淺析二氧化碳捕集儲存技術研究進展

＊劉晴晴 葉佳璐

（山東科技大學 土木工程與建筑學院 山東 266590）

前言

化石燃料燃燒釋放大量的CO2已成為全球的環(huán)境問題，引發(fā)了國內外專家的關注。我國是世界上CO2排放量最多的國家之一，目前我國的能源消費結構以煤炭為主，并輔以石油、天然氣等化石燃料，而碳排放的一個最主要的來源是燃料燃燒后排放的煙氣，國內外的研究也主要集中在燃燒后的捕集儲存。因此，為了有效減少煙氣中CO2氣體的排放，減緩溫室效應的加劇，有必要發(fā)展煙氣CO2的捕集儲存技術，盡早實現(xiàn)成熟的工藝化處理。

1.常規(guī)CO2捕集技術概述

(1)吸收法

吸收法原理是利用吸收劑對含CO2的混合氣體進行洗滌，達到分離并捕集CO2的效果[1]。但吸收法對吸收劑性能的優(yōu)劣有很高的要求，且在過程中往往需要另外加熱，增加了能耗，投資和運行成本較高。

(2)吸附法

吸附法的分離機理是通過選用具有選擇吸附性的多孔介質，例如活性炭、沸石、硅膠、分子篩等，利用這些吸附劑在一定條件下對CO2進行選擇性吸附，再將CO2解析分離。吸附法處理過程無污染且CO2回收率高，但吸附劑再生需要消耗的能耗較高。

(3)低溫分離法

低溫分離是一種基于混合煙氣中的其他組分N2和CO2的沸點存在差異,低溫冷凝使CO2液化,從而將CO2從混合氣體中分離出來的方法[2]。因CO2在常溫常壓下以蒸氣狀態(tài)存在且易于液化，從理論上來說CO2低溫分離過程較為簡單，但隨著分離的進行使得CO2的分壓會逐漸減小，分離也變得越來越困難，造成CO2回收率過低。因此低溫分離法主要適用于對CO2含量大于90%的混合氣體進行提純以及其他工藝的后期處理，對于低CO2濃度的電廠煙氣而言，將CO2分離出來，需要的設備投資大、成本高、工藝復雜，經濟性不高。

(4)金屬氧化物法

金屬氧化物法原理是利用堿性金屬氧化物吸收酸性CO2蒸汽生成碳酸鹽，同時在高溫條件下，進行逆向反應分解碳酸鹽、再生金屬氧化物，得到分離后的CO2氣體的同時還可以去除煙氣中的水分。

(5)膜分離法

膜分離法是基于不同氣體通過膜的滲透速率不同的特點。以不同組分的氣體在膜的兩側所產生的壓差為動力，使?jié)B透速率快的氣體透過滲透膜并在另一側膜處富集，從而實現(xiàn)不同氣體組分的分離。膜分離法設備緊湊，操作簡便，但其對原料氣要求較高，且分離得到的CO2產物純度也不高。

2.各種常規(guī)捕集儲存技術的比較

通過對各種捕集儲存CO2的方法進行分析比較，得出各種方法的優(yōu)缺點進行對比，結果如表1所示。

表1 各種捕集儲存CO2的方法比較表

3.水合物法

(1)各種水合物法捕集技術論述

利用水合物法進行混合氣體分離的原理是二元及多元氣體生成水合物時的相平衡差距較大，故較易形成氣體水合物的氣體進入水合物相中，難形成氣體水合物的氣體則保留在氣相中，從而實現(xiàn)混合氣體分離。因煙氣中的主要組分為CO2和N2，故在利用水合物法捕獲煙氣中CO2時，CO2氣體較N2更容易形成水合物，經水合過程后，N2大部分被保留在氣相中，CO2則富集于水合物相中。分離后得到CO2固態(tài)水合物，在一定的溫度、壓力條件下使其分解可得純度較高的CO2產物，進而達到捕集提純CO2的目的。目前，基于水合物法延展出來的方法有：加TBAB化學促進劑的水合物法、水合物膜法分離、外場作用的水合物法等。

①TBAB/THF水合物法

在氣體水合物動力學研究方向，人們發(fā)現(xiàn)，添加動力學促進劑TBAB、THF等可顯著降低氣體水合物的生成壓力，改變CO2水合物形成相平衡條件，并提高水合速率，節(jié)省能耗。

Duc[3]在研究鋼鐵工業(yè)排放氣中CO2分離實驗時，發(fā)現(xiàn)添加TBAB作為促進劑可以有效降低將CO2從CO2-N2體系中分離的生成條件。李小森等[4]發(fā)現(xiàn)在273.15K下，利用TBAB可將CO2體積分數為17%的CO2/N2形成氣體水合物的相平衡壓力降至0.6MPa以下。

②水合物膜法

利用水合物膜法進行混合氣體分離的原理是：氣體水合物的生成需要在特定的溫度與壓力條件進行，在同樣溫度下生成水合物時，CO2水合物的生成壓力較N2水合物低，因此通過控制膜結構和操作條件，可使CO2氣體先與膜孔內表面吸附的水分子形成水合物而N2不能形成水合物。CO2水合物生成后因膜滲透側壓力低，在壓差的推動下，CO2水合物移動到滲透側并在滲透測分解釋放出CO2，而N2則留在原料側，從而達到分離的目的[5]。

③外場作用的水合物法

孫始財[6]等在實驗室搭建了一套高壓條件下超聲波作用于天然氣水合物反應的裝置系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在氣體水合物反應體系中引入超聲波作用后，其生成特征參數溫度、壓力、流量與時間的關系與靜態(tài)反應時不同。研究發(fā)現(xiàn)，將磁場和超聲波作用等外場作用引入水合物反應時，可減少水合物的結晶引導時間，降低反應所需過冷度，提高水合率。

(2)各種水合物法的比較

對各種水合物法進行分析，得出優(yōu)缺點比較如表2所示：

表2 各種水合物法優(yōu)缺點的比較

由表2可以看出，水合物法作為一種新興技術，目前正在被越來越多的研究者所重視，縱然當前各種水合物法捕集技術還存在著許多問題，但它同樣擁有實際操作過程簡單，綠色環(huán)保等優(yōu)勢，應用前景廣闊，繼續(xù)尋找合適的方法，必將能早日實現(xiàn)CO2捕集儲存的工業(yè)化生產。

4.結論與展望

目前，碳排放超標是全球共同面臨的一大問題，因CO2的過度排放造成的溫室效應已連帶起其他環(huán)境問題的共同出現(xiàn)，嚴重影響人們日常的生產生活?？v然目前有多種前景廣闊的捕集方法，但尋找節(jié)能高效、可實現(xiàn)工業(yè)化捕集儲存CO2的技術成為科技工作者的一個重要研究方向。

水合物法捕集CO2作為一種在水合物基礎物性研究下發(fā)展出來的一個方向，應用優(yōu)勢明顯。若能尋找到一種可以使CO2水合物的生成壓力不太高、溫度不太低的方法，則必將能實現(xiàn)高效節(jié)能捕集CO2，具有廣闊的應用前景。