二氧化碳的捕集、封存与综合利用
二氧化碳的捕集、封存与综合利用
前言
近年来，温室效应加剧问题使环境与经济可持续发展面临严峻的挑战。因此，引起温室效应和全球气候变化的二氧化碳的减排技术成为各国关注的焦点，如何从源头减少二氧化碳排放和降低大气中二氧化碳的含量成为挑战人类智慧的难题。中国作为一个发展中国家，主要以煤炭的消费为主，主要的CO2排放源为燃煤的发电厂。从总量上看，目前我国的二氧化碳排放量已位居世界第二，预计到2025年，我国的CO2总排放量很可能超过美国，位居世界第一。因此，我国急需对所排放的二氧化碳进行捕获研究，以缓解我国的空气污染压力。目前CO2的应用领域得到了广泛开拓，除了众所周知的碳酸饮料、消防灭火外，工业、农业、国防、医疗等部门都在使用CO2。科学研究己经证明，CO2具有较高的民用和工业价值:以CO2为原料可合成基本化工原料；以CO2为溶剂进行超临界萃取；还可应用于食物工程、激光技
术、核工业等尖端高科技领域；近年来开发出的新用途如棚菜气肥、保鲜、生产可降解塑料等也展现出良好发展前景。[1]
1.CO2捕集系统
CO2捕获技术发展的方向是降低技术的投资费用和运行能耗。依据捕获系统的技术基础和适用性，通常将火电厂CO2的捕集系统分为以下4种：燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、富氧燃烧技术以及化学链燃烧技术。
1.1 燃烧后脱碳
燃烧后脱碳是指采用适当的方法在燃烧设备后，如电厂的锅炉或者燃气轮机，从排放的烟气中脱除CO2的过程。
在燃烧后捕集技术中，由于烟气中CO2分压通常小于0. 15个大气压，因此需要与CO2结合力较强的化学吸收剂分离捕集CO2，用于CO2捕集的化学吸收剂主要是能与CO2反应生成水溶性复合物的有机醇胺类。目前在CO2捕集方面研究和采用较多是醇胺法(MEA法)。[2]
燃烧后捕集技术是一种成熟的技术，这种技术的主要优点是适用范围广，系统原理简单，对现有电站继承性好。但捕集系统因烟气体积流量大、CO2的分压小，脱碳过程的能耗较大，设备的投资和运行成本较高，而造成CO2的捕集成本较高。
1.2 燃烧前脱碳
燃烧前脱碳就是在碳基原料燃烧前，采用合适的方法将化学能从碳中转移出来，然后将碳与携带能量的其他物质分离，从而达到脱碳的目的。燃烧前分离捕集CO2实质上是H2和CO2的分离，由于合成气的压力一般在2. 7MPa以上(取决于气化工艺)，CO2的分压远高于化石燃料在空气燃烧后烟气中的CO2分压。典型的燃烧前CO2捕集流程分三步实施:
(1)合成气的制取：将煤炭、石油焦、天然气等燃料与水蒸气、氧气进行不完全的燃烧反应，生成CO和H2的合成气。
(2)水煤气变换：将合成气的CO进一步与水蒸气发生CO变换反应，生成CO2和H2。
(3)H2/CO2分离：将不含能量的CO2同能量载体H2分离，为后续的氢能量利用和CO2封存等作准备。[3]
燃烧前捕集技术的成本比燃烧后捕集技术的成本低，具有较大的发展潜力。
1.3 富氧燃烧
该技术是利用空分系统获得富氧或纯氧，然后将燃料与氧气一同输送到专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，生成烟气的主要成分是CO2和水蒸气。一般需要对燃烧后的烟气进行重新回注燃烧炉，这一方面降低燃烧温度；另一方而也进一步提高了CO2的体积分数。由于烟气中CO2的体积分数高，可显著降低CO2捕获的能耗，但必须采用专门的纯氧燃烧技术，需要专门材料的纯氧燃烧设备以及空分系统，这将大幅度提高系统的投资成本，目前大型的纯氧燃烧技术仍处于研究阶段。
1.4 化学链燃烧
化学链燃烧技术的能量释放机理是通过燃料与空气不直接接触的无火焰化学反应，打破了自古以来的火焰燃烧概念。这种新的能量释放方法是新一代的能源环境动力系统，它开拓了根除燃料型、热力型NOx产生与回收CO2的新途径。
化学链燃烧技术是与空气不直接接触的情况下，燃料与金属氧化物反应，CO2产生在专门
的反应器中，从而避免了空气对CO2的稀释。金属氧化物与燃料进行隔绝空气的反应，产生热能、金属单质以及CO2和水，金属单质再输送到空气反应器中与氧气进行反应，再生为金属氧化物。反应生成的CO2和水处于反应器中，所以CO2的捕获非常容易。[4]该法的经济性要依靠大量可以无数次循环再生的有活性的载氧体，控制载氧体的磨损和惰性是该技术的关键。由于其经济性好，作为烟气中捕集分离CO2的方法前景看好。
