CO2的捕集技术的研究进展

CO2的捕集技术的研究进展能科1306王雪颖学号：1131540619摘要：主要内容是介绍二氧化碳的捕集技术。

首先通过对气候变化的相关背景进行综述，引出对二氧化碳排放问题的重视，接下来对现有主要的二氧化碳捕集进行全面介绍，最后对发展二氧化碳减排技术的前景和潜力进行展望。

关键字：二氧化碳捕捉收集减排近年来，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。

1.含胺基官能团化合物溶液吸附溶液吸附法主要是利用含胺基官能团的化合物对二氧化碳进行化学吸附。

化学吸附法是利用CO2和吸附液之间的化学反应将CO2从排气中分离回收的方法。

典型的化学吸收剂有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇胺（MDEA）等。

此法为湿式吸收法可与湿式脱硫装置联合使用。

其反应式为：-CO此反应为一可逆反应，温度对反应有很大的影响，反应一般在38℃左右吸收CO2，吸收CO2，反应向右进行，当温度在100℃，反应向左进行，放出CO2。

化学吸收法目前存在的主要问题是：①由于在吸收塔内有起泡、夹带等现象，使烟气净化系统复杂，能量消耗和投资都很大；②由于烟气中含有少量的O2、CO、SO2等气体，在再生塔的高温条件下，一方面会与吸收液反应，使吸收液浓度下降，吸收效率降低，另一方面会腐蚀再生塔，影响设备寿命。

③处理高炉咽气时，由于反应的温度是在100℃以下，就要对高温气体换热，处理的设备增多，加大了投资。

2.基于氨的新工艺美国Powerspan公司开发了ECO2捕集工艺，可使用含水的氨溶液从电厂烟气（FG）中捕集CO2。

这是该公司与美国能源部国家能源技术实验室共同研究的成果。

BP替代能源公司与Powerspan公司正在开发和验证Powerspan公司称为ECO2基于氨的CO2捕集技术，并将使其用于燃煤电厂推向商业化。

这种后燃烧CO2捕集工艺适用于改造现有的燃煤发电机组和新建的燃煤电厂。

ECO2捕集工艺与Powerspan公司的电催化氧化技术组合在一起，使用氨水吸收大量二氧化硫(SO2)、氮氧化合物(NO x)和汞。

CO2加工步骤设置在ECO的SO2、NO x和汞脱除步骤的下游。

根据美国国家能源技术实验室等对使用含水的氨吸收CO2进行的研究表明，传统的单乙醇胺（MEA）工艺用于CO2脱除，CO2负荷能力（吸收每kg CO2/ks吸收剂）低，有高的设备腐蚀率，胺类会被其他烟气成分降解，同时吸收剂再生时能耗高。

比较而言，氨水加工有较高的负荷能力，无腐蚀问题，在烟气环境下不会降解，可使吸收剂补充量减少到最小，再生所需能量很少，而且成本大大低于MEA。

尤其是，NETL采用Powerspan公司开发的氨水工艺与常规胺类相比，有4大优点：蒸汽负荷小；产生较浓缩的CO2携带物；较低的化学品成本；产生可供销售的副产物实现多污染物控制。

[1]3.膜分离技术膜基吸收法是膜技术与气体吸收技术相结合的新型膜分离技术。

膜基吸收法是膜分离和液体吸收耦合的新型膜分离技术，适合二氧化碳捕集的膜材料是聚丙烯中空纤维，膜吸收液为活化的多胺水溶液，混合气体中二氧化碳组分优先通过膜，被水溶液吸收，然后废液经过膜蒸馏再生，其再生率超过98%。

不仅占地面积少，操作条件友好，且中空纤维膜面积巨大、二氧化碳通过率高、溶液再生率高，使得该法将成为主流趋势[2]。

4.海藻生物反应器去除CO2开发Chinchilla地下煤气化（UCG）从合成气制油的澳大利亚Linc能源公司2011年11月底宣布，与BioCleanCoal公司组建各持股60%和40%的合资企业，开发将工艺过程CO2转化为氧气和生物质用的海藻生物反应器。

该合资公司将开发生物反应器，通过光合成工艺将CO2转化为氧气和固体生物质，以持久地和安全地从大气中去除CO2。

Linc能源公司将在今后一年内投入100万澳元，开发原型装置，用于在Chinchilla地区运行。

BioCleanCoal 公司是生物技术公司，专长于利用海藻将CO2转化为氧气和生物质。

5.碱性离子交换纤维吴政、崔成名[3]等研究了强碱性离子交换纤维吸附CO2。

他们模拟气体吸附、解吸脱附过程，研究发现强碱性离子交换纤维可以较好地吸附CO2。

研究表明：含水量的变化对吸附影响最大，含水量大有利于纤维对气体的吸附；气体流速慢有利于对气体的吸附；交换柱的形状也影响吸附能力，细长的交换柱要比短粗的好。

6.离子液体吸附技术离子液体由于蒸气压力低，在脱碳过程中不会产生挥发性有机物，并且可以反复多次使用在美国能源部化石能源办公室和美国国家能源技术实验室的共同资助下，Jennifer L、王仲妮等进行了多种离子液体的吸附机理研究。

结果表明，在给定的离子液体对CO2有很大的选择性；同时发现离子液体具有很高的CO2吸收负荷和更低的再生热需求。

[4]7.空气清洗技术美国哥伦比亚大学的科学家2011年10月中旬宣布，正在加快开发从大气中直接捕集CO2的工业技术。

分析认为，这样可从分散的和移动的排放源捕集全球温室气体排放的50%，甚至无需完全采用碳捕集和贮存（CCS）技术，据统计，大的静止点排放源产生超过0.1Mt/年CO2。

由Frank Zeman提出的技术基于Klaus Lackner以前在哥伦比亚大学所作的工作，已確立了这一特定的空气捕集工艺过程的热动力学可行性。

空气洗涤过程需要多个步骤。

首先，NaOH碱溶液吸收CO2产生溶解性碳酸钠。

吸收反应是气液反应，为强放热反应。

2NaOH(ag) + CO2(g)→Na2CO3(aq)+ H2O(l)ΔH° = -109.4 kJ/mol 与氢氧化钙(Ca(OH)2)的反应可从溶液中去除碳酸钙离子，其结果是生成方解石(CaCO3)沉淀。

苛化反应是中等放热反应。

Na2CO3(aq) + Ca(OH)2(s)→2NaOH(aq) + CaCO3(s)ΔH° = -5.3 kJ/mol 接着，碳酸钙沉淀从溶液中被过滤出来，并被热分解产生气态CO2。

焙烧反应在过程中仅是放热反应。

CaCO3(s)→CaO(s) + CO2(g)ΔH° = +179.2 kJ/mol 方解石在石灰窑中用氧气进行热分解是为了避免附加的气体分离步骤。

石灰(CaO)的水合完全是循环的。

CaO(s) + H2O(l)→Ca(OH)2(s)ΔH° = -64.5 kJ/mol 采用CO2空气捕集的重要挑战之一是气体的浓度低：假定为50%的捕集率和80 ppm (0.015 mol/m3) CO2浓度，则必须处理大气中133 m3才能捕集1 mole CO2。

为此，要采用比常规烟气洗涤更大的洗涤器才能去除更多的气体。

洗涤器尺寸是吸收速率的函数，继而受到与空气流动相接触的溶液表面积和溶液的碱度所控制。

溶液的pH值影响单位表面积的吸收率，而结构则支配着单位体积的表面积。

随着CO2被吸收，溶液使NaOH转化为Na2CO3。

这就降低了气相中的CO2和液相中的OH，这两者都会使吸收器吸收速率下降。

吸收空气中的CO2越多就可更多地减少必须通过吸收器的空气总量，而这种吸收就可使所需涉及的液体面积减少。

最终的设计必须使这两个相矛盾的需求保持平衡。

Zeman计算了处理被捕集的350 kJ/mol CO2过程的能耗。

这一能耗主要是石灰窑的热能需求以及输送空气所需的机械动力[5]。

展望随着研究的不断深入和多种新兴技术的成熟，CO2捕集成本将进一步降低，并为CO2捕集技术的大规模部署做出贡献。

在现有捕集技术中，醇胺化学吸收法是成熟的CO2捕集方法。

未来能得到广泛应用的CO2主流捕集技术，取决于不同国家，各个学科的科研人员共同开发与研究的成果以及经济环境等因素的综合比较结果。

实现CO2的资源转化，不仅能生成有机燃料，合成其他有机化工原料，中间体或有机化工产品，同时还可以减少由其他化工原料反应而带来的环境污染问题。

目前研究虽然还不够成熟，但已经取得了一定的进展，前景是良好的，加强这方面的研究，使CO2有效地成为有用的化工资源，对解决环境问题、能源问题和化工原料问题都具有重大的意义。

参考文献：[1] Phan A, Doonan C J, Knobler C B, et al. Synthesis, structure and carbon dioxide capture properties of zeoliticimidazolate frameworks.[2] LI J L，C.B. H. Review of CO2 absorption using chemical solvents in hollow fiber membrane contactors. Separation and Purification Technology.[3]吴政，崔成名，田树盛。

强碱性离子交换纤维对二氧化碳吸附的研究[4]王仲妮，王洁莹，司友华，等。

咪唑类离子液体的研究进展。

[5] Klaus Lackner，Environmental Science & Technology。