燃煤烟气行业碳捕获与存储技术研究进展

全球气候变暖背景下，减少 C0₂ 等温室气体排放成核心问题。CO₂ 过量排放导致碳失衡、气候变暖，引发冰山融化、海平面上升等，危害社会经济与人类生存。但 CO₂ 也是潜在碳资源，应用广泛。各国因此采取提高能源效率、开发新能源、增强生物碳汇等减排措施。其中，CO₂ 捕获与封存技术因高效减排能力受关注，然而其富集再利用成本高，故高效、环保、节能的相关技术成为各国研究重点。

1、燃煤烟气中二氧化碳捕集技术

燃煤烟气主要来自传统燃煤电站、整体煤气化联合循环电站（IGCC）和富氧燃烧型电站。我国多数是传统燃煤电站，后两类主要在少数欧美国家。二氧化碳捕集技术分燃烧后、燃烧前捕集及富氧燃烧技术。燃烧后捕集是从燃烧排放烟气中富集低浓度二氧化碳，因浓度低、气体流量大，需庞大运行系统，能耗高。燃烧前捕集是在碳基燃料燃烧前转移化学能并分离碳与其他物质，典型应用是 IGCC，但该技术投资高、可靠性待提升。富氧燃烧技术沿用传统流程，靠制氧提高烟气中二氧化碳浓度，适用于新机组和改造机组，不过制氧投资和能耗过高，需低成本制氧技术。

2、二氧化碳的捕获技术

2.1 吸收法

吸收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。按照吸收剂的不同类型可以以分为化学吸收和物理吸收。物理吸收法是指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。

化学吸收是指 CO₂ 与吸收剂进行反应而生成一种弱联结的化合物达到回收CO₂ 的目的，并利用其进行逆反应进行吸收剂再生。但仍有许多缺点：吸收剂容易发生氧化降解使得吸收性能降低，同时还会造成溶液粘度增加，不利于气体的传输；吸收剂及其降解物在再生的时候容易挥发，使其吸收能力下降；另外吸收剂的强碱性对设备的腐蚀作用特别严重；操作较繁琐，再生耗能高。目前用于二氧化碳的吸收材料主要有醇胺类、离子液体、金属化合物、陶瓷、沸石分子筛、炭基吸附材料和新型复合捕获材料。

（1）醇胺类

目前常用的吸附剂是醇胺类溶液，包括一级醇胺、二级醇胺、三级醇胺及立体障碍醇胺。其中立体障碍醇胺也是国外相当多研究及工业单位所重视的研发项目之一。

（2）离子液体

离子液体是一种新型的熔融盐物质，其阳离子一般体积较大，带有烷基取代基的有机离子。离子液体不仅具有许多优异的物理、化学性质，而其性质可以通过阴离子、阳离子和烷基取代基的设计和变化来调控，以适应不同的功能需求。离子液体的蒸汽压低，在脱碳过程中不会产生挥发性物质，对设备的腐蚀性较小，同时还可以多次重复使用。

（3）金属化合物

用于捕获二氧化碳的金属化合物主要分为金属氧化物（ Na₂O 、 K₂O 、CaO、MgO、 Al₂O₃ 等）和碱金属盐（碳酸钙、硅酸盐、硅酸锂等）。由于二氧化碳是酸性气体，容易吸附在略带碱性的材料表面，且在高温下金属氧化物均有较好的吸附能力，因此金属化合物材料通常属于高温吸附剂，反应生成的碳酸盐在高温下能重新分解成金属氧化物和二氧化碳。目前钙基、锆基和锂基吸收剂都是研究方向。

（4）陶瓷材料

锆酸锂、硅酸锂等含锂陶瓷材料具有很好的吸附二氧化碳性能，所以目前对陶瓷材料的研究也正在研究中。2001 年，日本东芝公司成功开发出硅酸锂---一种用于吸收二氧化碳的新型陶瓷材料。该材料吸收二氧化碳的能力超过了其它陶瓷材料，且可在室温条件吸收 C0₂ ，硅酸锂的 CO₂ 吸收率比传统的锆酸锂和锆过渡金属氧化物高30 倍。

（5）沸石分子筛材料

沸石分子筛是天然或者人工合成的含碱金属或碱土金属氧化物的结晶硅铝酸盐，有严格的结构和空隙，可对不同分子量物质进行分离。沸石分子筛材料的吸附性能主要取决于较大比表面和其表面的电性质。

（6）炭基吸附材料

炭基吸附材料是一种最为常见的吸附剂，包括活性炭和活性炭纤维、多孔炭材料等。它们具有发达的空隙结构、大的比表面积、优良的吸附性能和稳定物理化学性能，广泛的应用于吸附分离、净化和催化领域。

（7）新型复合捕获材料

复合材料是由两种或者两种以上的不同性质的材料通过物理或者化学方法在宏观上组成的具有新性能的材料。近年来复合材料由于其优越性能越来越多的用在 CO_γ 吸附方面，具有典型代表的有水滑石类混合吸附材料、复合型胺基吸附纤维、介孔复合材料及复合纳米材料等。

2.2 吸附法

吸附法是指在一定的条件下通过吸附剂对二氧化碳进行选择性的吸附，然后通过改变条件将 CO₂ 解析，从而达到分离 CO₂ 的目的。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。

2.3 膜分离法

膜分离法是一种投资少、能耗低、设备紧凑维修方便等优点，但是膜分离法技术还处于发展阶段。膜分离法的材料主要分为无机膜和有机膜，根据IGCC处理气体的特点，无机膜技术将更具有优势。目前各种用于气体分离的无机膜正在被开发，我国的大连化物所也已经开发出了具有一定效果的钯基膜。

2.4 低温分离技术

二氧化碳在 31℃， 7.39MPa 压力下，或在 23-12‰ ，1.59-2.38MPa 压力下液化的特性。低温分离法就是利用二氧化碳的这一物理性能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。但是由于多次压缩等原因，因而能耗非常高。

3、二氧化碳的存储技术

3.1 地质封存

把二氧化碳注入地表以下，实现大量 CO_γ 永久封存。可用于地质封存的有石油和天然气储层、深盐沼池构造和不可开采的煤层。将 CO₂ 注入不同的地质体中，储存深度一般在 800m 以下，这样的深度的温压条件可以保持 CO₂ 为液态。目前地质封存已经是一项较为成熟的技术，已经被广泛应用。

3.2 海洋封存

海洋封存是指将二氧化碳通过轮船或者管道运输到深海海底进行封存。海洋的存储潜力大，释放深度一般是 1000-3000m, 。但是目前海洋封存还存在技术上的不确定性，对海洋生物和海洋环境也存在较大的风险。

3.3 化学封存

化学封存是指通过化学反应将 CO₂ 转化成无机矿物性碳酸盐从而达到几乎永久性的存储。如以二氧化碳为原料生产一些能耗低、附加值高、使用量达和能永久存储的二氧化碳的化工产品。这方面的存储技术仍处于研究阶段，其经济可行性和减排效率也存在很大的不确定性。

4、结语

综上所示，二氧化碳的减排技术要综合考虑各个因素，然后确定采用合适的捕获技术和封存方法。二氧化碳的减排技术的发展在未来主要存在以下三个方面：

（1）提高能源利用效率和转化效率，采用先进的洁净煤技术实现 CO₂ 的大幅度减排。通过此种方法不仅可以有效地减少二氧化碳的污染，还可以节约能源，这是节能减排的核心。

（2）二氧化碳捕获和封存，是最有希望大量减少二氧化碳排放量的方案之一，具有一定经济性。

（3）开发新型能源替代现有煤燃料，以实现工业中二氧化碳的零排放

另外，作为一种减排新技术，碳捕获和封存仍存在技术方法、法律、风险评估等许多问题需要深入的研究。我国应该吸收各国的新技术，自主创新，开发出适合我国国情节能减排新技术，以此来实现可持续发展。

参考文献：

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