切需要开发经济有效的二氧化碳捕集（简称碳捕集）技术。目前，碳捕集技术主要有吸收分离法、吸附分离法、膜分离法和低温分离法。首先，介绍了碳捕集技术的发展现状、应用研究进展和未来发展趋势；总结了国内外碳捕集示范项目；重点对比了各碳捕集技术的优势与缺点，同时强调了碳捕集技术面临的困难与挑战；指出目前主要的碳捕集技术均难以独立实现高效、节能、经济的碳捕集分离，需针对不同的应用场景，选择适合的分离技术，并提出了适用于分离场景的应用建议；最后简要介绍了混合捕集技术的研究成果，提出混合捕集技术可能是一种突破单一捕集技术瓶颈的可行方法。结束语与展望近年来，燃烧后捕集二氧化碳被认为是减少温室气体排放的有效方法之一。目前，燃烧后碳捕集技术主要包括吸收分离法、吸附分离法、膜分离法和低温分离法。经过对比分析，最成熟的碳捕集技术是化学吸收法，该技术已实现商业化工业应用；吸附分离法和膜分离法均具有较大的节能潜力和应用前景，但目前仍处于中试和示范研究阶段，与工业应用存在一定差距；低温分离法虽具有C02回收和纯度方面的优势，但其分离过程在低温高压下进行，能耗和成本相对较高,更适用于高浓度C02的分离。通过归纳发现，不同的碳捕集技术各自存在优缺点，尚未有任何一种碳捕集方法可以独立、高效、经济且节能地进行碳捕集。当前的应用重点是在评估技术可靠性、经济性等关键指标后，根据技术特点选择相对合适的捕集方法。未来,关于高效节能碳捕集技术的开发，可重点攻关当前各技术存在的问题与挑战；还可结合各技术优势开发混合捕集技术，进一步推动碳捕集技术的规模化发展。最后，中国近年来在碳捕集领域做出了积极贡献。尽管与国外发达国家相比起步较晚，但也取得了发展与进步。然而，相比国际先进水平，中国整体的碳捕集技术还存在一定差距，如化学吸收法虽开展了大量的工业示范，但还缺少商业化应用和大型百万吨级工业示范的经验；吸附分离法和膜分离法主要处于实验室及小试研发阶段，中试经验不足；低温分离法及混合捕集技术的相关研究较少。未来，中国碳捕集技术应加快核心技术研发，提高技术成熟度，提升中国碳捕集技术核心竞争力。此外，加快启动中试及示范项目建设，进一步降低建设成本和运行成本，推动碳捕集技术的商业化发展。图文导读图1燃烧后Cc)2捕集技术Fig.1Post-combustioncarbondioxidecapturetechnology表1部分商业吸收工艺的再生能耗对比Table1Comparisonofregenerationenergyconsumptionofsomecommercialabsorptionprocesses吸收工艺再生能耗/(GJtCO2)参考文献EFG+KM-CDRCansolv3.13.02.3192021低温区（<200 oc）中温区（20OyOO七）氧化镁基吸附剂类水滑石基吸附剂表2国内外典型吸收法实验装置Table2Typicalabsorptiontestdevicesathomeandabroad试点T厂地点溶剂或处理能力/运行时参考TZ（tCO2d）间/年文献边界大坝电站加拿大MEA4200022Targon发电厂澳大利亚MEA2200823LoyYang发电厂澳大利亚MEA1200824华能北京热电厂中国MEA8200825Aberthaw煤电站英国Cansolv50201326三菱广岛研发中心日本KS-I1200427松岛热电厂日本KS-I10200627石洞口电厂中国混合胺300201128胜利电厂中国混合胺100201229Wilhelmshaven电站德国EFG÷70201230固体胺基吸附剂分子筛吸附剂碳基吸附剂-碱金属某吸附剂MoF基吸附剂聚合物基吸附剂离子液体基吸附剂多孔族某吸附剂2000C400T图2固体吸附剂的吸附温度Fig.2Adsorptiontemperatureofsolidadsorbents衣3：辄化碳吸附剂性能时比Table3Performancecomparisonofcarbondioxideadsorbents吸附剂(IUlUolg)吸附溶试条件卷与文献SBAI53.27CO：吸附剂性储采用fCO“|吸附仪I测试OloOkPa条件E25-100芒的吸阳等温曲线；CCh穿透吸附性能果Jfl空气气仪.任固定床反应器I-.25P卜测定IMViO-663.37川协七体积气体吸附仪在0-120kPa条件卜测试财COa的吸IB性能.祥品第试t0.l-02mg.吸IWiU度为25T,解吸汹度为120T35JKMJ力能化MOF1774.60宋川纯Co“E热小分析仪清W：吸附摘<10mg>25-65t的CO：吸附性能36L.SiO.球形惮Q7.00采用体枳分数15%CO2和85%Nlffi合气.在热格分析仪卜月试550-650T卜MCo:的吸附性能第吸某件为700cVfUHiNiiftiJHFSrwt(371纳米那外7.48聚川COj和N1枇合气.作维鸿吸附HI溶试20100卜吸附剂（0.5g）<JCO-WWMntij38碳纳米片（3DPGCNs）2.66果用纯Cot气体（流速25IiiLiuiD）在同4热分析仪I泅试财CO:的吸附性俺.吸的温战为7SC.乐力为101.3kPa39化碳(S-MCM-41)2.26采川变生吸IW4.住Rubothenn吸附分析仪簿定"COl的吸附件傕40MgO总吸附剂3.34采川纯Co/（体在化学吸附仪E苜试怦Q（50100ug>4CO?的吸附性能.吸IW汹战为120C41表4常见聚合物膜的渗透性与选择性”6Table4Permeabilityandselectivityofcommonpolymermembranes”I类别CO2渗透性baCo2仅2选择性聚丙烯酸酯膜58510-30聚碳酸酯膜5IlO1526聚酰亚胺膜5-450555聚碉膜51101033混合基质膜聚合物基体嵌入聚合物基体中的无机颗粒图3混合基质膜结构示意图38】Fig.3Schematicdiagramofmixedmatrixmembrane4s我5腴分离技术对比Table5Comparisonofmembraneseparationtechnologies段种类优势缺点聚合物膜易制造.低生产成本,良好的机械稳定性.易实现规模热稳定性和化学稳定性的卜降.易切化.孔衿不可控.扩大渗透性和选择性相女制约无机膜更窝的化学、热和机的稳定性,孔桧可调.使用高命长成木高.加.性能差.她以犷大规模混合基质媵较高的机械和热稳定性,减少麴化,能耗较低良好的聚合物加质）炉料之间的界Ifll根容性数.填料成本较分网性能高.难以规模化生产表6典型碳捕集膜的性能对比BlTable6Performancecomparisonoftypicalcarboncapturemembranes"勺膜材料国家机构温度/CO2渗透率/GPUCO2ZN2选择性FSCflg挪威NTNU457423080-300PolyActive®德国HZG20106243Polaris*美国MTR30100050FSC膜中国天津大学25101396表7国外大型燃烧后碳捕集项目162】Table7Larsescalepost-combustioncarboncaptureprojectsabroad1621项目国家吸收能力A万t/a）运行时间/年份BoundaiyDam加拿大1002014PetraNova美国1402016德州清洁能源项目美国2202019BovvCity加拿大1002019CGEN英国2502019Korea-CCS1韩国1002018美国SRI公司项目美国挪威102019表8国内部分燃烧后碳捕集示范项目回】Table8Somedomesticpost-combustioncarboncapturedemonstrationprojects163工程名称捕集规模/（万t/a）国华锦界电厂碳捕集示范项H15.0华能集团高碑店电厂碳捕集示范项目0.3华能集团上海石洞口碳捕集示范项目12.0齐鲁石化胜利油田CCUS项目100国家能源集团泰州发电有限公司CCUS项目50中电投重庆双槐电厂碳捕集示范项目1.0华润集团海丰电厂碳捕集测试平台项目2.0表9燃烧后二粒化碳捕获技术总结Table9SlInImaryofpost-conbutioncarbondioxidecapturetechnologies二氧化碳捕伏技术化学吸收法技术特点面临挑故发展趋势吸附分离法膜分离法低温分离法液胺吸收法是第一个在世界范围内多个工业过程中大规模应用的燃烧后碳捕集技术.IuiR好的反应性加和较高的吸收能力具有可逆性、再生能耗较低,适用于低浓度二氧化碳捕兼具的不同类?3的吸附技术.如变压吸附（PSA）.变温吸附（TSA）,在空吸附（VSA）和压力变R空吸附（PVSA）等展技术安装简单、设备成本低.能艳低.分离纯度较高：但淳透性和选择性之间的Ifl互制约阻碎了膜技术的大规模应用主要用于高浓度却高压气体的碳捕集由于成本支出和能耗较高.只有在高二敏化碳含fit时,该方法才具有较高的经济可行性设备腐蚀率高.高徒耗.吸收器体帜较大.烟气中的SO,和O?导致溶剂降