二氧化碳減排一種工藝介紹

摘 要： 全球溫室效應(yīng)不斷加劇，二氧化碳減排技術(shù)探討在全球都變得十分必要，各種技術(shù)路線也層出不窮。傳統(tǒng)碳捕集技術(shù)（CCS）因成本高，長(zhǎng)期看存在風(fēng)險(xiǎn)等因素越來(lái)越受到質(zhì)疑。這里介紹一種二氧化碳分解利用減排技術(shù)（CDUS）的中試平臺(tái)項(xiàng)目，對(duì)二氧化碳捕集和利用進(jìn)行全新探討。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳捕集利用；平臺(tái)介紹

一.二氧化碳排放狀況

人類的生產(chǎn)勞動(dòng)和工業(yè)化進(jìn)程等活動(dòng)會(huì)向環(huán)境中釋放包括燃用化石燃料釋放的二氧化碳在內(nèi)的大量溫室氣體，其中83%是來(lái)源于與能源供給有關(guān)的工業(yè)，如發(fā)電行業(yè)。

在中國(guó)，煤炭作為主要能源供給來(lái)源仍將被長(zhǎng)期使用，據(jù)預(yù)測(cè)，到2035年由燃煤釋放的二氧化碳每年將達(dá)到172億噸。到目前為止，溫室氣體排放治理始終未能在全球范圍內(nèi)大規(guī)模開(kāi)展起來(lái)，最重要的原因是目前所能采取的技術(shù)只能幫助參與其中的國(guó)家受益于環(huán)境改變帶來(lái)的社會(huì)效益，而不能從中獲得經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)或者平衡為減排付出的巨大投入。持續(xù)可行的方案應(yīng)是減排措施在經(jīng)濟(jì)性上必須是可行而且是有回報(bào)的。

二.二氧化碳減排技術(shù)

1、碳捕集技術(shù)（CCS）

CCS是IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）倡導(dǎo)下的一項(xiàng)二氧化碳減排技術(shù)。CCS技術(shù)不改變二氧化碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)，直接通過(guò)物理方法加壓液化分離后被封存在地下。被被儲(chǔ)存在地表下的二氧化碳?xì)怏w在未來(lái)隨時(shí)有泄露到地表造成窒息的風(fēng)險(xiǎn)，中國(guó)每年大約排放70億噸二氧化碳。如果使用CCS就預(yù)示著中國(guó)要將大多數(shù)二氧化碳?xì)怏w封存在一些特定區(qū)域和特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。試想，未來(lái)十年后，將會(huì)有超過(guò)700億噸的加壓二氧化碳儲(chǔ)存于我們腳下的某個(gè)區(qū)域，一旦泄露將會(huì)造成極為嚴(yán)重的災(zāi)難事件。除此之外，超高建設(shè)成本，運(yùn)行成本以及運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本也是CCS面臨的問(wèn)題。

2、二氧化碳分解利用減排技術(shù)（CDUS）

本項(xiàng)目二氧化碳分解利用減排技術(shù)是通過(guò)應(yīng)用美國(guó)一家公司（該技術(shù)處于保密狀態(tài)）自主開(kāi)發(fā)的特定頻率的電磁催化技術(shù)，結(jié)合自主研制的具有高選擇性的催化劑，使得二氧化碳在極低能量輸入的情況下高效的分解。

通常情況下，二氧化碳的分子團(tuán)極為穩(wěn)定，其分解反應(yīng)過(guò)程需要約200 kJ/mol的能量才可以實(shí)現(xiàn)，能耗高，轉(zhuǎn)化率低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用自主研發(fā)技術(shù)，顯著降低二氧化碳分子團(tuán)的穩(wěn)定性，只需要常規(guī)方法大約1/5的能量，即可激發(fā)和維持反應(yīng)過(guò)程。該技術(shù)在美國(guó)已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室階段的理論驗(yàn)證，并通過(guò)小試測(cè)試平臺(tái)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)二氧化碳單次轉(zhuǎn)化效率達(dá)70%，通過(guò)美國(guó)小試平臺(tái)的測(cè)試，目前每噸二氧化碳的直接轉(zhuǎn)化成本只需不到150千瓦小時(shí)的電能。這一過(guò)程完全改變了二氧化碳的分子結(jié)構(gòu)，使其失去溫室氣體特性，生成一氧化碳以及氧氣等產(chǎn)物，并且根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的特性，進(jìn)一步使用該催化工藝，通過(guò)與其他反應(yīng)物合成，生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，通過(guò)不同的反應(yīng)條件，生成長(zhǎng)鏈的烷烴或烯烴類產(chǎn)物如醇類或燃油類產(chǎn)品，以及有機(jī)酸等。整個(gè)過(guò)程不但實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的減排，同時(shí)有效地利用了二氧化碳創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

該技術(shù)使二氧化碳在轉(zhuǎn)化過(guò)程中更為節(jié)能和高效，并具有更好的選擇性、更高的轉(zhuǎn)化率、更低的活化能和更快的反應(yīng)速度等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，并且流程簡(jiǎn)單，無(wú)需使用二氧化碳加壓分離、運(yùn)輸、封存等工藝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)二氧化碳就地直接轉(zhuǎn)化并減排，最終產(chǎn)品對(duì)環(huán)境、健康無(wú)危害。

三.中試平臺(tái)方案規(guī)劃

1、CDUS基本技術(shù)流程（如下圖）

含有二氧化碳的鍋爐尾部煙氣經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)過(guò)程，煙氣中的二氧化碳作為反應(yīng)物被催化裂解后，再經(jīng)其它系列催化反應(yīng)合成生產(chǎn)出定向性的產(chǎn)品，完成減排過(guò)程。反應(yīng)后煙氣中的無(wú)污染氣體，如氮?dú)獾龋?jīng)煙囪直接排空；過(guò)程中產(chǎn)生的少量無(wú)污染固體廢物可直接隨鍋爐灰渣安全排放。整個(gè)過(guò)程使用自主開(kāi)發(fā)的人工智能技術(shù)控制系統(tǒng)，對(duì)催化過(guò)程予以準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、高效反應(yīng)。

2、主要系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以靈活擴(kuò)展至現(xiàn)場(chǎng)各種使用規(guī)模容量要求，同時(shí)，該模塊并可對(duì)電廠大規(guī)模應(yīng)用的不同技術(shù)路線進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，從而提供最優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù).其基本布置方案路線設(shè)計(jì)如下。

3、模塊組成及基本功能：

系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，主要構(gòu)成有如下幾部分：氣源部分、供水、蒸汽和冷卻系統(tǒng)、氣體系統(tǒng)穩(wěn)壓部分、主反應(yīng)系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及信息處理系統(tǒng)等構(gòu)成。

3.1氣源部分

氣源采用工業(yè)雜氣，經(jīng)一定比例混配，模擬現(xiàn)場(chǎng)煙氣組成和狀態(tài)。氣體通過(guò)罐裝運(yùn)輸至使用現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)調(diào)壓、混合、進(jìn)入系統(tǒng)下一級(jí)。

3.2供水、蒸汽和冷卻系統(tǒng)：

供水采用民用自來(lái)水，冷卻水部分直接使用，蒸汽部分需經(jīng)過(guò)預(yù)先軟化后進(jìn)入蒸汽鍋爐予以使用，冷卻水部分用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的冷卻以及調(diào)整反應(yīng)要求的溫度需求，確保反應(yīng)在制定的條件下連續(xù)發(fā)生，蒸汽部分將提供部分給混合氣模擬現(xiàn)場(chǎng)煙氣成份外，其余用于給系統(tǒng)提供所需的溫度和壓力需求條件。

3.3 穩(wěn)壓系統(tǒng)

經(jīng)壓力釋放和管道傳輸后的各種氣體，進(jìn)入穩(wěn)壓系統(tǒng)，經(jīng)穩(wěn)壓系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)質(zhì)后，確保進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的混合氣體的比例、壓力、溫度等參數(shù)按照設(shè)計(jì)的需求保持一致，并模擬電廠煙氣的狀態(tài)，確保測(cè)試具有代表性和示范作用。

3.4主反應(yīng)系統(tǒng)

3.4.1系統(tǒng)包括：主要由煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、反應(yīng)分離系統(tǒng)、穩(wěn)定系統(tǒng)組成。

3.4.2主要設(shè)備功能描述

預(yù)混合氣體導(dǎo)入主系統(tǒng)的煙氣預(yù)處理系統(tǒng)后，經(jīng)充分混合和預(yù)反應(yīng)后，經(jīng)穩(wěn)流系統(tǒng)進(jìn)入下一級(jí)反應(yīng)分離系統(tǒng)，反應(yīng)分離系統(tǒng)系統(tǒng)將對(duì)大部分二氧化碳進(jìn)行直接化學(xué)分解后進(jìn)入氣體反應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)確保系統(tǒng)朝預(yù)置方向進(jìn)行，生成預(yù)期產(chǎn)物，穩(wěn)定分離凈化效率和效果。并最終生成物有高經(jīng)濟(jì)附加值產(chǎn)物，被分離后最終實(shí)現(xiàn)減少二氧化碳排放的目的。

3.5排放系統(tǒng)

從主反應(yīng)系統(tǒng)排放的煙氣經(jīng)調(diào)整溫度后，直接排放，同時(shí)，如煙氣中仍然存在未能完全分離的產(chǎn)品，排放系統(tǒng)將對(duì)其進(jìn)行凈化處理后，做到安全環(huán)保排放。

3.6系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及信息處理系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)依靠系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能，抓取系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)和信息，并反饋至系統(tǒng)控制中，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)控制，確保系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的參數(shù)條件下安全高效運(yùn)行；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將存儲(chǔ)所有系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)，并提供后期優(yōu)化方案所需的數(shù)據(jù)條件。

4、布置方案

本平臺(tái)煙氣處理能力為150m3/h，進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性，主要組成部分如下：

4. 1方案概述

測(cè)試模塊如下圖所示，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓供氣、自動(dòng)混合氣體、自動(dòng)控制氣體參數(shù)、檢測(cè)報(bào)警、視頻監(jiān)視、循環(huán)、冷卻排放功能。能夠方便的更換反應(yīng)部件，方便的移動(dòng)、連接、收納供氣系統(tǒng)，并能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)遮陽(yáng)、圍欄防護(hù)功能。

控制系統(tǒng)能夠與各設(shè)備進(jìn)行通訊并提供氣體計(jì)量、蒸汽狀態(tài)、供氣狀態(tài)、水蒸氣收集狀態(tài)和排氣狀態(tài)的檢查信號(hào)，同時(shí)對(duì)整個(gè)過(guò)程所有信息的采集工作，并通過(guò)中控系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，確保測(cè)試按預(yù)設(shè)流程連續(xù)進(jìn)行。

氣源系統(tǒng)將模擬煙氣配氣經(jīng)傳輸管道傳輸至相關(guān)附屬設(shè)備，經(jīng)調(diào)壓及相關(guān)預(yù)處理過(guò)程，投入主系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)特定中轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的處理后，二氧化碳被分解后形成相應(yīng)設(shè)計(jì)的副產(chǎn)品，未參與反應(yīng)的氣體經(jīng)排煙系統(tǒng)進(jìn)行排放，系統(tǒng)中同時(shí)配備的供水、冷卻對(duì)系統(tǒng)設(shè)備，同時(shí)信息處理系統(tǒng)將對(duì)整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，待后期分析和進(jìn)行優(yōu)化處理，整個(gè)過(guò)程在完整的控制系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)安全的處理過(guò)程。

4.2方案系統(tǒng)組成

本平臺(tái)主要有氣瓶站、供氣系統(tǒng)、氣體分配、給排水系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、電氣和控制系統(tǒng)等組成。

四、小結(jié)

二氧化碳捕集及利用CDUS技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)一家公司實(shí)驗(yàn)室成功完成1.5 m3/h的處理，本平臺(tái)正在建設(shè)當(dāng)中，處理能力為150m3/h，如獲得成功，將為我國(guó)乃至世界減少碳排放技術(shù)發(fā)展提供一種重要嘗試。

作者簡(jiǎn)介：邱祥民（1969--），男 高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事環(huán)境保護(hù)工作。