【正文】 health, cause as the greenhouse gas carbon dioxide is particularly prominent temperature increases, so for carbon dioxide capture has bee the focus of attention. If we do not reduce carbon dioxide emissions, the global warming is disastrous to human. The subject of the CO2 capture technology review. First introduces the importance of research on carbon dioxide emissions, shows the necessity of this article and research。有資料顯示，全球大氣二氧化碳濃度已從工業(yè)革命前的 280ppmv升高到 370ppmv，且仍然以 0． 5％／年的速度遞增。溫室效應的氣體像透明玻璃罩一樣緊緊的籠罩在我們的上空，太陽不斷的傳輸熱量到達地面，而地球的溫度由于溫室氣體的籠罩散失緩慢，因此引起了氣候不斷升溫的可怕現(xiàn)象。其中 ,CH4 占總排放的 25%,N2O 占總排放的52%,CO2占總排放的 23%。在 2020 年 ， 牛肉排放的溫室氣體為 kg/kg， 羊肉為 kg/kg， 豬肉為 ， 禽肉為 kg/kg， 牛奶為 kg/kg,禽蛋為 kg/kg。如果各國繼續(xù)不 積極的減排行為，任由充滿漏洞的法律法規(guī)實施，情況將不會有根本改善：2020 年，只能減排 1億噸（圖表 Case A）。更糟糕的是，這也超出 2020 年計劃排放量的 11%。 圖 11 國際溫室氣體排放量圖 第 節(jié) CCS 技術概述 CCS 技術是 Carbon Capture and Storage 的縮寫，是將二氧化碳（ CO2）捕獲和封存的技術。 CCS 的廣泛應用取決于技術成熟性、成本、整體潛力、在 發(fā)展中國家 的技術普及和轉讓及其應用技術的能力、法規(guī)因素、環(huán)境問題和公眾反應。潛在的技 術封存方式有：地質封存（在地質構造中，例如 石油 和 天然氣田 、不可開采的煤田以及深鹽沼池構造），海洋封存（直接釋放到海洋水體中或海底）以及將 CO2固化成無機 碳酸鹽 。進行該項目的日本公司有 JPower、 IHI、 Mitsui 等，澳大利亞公司有 Xstrata、澳大利亞昆士蘭電力供電商 CS能源和Schlumberger 有限公司，以及澳大利亞煤炭聯(lián)合會。提議支持的條款很寬泛，但為儲存大量 CO2，協(xié)議仍然需要比如安全方面的細節(jié)條款。二氧化碳捕集技術綜述 南京師范大學學士學位論文 4 歐洲電力公司 和 Electrabel 稱，他們將與日立歐洲電力公司組成小組在他們電廠檢測清潔煤技術。美國威斯康辛州的密歇根海灘附近準備建一座大型燃煤發(fā)電廠，該電廠煙囪里的 CO2 將被分離并捕捉，將捕捉到的 CO2儲存在地下或海底上百年上千年 。波蘭電力的 95%來自燃煤發(fā)電。二氧化碳捕集法只是大量用于二氧化碳純度高、比較容易捕集的煉油、合成氨、制氫、天然氣凈化等工業(yè)過程。近幾年，包括“ 973 計劃”、“ 863 計劃”在內的國家重大課題都對 CCS 的研究進行了立項，并取得了重大進展。經(jīng)過緊張施工、調試、 試生產(chǎn)，目前二氧化碳回收率大于 85%，年可回收二氧化碳 3000 噸。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣 蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。如果考慮 CO2減排，氣化島還包括 CO 減排單元。 3．工藝流程 IGCC 的工藝過程如下圖 21所示：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質以驅動燃氣透平作功，燃氣輪 機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機作功。 粗煤氣經(jīng)過煤氣顯熱回收裝置后進入干法除塵單元 ， 之后到水洗單元脫除氯化氫和氟化氫等酸性物質 ， 等待進入 CO 變換單元 。 從冷卻器出來的變換氣進入系統(tǒng)的 脫硫脫碳單元 。目前，國外 IGCC 電站造價為 1200~1600 美元 / kW，其中氣化及凈化、空分及動力子系統(tǒng)約占總投資的 39% ， 16% 和 45%，設備投資約占總投資的 70% 。雖然近幾年 IGCC 電站的設備可靠性、電站可用率都有了明 顯的提高，但其技術特點決定 IGCC 電站不適用于電 網(wǎng)調 峰。 通過近幾年各國學者的研究和示范電廠的運行上述問題對 IGCC 電廠的影響在逐漸降低。它是一種高溫、高壓煤粉氣化爐，氣化爐的壓力為 2060bar， 要求采用 90%以上的顆粒小于100μ m 的煤粉，采用氧、富氧、空氣或水蒸氣作為氣化劑，當以氧為氣化劑時，氣化爐爐膛中心的火焰溫度可達 2020℃。 噴流床氣化爐由于是煤粉高溫高壓氣化，因此煤種適應性廣，碳轉化率高，能達到 99%以上。 3）固定床氣化爐 固定床氣 化爐是最早開發(fā)出的氣化爐，它和燃煤的層燃爐類似，爐子下部為爐排，用以支承上面的煤層。粗煤氣唯一出口位置設計在干燥區(qū)上面煤層的頂部，稱為單段氣化爐，此時出口處煤氣的溫度為 370－ 590℃，在這煤氣溫度下，氣的油和煤焦油等會發(fā)生裂解和聚合反應，從而生成彼一時質焦油和瀝青。由于流經(jīng)揮發(fā)分析出區(qū)和干燥區(qū)的煤氣量只有單段爐的，有利于防止由于煤的爆裂而產(chǎn)生的大量煤塵，而且不會產(chǎn)生彼一時質焦油和瀝青。另外在轉化過程和分離、回收 CO2時進行煤氣冷卻以及溶劑再生過程中的煤氣冷卻等都會導致能量損失 , 使系統(tǒng)凈輸出功減小、效率下降。完成以上分離的吸收劑限制在低溫下工作 , 若采用能在高溫下進行吸收反應的新溶劑將有助于降低能耗?，F(xiàn)在新型工業(yè)燃氣輪機的進氣初溫已達 1430℃ ，用以組成的 IGCC 系統(tǒng)凈效率應將超過 50%。全世界已經(jīng)宣布或正在規(guī)劃中的 IGCC 電站有 50多個。 圖 25 IGCC 的運行進展圖 二氧化碳捕集技術綜述 南京師范大學學士學位論文 12 隨著煤氣化技術和燃機技術的不斷發(fā)展和進步， IGCC 朝著大容量、高效率、低排放發(fā)展，而全球煤氣化容量雖然各年有所波動，但始終保持 增長態(tài)勢 。 3000t/d 以上的氣化爐對 IGCC 達到規(guī)模經(jīng)濟大型化是 必要的，噴流床在這方面有優(yōu)勢，但進一步提高熱力性能的潛力有限。為了提高 IGCC 的供電效率，人們正在研究膜技術或者 PSA 變壓吸附方式制氧新設備，電耗 僅為深冷的三分之一，起停時間以秒計。 （ 3） 高性能的高溫燃氣輪機發(fā)展單機功率更大、燃氣初溫更高、熱耗率更低的燃氣輪機，以它為核心來優(yōu)化配置 IGCC 的各系統(tǒng)。目前正在開發(fā) H型技術，主要特征是采用更有效的蒸汽冷卻技術，超級合金材料隔熱涂層與先進工藝 (定向結晶和單晶葉片 )，還有 先進的氣動熱力學設計方法 (如可控擴壓原理 )和低 NO、燃燒器等，有望把 T3提升到 14001600℃ 。它是一項高效節(jié)能的燃燒技術，在玻璃工業(yè)、冶金工業(yè)及熱能工程 領域均有應用。富氧燃燒技術適用于新機組，也可應用于某些改造機組。一般富氧濃度在 26％～ 3l％時最佳。 。 二氧化碳捕集技術綜述 南京師范大學學士學位論文 14 隨 著富氧空氣中含氧量的增加，理論空氣需要量減少，煙氣量減少。同時 N2減少可減少熱力型 NOx 生成量。 但同時富氧燃燒技術不是完美無瑕的，它還有很多問題等待我們去完善解決，我們可以從以下三個方面入手： 1. 運行方面 由于富氧燃燒，爐膛溫度很高，需要采取措施 (如煙氣再循環(huán) )降低爐膛溫度。在 CO2捕捉與封存之前需要對其他污染物進行脫除。 總結富氧燃燒的優(yōu)缺點，鑒于富氧燃燒降低污染、節(jié)約能源及二氧化碳捕集等效益，只要能進一步降低富氧燃燒的成本和相關技術的成熟性，在環(huán)境污染問題和溫室效應日益嚴重的未來，富氧燃燒必然會有很好的發(fā)展前景。 高濃度 CO2煙道氣回流及壓縮 工廠整體熱整合操作及安全 富氧燃燒技術 主要 工藝流程 富氧燃燒技術是利用空氣分離系統(tǒng)獲得富氧甚至純氧與燃燒后產(chǎn)生的部分煙氣混合后送入爐膛與燃料混合燃燒。鍋爐效率較常規(guī)空氣煤粉燃燒鍋爐提高約 34 個百分點有著很好的應用前景被發(fā)達國家稱之為“資源創(chuàng)造性技術”。由于能源緊張，日本先后有近 20 家公司推出膜法富氧裝置。瑞典、英國、德國在滾軋和鋁熔爐裝置上采用膜法富氧濃度 25%～ 27%，節(jié)約燃料 12%～ 28% ，而原設備生產(chǎn)率提高 17% ～ 39%。 國內 情況 我國在上世紀 80年代中期開始研究此項技術，并取得了可喜的成果。遼寧省鍋爐技術研究所對國內外相關領域也進行了廣泛的探討和調研。在局部富氧濃度 29%情況下，節(jié)能 6. 37% ，煙氣黑度由 原來的林格曼 5級降到林格曼 2 級，滿足該地區(qū)的環(huán)保要求。吉林大學建立了富氧助燃燃燒的數(shù)學模型，采用計算機進行理論計算及模擬分析，為富氧助燃技術研究奠定了基礎。燃燒后捕獲 CO2技術面臨的二個重要工程設 計挑戰(zhàn)是：煙氣中 CO2分壓相對較低，煙氣溫度相對較高。 圖 31 燃燒后捕集二氧化碳 第 節(jié)化學吸收法 化學吸收法是使原料氣和化學溶 劑在吸收塔內發(fā)生可逆化學反應，二氧化碳進入溶劑形成富液，富液進入脫吸塔加熱分解出二氧化碳。 美國的 Shady Point 電廠利用 ABB Lummus 捕集技術每天捕集 CO2200 噸，同時 Warrior Run 電廠也利用二氧化碳捕集技術綜述 南京師范大學學士學位論文 18 此技術每天捕集 150 噸。 表 31：部分目前國內外正在運行的電廠化學吸收捕碳項目 胺法 1．概念 所有的早期二氧化碳捕集裝置 均釆用基于胺基溶液的化學吸收方法。 經(jīng)過除塵、脫琉等處理后的煙氣經(jīng)初步冷卻和增壓后 ， 從吸收塔下部進入在塔內與由塔頂噴淋的吸收刻貧 CO2 溶液 (簡稱貧液 )逆相接觸。而再生塔底的貧液則在貧液系作用下 ， 經(jīng)過貧富液換熱器換熱、貧液冷卻器冷卻到所需的溫度后 ， 從吸收塔頂噴入 ， 進行下一次的吸收。 N CO O RR 39。 N H H C O???? (3 4) 所以他的 吸收能力有時可能會小幅超過上述限制。 R N H O C O R R 39。 以上因素綜合導致了胺基溶液吸收系統(tǒng)的相對較高的初投資 ， 較高的運行費用和隨之而生的電廠效率的下 降。 氨水溶液吸收技術 1．概念 此技術即為氨水及其生成物與 CO2通過不同機理進行反應，其中一種反應機理 與醇胺法相似 ,在水溶液中氨與 CO2反應生成碳酸銨 (AC)， 過量的 CO2則可生成碳酸氫銨。氨 水吸收工藝的研發(fā)改進包括工藝優(yōu)化以提高單循環(huán)凈 CO2負荷 ，運用不同的工程技術以消除操作過程的氨 逃逸損失 。相較于胺基溶液吸收工藝 ， 氧水吸收 工藝還有其他一些優(yōu)勢 ， 比如吸收容量相對較大 ， 吸收再生過程無降解 ， 吸收劑不氧化 ， 吸收別價格低并且可以在高壓條件下再生。此外 ，氨水吸收 的另一個問題是發(fā)生在溫度較高的再生過程中 的氨水逃逸損失。 這種方法 能耗很高 ， 后來進行了技術革新 ， 在高壓下用高濃度的 碳酸鹽 水溶液吸收 CO2,能耗得到大幅下降 。 盡管 碳酸鹽 溶液吸收系統(tǒng)相較于胺 法 吸收系統(tǒng)存在一些優(yōu)勢 ， 但是該技術仍未成熟。采用吸附法時，一般需要多吸附塔并聯(lián)使用，以保證整個過程中能連續(xù)的輸 入原料氣 ,連續(xù)地取出 CO2 及未吸附氣體，其關鍵是吸附劑的載荷能力，其主要決定因素是溫差 (或壓差 )。按照 CO2吸附、解吸的方法不同 ， 吸附法又可分為變壓吸附法 (PSA)、變溫吸附法 (TSA)和變壓與變溫相結合的吸附法 (PTSA)。 PSA 法的再生時間比 TSA 法短很多，且 TSA 法的能耗是 PSA法的 2~3 倍 。 二氧化碳捕集技術綜述 南京師范大學學士學位論文 24 圖 34 變壓吸附法流程 3．吸附劑選擇 吸附劑是變壓吸附法脫除二氧化碳的關鍵，吸附劑的選擇既要考慮對待分離組分中二氧化碳的吸附選擇性能，同時也要考 慮吸附劑的再生性能。 脫碳吸附劑選擇的主要依據(jù)是吸附二氧化碳的平衡等溫線，對于給定的待分離體系，還必須考慮所有組分在氣體混合物中、在操作壓力和溫度范圍內的平衡等溫線。 二氧化碳捕集技術綜述 南京師范大學學士學位論文 25 ① 活性炭 活性炭是常用的變壓吸附脫碳用的吸附劑，它是一種多孔含碳物質的顆粒或粉末，具有高度發(fā)達的微孔結構，因而具有比較強大的吸附能力，從上個世紀八十年代開始對于將活性炭應用于脫除二氧化碳過程開展了大量的研究。 下圖分別為活性炭的孔分布圖以及吸附等溫線。 ③ 活性炭纖維 活性炭纖維 (ACF)是直徑大約為 5~20181。不僅比表面積大，孔徑適中，分布均勻，吸脫速度快，而且具有不同的形態(tài)。由于加熱 /冷卻床層是一個很緩慢的過程 ， 在工業(yè)過程中 ， 再生的時間可達數(shù)小時到一天的時間 ， 為了使吸附 /解吸過程匹配起來 ， 以使循環(huán)過程連續(xù)進行 ， 傳統(tǒng)的變溫吸附工藝通常僅僅適用于用來脫除弱吸附組分產(chǎn)品氣體里的微量強吸