化石燃料在燃烧过程中排出大量的温室气体二氧化碳,给地球的生态环境和人类的生存条件带来严重的威胁,引起了国际社会的关注。
CO2捕获和封存技术(CCS)是一种能够在短期内稳定或者降低大气中温室气体浓度的技术方案。世界上正在运行的较有代表性的CCS项目包括挪威国家石油公司在北海的Sleipne项目、阿尔及利亚的InSalah项目和加拿大Weyburn项目。与国际较为先进的CO2捕集技术相比,中国碳捕集的技术还处于起步阶段。目前主要有三种方法捕集电厂化石燃料燃烧过程中产生的CO2气体。
1.燃烧前CO2捕获系统:将CO2从化石燃料经过气化和蒸汽重整后产生的合成气中分离出来,主要用于采用煤气化联合循环发电技术(IGCC)的电厂。该系统的优点是合成气中CO2的分压较高,可以采取物理吸收等捕获技术来降低减排能耗；其缺点是燃料的初步转化步骤较复杂,与燃烧后捕获系统相比发电设备的总成本比较高。
2.富氧燃烧CO2系统:一次燃料在燃烧时使用的是纯氧而非空气,因此燃烧后得到的是CO2和H2O的混合蒸汽,将水蒸气冷却之后便可得到高浓度的CO2。该系统的优点是通过冷却和清除水蒸气便可得到高浓度的CO2,捕获成本非常低；其缺点是制备燃烧所用的高纯度氧气的能耗很高,该技术尚不成熟,处理的气体量相对较少。
3.燃烧后捕获系统:将CO2从一次燃料在空气中燃烧后产生的烟道气中分离出来,主要用于燃烧锅炉和汽轮机发电等场合。电厂烟道气中的CO2的浓度和分压较低,CO2的捕获费用相对来说偏高。但该捕获系统可以对既有电厂进行机组改装后安装CO2捕获设备,不需要对现有的燃煤电厂进行过多的结构改造,因此有较为广泛的适应性和较大的市场潜力。目前,烟道气中CO2燃烧后捕获的方法很多,主要有物理化学溶剂吸收法、固体吸附法、低温蒸馏法、膜分离法以及方法之间的耦合等。其中,化学吸收法已经在天然气处理、氢气和氨气生产等工业领域使用很多年,工艺流程比较成熟,但是填料塔等传统的化学吸收装置在操作时存在气液两相无法单独控制,在操作过程中容易出现液泛、沟流、雾沫夹带等工程技术问题。固体吸附法是利用吸附剂对原料混合气中CO2的选择性不同,通过吸附-解吸可逆作用来分离CO2,操作简单,容易实现自动化,但现有的大多数固体吸附剂的吸附容量和对CO2的吸附选择性比较差,所以不适用于处理大规模燃煤电厂的烟道气脱碳。低温蒸馏法是通过低温冷凝的方法将CO2从烟道气中分离出来,该分离方法虽然能分离出高浓度的CO2,但能耗较高,一般只适用于处理含有高浓度CO2的烟道气。传统的膜分离法是利用某些聚合材料如醋酸纤维、聚酰亚胺、聚砜(pS)等制成的薄膜对不同气体的渗透率的不同来分离气体的过程,近年来发展非常迅速,目前的主要研究难点是在保证膜材料在有较高CO2渗透性的前提下,能够同时保证膜材料有较高的CO2选择性。基于上述各种方法都有独特的优点和缺点,将上述两种或者多种分离方法结合起来,发展成为新一代的集成分离技术,可以发挥各种分离方法的技术优势,提高分离过程的效率并降低CO2减排的能耗和成本。
