火力發電廠碳捕集技術探討

郭江源，張志勇，姜 冉，吳 宇

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

1997 年，《京都協議書》成功簽訂，旨在通過促進各國的CO2減排事業從而將全球平均溫度上升控制在危險值以下，包括中國在內的將近200 個國家簽署了該協議。為了緩解全球氣候的急劇變化，《聯合國氣候變化框架公約》締約方于2015 年12 月在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協定》，目的是遏制全球氣溫的上升，盡早使CO2等溫室氣體排放量達到峰值，遠期目標是與前工業化時期相比，將全世界平均氣溫上升幅度控制在2 ℃的范圍內，并盡可能將溫度上升幅度控制在1.5 ℃以下。2020 年9 月，在第75 屆聯合國大會上，中國承諾努力使CO2排放量在2030 年前達到峰值，并且在2060 年前實現碳中和[1-2]。回歸當下，作為一個發展中國家，要在2060 年實現碳中和，碳減排的壓力還是非常大的。統計發現，發電企業是溫室氣體最大的排放源，而且也將是2050 年之前增速最快的排放源，而燃煤發電廠作為發電行業中碳排放的最重要來源，CO2的捕集勢在必行[3]。

1 碳捕集與利用

CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕集與封存）是指將排放煙氣中的CO2進行提純壓縮，將其運送至適當的地點進行封存，避免直接將CO2排入大氣，實現化石燃料的低碳利用。

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕集利用與儲存）技術是我國結合CCS 技術與實際提出的一項新概念，就是在CCS 基礎上增加了CO2的利用環節，是CCS 技術發展的新趨勢。將提純的CO2投入到新的生產過程中進行利用，而不僅僅是簡單地封存。與CCS 相比，CCUS 可以將CO2資源化，能產生經濟效益，具有更強的現實操作性。目前CCUS 的概念已被廣泛接受[3]。

碳捕集技術主要包括燃燒前捕集技術、燃燒后捕集技術和富氧燃燒技術，3 種技術的優缺點比較見表1。碳捕集成本一般會占到整個CCUS 全產業鏈成本的70%，碳捕集的效率及其經濟效益對CCUS 至關重要，因此，CCUS 的核心是CO2捕集，同時考慮到碳捕集技術的實用性。本文將主要介紹燃燒后CO2捕集過程中涉及的相關技術[3-4]。

表1 3 種碳捕集技術比較

2 碳捕集技術

火力發電廠煙氣燃燒后碳捕集技術主要可以分為吸附法、吸收法、膜分離法和低溫分離法等，本文就這4 種方法進行介紹與分析。

2.1 化學吸收法

化學吸收法是指化學溶劑通過與CO2發生化學反應，對CO2進行吸收，而當吸收溶劑外部條件（如溫度或壓力）發生改變時，被吸收的CO2會發生逆向解析，使吸收劑能夠循環再利用。CO2捕集流程如圖1 所示：煙氣從底部進入脫碳吸收塔，同時吸收劑從吸收塔的頂部噴淋而下，煙氣和吸收劑在吸收塔內接觸并發生反應，吸收劑吸收煙氣中的CO2變成含有大量CO2的富液，富液被富液泵泵送到再生塔，被再沸器加熱至100 ℃以上，使富液分解而解析出被吸收的CO2而再次變成貧液，貧液再次進入脫碳吸收塔進行新一輪的循環，最終達到CO2分離與回收的目的。當前，在研究及應用過程中給予更多關注的化學吸收劑包括醇胺溶液、氨水和氧化鈣等。目前，化學吸收法碳捕集技術在我國燃煤電廠已經實現了工業化應用[5-6]。

圖1 吸收法碳捕集系統結構

基于CO2的酸性特征，最開始研究和使用的化學吸收劑基本都是有較強堿性的無機溶劑，如碳酸鉀溶液和氨水。但是，在試驗和使用過程中發現碳酸鉀溶液解析CO2時所需的溫度比較高，而且碳酸鉀溶液堿性太強，會對設備造成比較嚴重的腐蝕，并且伴有嚴重的發泡現象；氨水雖然對煙氣中的CO2有非常高捕集效率，可以達到95%以上，而且反應過程中還可以獲得氮肥等有用的副產品，但是由于氨水容易揮發，在實際應用中會有比較大的溶劑損耗，經濟性差[7]。因此，研究人員逐步將目光轉向有機醇胺類吸收劑的開發與研究工作，并取得了不錯的研究成果，催生出許多醇胺法脫碳工藝，常見的有MEA（乙醇胺）、DEA（二乙醇胺）、MDEA（甲基二乙醇胺）及DIPA（二異丙醇胺）等工藝技術，圖2 為醇氨法脫碳的原理[7-8]。

圖2 氨醇法脫碳原理

2.2 吸附法

吸附法碳捕集技術在20 世紀90 年代早期作為化學吸收法的替代技術被提出，在30 多年來有了巨大的發展。通過分子間弱相互作用或范德華力，在一定條件下對CO2氣體進行選擇性的吸附，再通過提升或降低溫度（壓力）的方法，將捕集的CO2解吸出來，以達到從煙氣中分離和捕集CO2的目的。吸附法一般分為變壓吸附法（PSA）、變溫吸附法（TSA）和變溫變壓吸附法（PTSA）3 類。變壓吸附法是在高壓條件下吸附CO2，低壓狀態下對CO2進行解吸；變溫吸附法是在低溫條件下進行CO2吸附，高溫條件下將吸附的CO2解吸釋放[9]。變壓吸附工藝是目前工業上應用較多的工藝，由吸附、漂洗、降壓、抽真空和加壓等5個工藝流程組成[10]。

吸附過程能夠通過多種途徑實現，最常見的2 種方法是填充床法和流化床法（圖3）。填充床法是將吸附劑固定裝入塔中，煙氣在流過固定的吸附劑顆粒間的空隙時，CO2被選擇性地吸附捕集。而流化床法是當煙氣以相對較高的流速通過吸附劑時，使吸附劑顆粒懸浮在氣流中，從而完成對CO2選擇吸附。相同的是，相對于其他成分吸附劑都選擇性地吸附更多的CO2。

圖3 吸附途徑

吸附劑是吸附法捕集CO2技術可行性的最關鍵因素。在選擇吸附劑時，需要綜合考慮吸附能力、機械強度、選擇吸附性、孔徑分布、溫度和壓力敏感性等因素。在工業的實際應用過程中，還需要結合吸附等溫線來確定吸附劑的使用效果，利用吸附劑的動力學特性確定循環周期的長短等。常用的吸附劑有天然沸石、活性氧化鋁、分子篩、硅膠和活性炭等。

2.3 膜分離法

膜分離法是利用混合氣體中各組分在膜中溶解擴散的速率差異，在膜兩側分壓差的作用下促使氣體進行分離，由高壓側經過薄膜進入低壓側的氣體稱為滲透氣，仍留在高壓側的氣體稱為剩余氣。氣體膜分離過程如圖4 所示：混合氣中各組分在分壓的推動下透過薄膜，滲透速率高的滲透氣在低壓側富集，滲透速率低的剩余氣在高壓側富集。對于優先滲透CO2的分離膜而言，CO2為滲透氣，其他混合氣體均為剩余氣。

圖4 膜法分離氣體的原理

因膜法分離具有較高接觸面積、模塊性較好、操作靈活等優點，被學者普遍認為是最具發展潛力的碳捕集技術。膜分離法的關鍵就是膜的選擇，依據原理的不同，通常可以將膜分為吸收膜和分離膜。一般膜分離技術需要吸收膜和分離膜兩者配合，共同完成[9]。按照膜材料的不同，可以將膜分為聚合體膜和無機膜。其中聚合體膜的工作溫度不能超過150 ℃，且不耐腐蝕，因而大大限制了其在電廠碳捕集領域的使用。無機膜具有耐高溫、耐腐蝕的優點，但存在裝配難度大的問題[11]。

2.4 低溫分離法

低溫分離法是基于混合氣體中不同組分的溶沸點差異實現氣體分離的方法。依據CO2被捕集時的不同狀態，低溫碳捕集技術分為2 種：①液化分離法，即通過低溫冷凝或精餾，利用CO2與混合氣體中其他組分的沸點差異，將CO2液化并分離出來；②凝華分離法，它主要是利用CO2與混合氣體中其他組分凝華溫度的差異，降低溫度將CO2固化并分離出來。理論上，CO2低溫分離技術簡單易行，但是由于在分離過程中CO2分壓會不斷減小，使CO2分離變得越來越難以進行，最終影響CO2的回收率。對于CO2濃度較高的混合氣體，通常采用液化法進行分離，而CO2濃度相對較低時，則可采用凝華法進行分離。液化分離法和凝華分離法由于所需的溫度區間和分離后CO2狀態差異，所以相應的捕集流程、制冷系統和分離后的處理都有著很大的不同。圖5 為CO2的三相圖。

圖5 CO2 的三相圖

低溫分離法分離得到的CO2純度高，便于運輸，能夠在食品加工等行業直接使用，但由于需要在冷凝壓縮過程中耗費大量能量，同時工藝設備投資費用較高，一定程度上限制了該技術的發展（表2）。目前，很多國內外學者正在開展捕集系統的結構研究以此來降低捕集系統的能耗[12]。

表2 4 種碳捕集技術的特點比較

3 結論

目前各項碳捕集技術都處在發展階段，技術都不成熟，均存在不小的技術壁壘和實際問題，真正應用于火力發電廠的碳排放控制還有很長的路要走。取長補短進行技術融合或發展新技術，找出一種能耗低、占地面積小、投資費用低、捕集效率高、CO2純度高的捕集措施，對于我國乃至世界碳捕集的研究將產生巨大的推動作用。