碳中和二氧化碳捕捉路径分析.docx

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1、碳中和.二氧化碳捕捉路径分析C02的捕捉主要有三种路径：燃烧前脱碳技术、燃烧后脱碳技术 以及富氧燃烧技术。根据二氧化碳浓度、气流压力与燃料类型（固体 /液体）等因素的不同，可选择不同路径。以煤气化为例，采用燃烧 前脱碳技术相对昂贵，但是其高浓度与压力二氧化碳也节省了分离成 本。图表：C02的捕捉技术对比技术成熟度发展潜力技术煤天然气煤天然气燃烧前循环技术中-高-高-富氧燃烧技术中-高低高中-高燃烧后循环技术高高中-高中-高资料来源：CSLF Techinology Roadmap 2013从应用情况来看，燃烧后脱碳技术由于捕捉效率高，成本相对较 低，具有较好的经济性，因此得到了较为广泛的应用，

2、目前已投入商 业化运营的碳捕捉项目大多运用燃烧后脱碳技术。从具体吸收方法来 看，化学吸收、物理吸收、生物吸收、膜处理等技术路线目前在研较 多，其中化学吸收法应用最为广泛，其余处理方法受制成本/技术等 难题大多仍处工艺优化等阶段。图表：各类吸收方法优劣势比较方法主要原理吸收二氧化碳效 率优势劣势化学吸收二氧化碳和化学 吸附剂进行化学 反应中-高吸收量相对大， 经济性较好，部 分技术已经较为 成熟部分化学吸收剂 具有腐蚀性，存 在环境污染问题物理吸收二氧化氮在部分 物理吸附剂中溶 解度较高较高吸收量大，操作 简单运行能耗较高， 成本较高生物吸收光合作用低环境友好，可吸 收低浓度二氧化 碳，成本较低

3、吸收速度较慢膜分离薄膜度不同气体 的渗透率不同中-高吸收装置简单， 设备紧凑，投资 强度较低分离后二氧化碳 纯度较低，运行 能耗较高，薄膜 耐久性较差资料来源：CNKI一、化学吸收：应用最广泛，具有较好商业化前景化学吸收法是目前工业中应用最广泛的C02捕集方法。化学吸 收中，C02与吸收剂在吸收塔内发生化学反应，使得C02从原料气体 中分离出来，技术成熟，吸收速率快，净化度高，具有较好的商业化 前景，但是化学吸收法具有吸收后再生热耗大的缺陷。化学吸收法按 照使用吸收剂不同，可分为氨吸收法、热钾碱法、有机胺法、离子液 体吸收法等，其中有机胺法已广泛运用于我国的C02捕集示范项目 中。A氨吸收法：

4、是指利用氨基化合物与C02形成氨基甲酸盐的形 式来进行碳捕集，最新的研究进展发现邻苯二甲酰亚胺钾和聚乙烯亚 胺能够高效吸收2o氨法碳捕集技术在早期主要用于合成气脱碳生 产碳酸氢铉化肥，后续也有年产能达10万吨的氨吸收装置相继于美 国的Mountaineer电厂，挪威的Mongstad炼油厂等地投产。氨法脱 碳技术具有吸收速率快，吸收容量大、易再生等优点，但其缺陷也相 当明显，包括氨易挥发而造成的氨逃逸损失以及二次污染等问题。A热钾碱法：活化热钾碱法工艺已被广泛用于合成气、天然气、 制氢等工业过程气体的脱碳，世界上各种类型的热钾碱脱碳装置已逾 千套。其主要方法有碑碱法（GAZ）、本菲尔德法（Be

5、nfield）等。碑碱法 利用碳酸钾溶液与C02反应生成碳酸氢钾,C02再生是通过溶液的加 热使得碳酸氢钾分解，通过逆反应释放C02,同时再生后的碳酸钾溶 液可循环使用。改良热钾碱法工艺成熟，应用相当广泛，在我国改良 热钾碱法主要用于合成氨装置合成气中C02的脱除和回收。但由于 热钾碱法脱除C02的能耗较高和对设备腐蚀严重，因此近些年来， 有机胺法在工业界的应用更加广泛。A有机胺法：是目前应用较为广泛的方法之一，通过有机胺醇类 化合物中的氨基和羟基（促进水溶性）实现对C02的吸收，主要包 括乙醇胺（MEA）和N-甲基二乙醇胺法（MDEA）o MEDA工艺一般采用 45%50%的MDEA水溶液，

6、并添加适量的活化剂以提高二氧化碳的 吸收速率。此方法具有吸收量大、分离效率高、经济性好的优势，也 存在醇胺在吸收过程中能耗高（易挥发）、吸收到气流中的水需要额 外的干燥步骤、装置易腐蚀等问题。MDEA工艺于上世纪60年代开始开发，1971年第一套活性 MDEA工业装置在巴斯夫的一座德国工厂中投入生产应用。目前国内 已基本掌握活化MDEA工艺技术，并成功研制出活化MDEA复合脱 碳溶剂，目前中国在运的CCUS系统大多使用有机胺吸收法，以华能 石洞口年产10万吨CO2项目为例，据华能集团估算运行成本约450 元/吨，而产物食品级82售价在600-800元/吨以上，具有一定的经 济性。A离子液体吸收

7、法：离子液体优势突出，具有可调极性、非挥发 性、高稳定性，作为吸收剂吸收效率高，且没有腐蚀性，被认为是有 机胺的有力替代品。此法大多仍处实验室研发阶段，具体应用实例包 括超强碱和聚乙二醇催化体系、聚乙二醇功能化非质子型离子液体等。 但离子液体法成本相对较高，未来有待技术进一步改进。二、物理吸收：变压吸附具有较高应用潜力物理吸附法是指在一定条件下，利用水、甲醇、碳酸丙烯酯等溶 液或沸石，分子筛等材料作为吸附剂对烟气中的CO2进行选择性吸 附，然后通过改变某些条件（如温度、压力等）对吸附剂进行CO2解 吸，从而达到CO2分离的目的。物理吸收法可分为吸附精微法、压 缩冷凝法、膜分离法、催化燃烧法、变

8、压吸附法（PSA）等，其中PSA 操作简单、成本可控，应用潜力大。变压吸附效果优良，工业应用广泛。随着在吸附塔结构、循环设计、吸附剂等方面不断改进，变压吸附捕获CO2技术在工业上得到广泛的投产运用，其在C02回收率、纯度、能耗、成本投资等方面 都得到了显著的提高。日本是最先利用变压吸附技术分离C02的国 家，相继研发出活塞驱动式超快速变压吸附装置，固定分离塔等技术 用于C02分离。日本经济产业省自2012年起，在于北海道苫小牧市 投资建设二氧化碳减排技术的实证试验项目，该项目即采用大规模的 变压吸附装置（年产能10万吨）对炼油厂制氢设备的废气进行分离 富集82。图表：CO2变压吸附法节能CO,

9、PSA馥It传统（：0,45人装置废气J压气体天然气， ECO资料来源：Development of an Energy-SavingC02-PSA ProcessUsing Hydrophobic Adsorbent三、生物吸收：成本高，可持续性强生物吸收法是原始而有效的C02吸收方法。该法的主要原理就 是光合作用，空气中游离态的C02扩散进入植物细胞内部后，经过 植物体内的生物化学反应被吸收转化为有机物。生物吸收法可持续性 较强，可以以相对较低的成本对空气中现存的低浓度游离态C02进 行持续捕捉，但是其缺点也较为明显，即其吸收速度相对较慢，土地 面积需求高，且对较高浓度的C02处理效率相对

10、较低。除植物可进行C02生物吸收外，蓝藻等水生光合微生物也是高 效的C02生物吸收载体，它们完成了地球上百分之五十以上的光合 作用。相比植物，微生物在地球上的更加广泛，且抗逆性更强，在湖 泊、河流、海洋、温泉等不同生态环境内均可生存，较为适合进行培 育改造用于商业化C02吸收。目前国内已有部分微藻C02生物吸收项目进行中试，以新奥内 蒙古5000吨微藻生物柴油示范工程为例，其使用微藻对项目周边煤 化工工厂的废气中的CO2生物吸收，吸收完成后通过提炼生物柴油 获得收益。微藻进行CO2生物吸收初步解决了植物吸收效率相对较 低的难点，但其成本相对较高，还处于探索阶段，仍需进一步降低成 本提升其商业价值。四、膜处理及其他：技术快速推进膜分离法是利用不同气体组分对膜的渗透率差异来实现气体分 离的技术，当膜两侧存在压力差时，气体将自动由高气压渗透入低气 压方向，但是每种组分透过膜的渗透率不同，渗透率高的组分通过效 率更高，而渗透率低的气体则富集于薄膜进气侧，从而实现多种组分 气体分离。该方法简单便捷，但是分离精度低，通常将膜分离与化学 吸收法相结合。除此之外，新的CO2捕集技术正在不断研发中，如电化学法、化学链燃烧法、化学固定法、金属骨架法、固体胺法等。我们认为随着多种CO2的捕捉技术不断取得新的进展，将会更能满足全球多样 化的82捕集需求，为实现碳中和助力。