二氧化碳捕获与封存技术进展
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二氧化碳捕获与封存技术进展
为了减缓全球变暖的趋势，全球社会开展了一系列的温室气体减排行动，通过强制或自愿的方式实施减排。具体的措施包括：提高能源利用效率：实现能源结构向低含碳量燃料转变，向核能、可再生能源和清洁能源转变：增强生物碳汇：二氧化碳捕获与封存：减少非二氧化碳温室气体的排放等。其中二氧化碳捕获与封存(Ccs，Carbon Dioxide Capture and Storage)具有降低减排成本以及增加实现温室气体减排灵活性的潜力，可能是未来实现低碳经济转型的重要环节，因此倍受发达国家政府重视和发展中国家的关注。世界各国，尤其是发达国家，在发展CCS技术、扩大CCS示范项目范围方面已经取得了重要进展，有利于CCS快速安全发展的法律和规范体系也正在逐步发展和完善。
一、燃煤电站二氧化碳捕集的技术路线
煤基电站主要有三类：一是传统的燃煤电站：二是整体煤气化联合循环电站(IGCC)；再就是富氧燃烧电站。现在，绝大多数商业运行的燃煤电站是传统的燃
煤电厂，只在欧美等有极少几个商业运行的IGCC电站和中试的富氧燃烧电站。二氧化碳捕集主要有：
1 燃烧后捕集。二氧化碳捕集是将低浓度的二氧化碳进行富集，这样更容易进行封存和利用。燃烧后捕集，即在燃烧排放的烟气中进行捕碳。理论上讲。该技术路线适合于任何一种火力发电。但是，通过燃烧系统产生的烟气通常压力接近于大气压，而且二氧化碳的浓度低(10％～15％)，含有大量的氮气，产生的气体流量巨大，捕集系统庞大，需耗费大量的能源。
2 燃烧前捕集。燃烧前捕集主要运用于IGCC系统中。由于IGCC一般为高压富氧气化(>20×10 Pa)，产生的煤气经过水煤气变换后，主要含有和二氧化碳气体压力和二氧化碳的浓度都很高。在此时对二氧化碳进行富集，捕集系统小、能耗低，加上在其他污染物控制以及效率上的潜力。这种路线得到了广泛关注。
近年来，很多国家都重新提出并开始了IGCC发电的项目。国内除了国家电网公司的烟台IGCC项目外，华能、大唐、中电投等发电集团也开始在实质性推进IGCC项目。但IGCC发电技术仍存在投资成本高、可靠性还有待提高等问题。
3 富氧燃烧技术。富氧燃烧仍采用传统燃煤电站的技术流程。只是通过制氧技术，将空气中大比例的氮气脱除，直接采用高浓度的氧气与抽回的部分烟气的混合气体来替代空气，这样烟气中将直接得到高浓度的二氧化碳气体，可以直接进行处理和封存。现在，在欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧的项目。该技术路线遇到的最大的困难是制氧技术的投资和能耗太高，现在还没找到一种廉价低耗能动技术。
二、二氧化碳的分离技术探析
从常规尾气中分离二氧化碳，从排烟中分离二氧化碳。将使电厂热效率降低7％～29％，大幅度增加发电成本，造成这种损失的主要原因是：在较低的压力下，从以氮气为主要成分的混合气体中分离较低浓度的二氧化碳气体的难度很大。成本较低的基于物理原理的分离方法均要求在十分低的温度或十分高的压力下进行。所以目前只能采用化学的方法。但由于烟气中的氮气和二氧化碳，气体近似为惰性气体，不易发生化学反应，因此，目前可采用的方法很少。并且在分离二氧化碳前必须有高效的脱硫设备，从而造成二氧化碳分离成本较高。分离二氧化碳的方法主要有吸收分离法、吸附分离法、膜分离法和低温分离技术等。
1 吸收分离法
吸收分离法是利用吸收剂溶液对混合气体进行洗涤来分离二氧化碳的方法。按照吸收剂的不同，它可分为化学吸收和物理吸收。
化学吸收是指二氧化碳与吸收剂在吸收塔内进行化学反应而形成一种弱联结的化合物。经处理后的烟气直接排出，富二氧化碳的吸收液被通入还原塔内，加热后释放二氧化碳同时使吸收剂得以再生。典型的吸收剂有单乙醇氨(MEA)等，适合于中等或较低二氧化碳分压的烟气。此种方法是目前应用较普遍的一种二氧化碳吸收方法。主要用于化工厂、氨生产厂等。由于所处理的混合气体中二氧化碳的浓度较低，所以要处理大量的烟气，在吸收剂再生过程中要消耗大量的能量，因而大大地降低了电厂的热效率。
物理吸收的过程跟化学吸收的过程相似，只是吸收剂对二氧化碳的吸收是按照物理溶解的方法进行的。主要的吸收剂有甲醇等，此法较适合于高二氧化碳，分压的烟气。
2 吸附分离法
吸附分离是基于气体与吸附剂表面上活性点之间的分子间引力实现的。二氧化碳的吸附剂一般为一些特殊的固体材料，如沸石、活性碳、分子筛等，吸附过程又分为变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)。
3 膜分离法
膜分离法技术还处于发展阶段，但却是公认的在能耗降低和设备紧凑方面具有相当潜力的技术。膜分离法按材料主要分为无机膜和有机膜。根据IGCC处理气体具有高压的特点，无机膜技术将更具优势，而有机膜也是可能进行烟气捕碳的技术。目前各种用于气体分离的无机膜都正在被开发，其中无机膜以钯基膜产品的开发得到最迅速的发展，我国大连化物所已开发出具有非常可观分离参数的钯基膜。该产品已得到了电力行业的关注。现正与西安热工研究院针对电厂情况进行进一步考察研究。钯基膜一个比较大的问题是其分离的气体是而非二氧化碳，尾气中除富集了二氧化碳外，还有氮气和氢气等气体，这将对下一步气体的处理带来一定的困难：另外就是近期内仍有一些工程化过程中的问题没有解决，
很难达到工业级规模：有利的一方面是二氧化碳产品气仍保持高压，这减少了下游气体的压缩耗功。对于无机膜技术，据报道国内开发的技术近期在海南进行天然气捕集的规模试验，得到了浓度80％以上的二氧化碳气，这给膜技术在燃烧后的烟气进行捕集增添了新的选择。
4 低温分离技术
二氧化碳具有在31℃，7.39 MPa压力下，或在23～12 0C，1.59～2.38 MPa压力下液化的特性。低温法就是利用二氧化碳这一特性对烟气进行多级压缩和冷却使二氧化碳液化的方法。该方法的优点是二氧化碳分离效率和纯度都很高。但由于多次压缩等原因，因而能耗非常高。
三、二氧化碳的压缩与利用
(一)二氧化碳的压缩与运输
一般来说，电厂捕集的二氧化碳量非常巨大，必须经过压缩干燥后，再长距离输运到目的地。输运方式一般根据距离、输运量以及封存地来进行选择。管道轮船输运一般成本较低，但是，必须是在输运量很大的情况下才适合：而公路和铁路的输运更为灵活，成本却比管道和轮船昂贵，大致来说，铁路运输是水运和管道输运的2～5倍，而公路的运输成本达到了火车运输的3～4倍。输运要求的压力一般在10～15 MPa；如果二氧化碳中有水分存在，那么当温度小于10 0(=、压力大于1 MPa时，容易形成类似冰的固体颗粒，这将就会造成管道输送的堵塞，所以必须在输运前进行干燥脱水；除此之外，输运对气体成分的要求(IPCC)：CO：含量不小于95％、总硫含量的体积分数<1500×10～、N2<4％、CH化合物不超过5％、露点低于－30℃。
(二)二氧化碳的封存和利用
目前在研究的封存方案有多种，包括地质封存和矿石封存。
1 地质封存。把二氧化碳注入地表以下，有望实现大量二氧化碳的永久封存。这是当前研究最多的封存方案。二氧化碳被压缩至密集状态，然后泵入天然地质“库”，只要谨慎选择库址，就能使二氧化碳在地下长期封存并得到监测。目前认为比较合适的有海洋储存、地下蓄水层和废弃的油气井等。
(1)海洋储存。海洋储存潜力很大。释放深度一般是1000～3000m。实施的方案有管道输送和倾倒固体干冰等。但二氧化碳在海底的大量溶解，会不会造成对海底环境的危害等问题有待研究。
(2)地下蓄水层。适合二氧化碳存放的蓄水层一般是含盐的，并且深度在800
in以上。此种蓄水层在世界上分布很广，潜在的储存能力仅次于海洋。1996年，挪威国家石油公司已经开始进行商业规模的蓄水层储存二氧化碳工作，每年的储存量约为1 00万t。
(3)利用废弃的油、气井储存。将二氧化碳储存于废弃的油、气井中很容易被人们所接受。因为油、气井的地质结构已经很清楚，且表面和地下的一些设施也可以重新使用。
2 矿石碳化。一定条件下使得二氧化碳与天然形成的物质发生反应，将二氧化碳转化成对环境无害的固态矿物。矿石碳化方法的开发，目前仍处于实验室阶段，研究重点是如何加快反应速度。
3 化学利用。以二氧化碳为原料生产一些，能耗低、附加值高、使用量大和能永久储存二氧化碳的化工产品。目前主要研究有：①催化加氢：合成甲醇、甲烷和甲酸等：②高分子合成：合成聚碳酸酯、橡胶等：③有机合成：合成尿素衍生物等。但是此方法成本过高。目前还难于承受。
4 二氧化碳气驱强化采油(EOR)。EOR法中应用二氧化碳既可以提高原油的开采量，又可以部分存储在油井中减少向大气的排放。其原理是，将高压二氧化碳注入油田后与原油形成混合物，把原油推人生产油井。二氧化碳作为伴气随原油一起出地面后，经油气分离、重新压缩、补充后再注入油田中使用。这是一项较为成熟的技术，美国在20世纪70年代就有商业化应用。基于同样的思想，利用注入二氧化碳从煤层获得煤层气的技术(ECBM)，目前也正在工程实验中。
5 生物固化。一些水藻类浮游生物能够大量吸收二氧化碳，并将其转化为体内组织，它还具有无需对二氧化碳进行预分离的特点。但由于成本过高，目前难于承受。
6 氨吸收烟气中的二氧化碳生成化肥碳酸氢铵。这种方法通过向锅炉烟气中喷入氨来吸收二氧化碳，并生成碳酸氢铵。碳酸氢铵既可作为减排过程中二氧化碳的载体，同时也可作为肥料使用。
四、二氧化碳减排技术发展方向探讨
随着人们对环境的重视程度的提高，二氧化碳的减排技术是众多学者研究热点，并对其未来的发展做出了初步预测，主要有两种观点：
1 提高能源利用效率和转化效率。可以通过采用先进的洁净煤技术实现二氧化碳的大幅度减排。通过能源利用效率和转化率不仅可以有效的减少二氧化碳的污染。还可以节省能源。是二氧化碳减排的核心，也是众多国家研究的重点。
2 二氧化碳捕集、封存及储存利用，无论从设计、运行和观念上都是比较容易接受的，是最有希望大量减少二氧化碳排放量的方案之一其经济性有望与可再生能源之类的其他技术选型大致相当。
展望未来，最具希望的方案之一就是从资源、环境、能源一体化角度出发，构建近零排放的煤炭多联产系统。
参考文献：
[1]肖云汉，21世纪E3能源系统中国能源利用与环境[J]华北电力大学学报，2000(27增刊)：20 23
[2]倪维斗，李政，以煤气化为核心的多联产系统资源、能源、环境整体优化与可持续发展[J]，煤化工，2002(30增刊)：17
[3]陈晓进，国外二氧化碳减排研究及对我国的启示[J]，国际技术经济研究，2006，9(3)：21－25
[4]张军，李桂菊，二氧化碳封存技术及研究现状[J]，能源与环境，2007(2)：33－35
