碳捕获技术简介
目前,主要有四种不同类型的CO2收集与捕获系统:
燃烧后分离(烟气分离)、燃料前分离(富氢燃气路线)、富氧燃烧和工业分离(化学循环燃烧),每种捕获技术的技术特点及其成熟度见下表。
在选择捕获系统时,燃气流中CO2浓度、燃气流压力以及燃料类型(固体还是气体)都是需要考虑的重要因素。
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对于大量分散型的CO2排放源是难于实现碳的收集,因此碳捕获的主要目标是像化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂、合成氨厂等CO2的集中排放源。
针对排放的CO2的捕获分离系统主要有3类:燃烧后系统、富氧燃烧系统以及燃烧前系统。
燃烧后系统介绍
燃烧后捕获与分离主要是烟气中CO2与N2的分离。化学溶剂吸收法是当前最好的燃烧后CO2收集法,具有较高的捕集效率和选择性,而能源消耗和收集成本较低。除了化学溶剂吸收法,还有吸附法、膜分离等方法。
化学吸收法是利用碱性溶液与酸性气体之间的可逆化学反应。由于燃煤烟气中不仅含有CO2、N2、O2和H2O,还含有SOx、NOx、尘埃、HCl、HF等污染物。杂质的存在会增加捕获与分离的成本,因此烟气进入吸收塔之前,需要进行预处理,包括水洗冷却、除水、静电除尘、脱硫与脱硝等。
烟气在预处理后,进入吸收塔,吸收塔温度保持在40~60℃,CO2被吸收剂吸收,通常用的溶剂是胺吸收剂(如一乙醇胺MEA)。然后烟气进入一个水洗容器以平衡系统中的水分并除去气体中的溶剂液滴与溶剂蒸汽,之后离开吸收塔。吸收了CO2的富溶剂经由热交换器被抽到再生塔的顶端。吸收剂在温度100~140℃和比大气压略高的压力下得到再生。水蒸汽经过凝结器返回再生塔,而CO2离开再生塔。再生碱溶剂通过热交换器和冷却器后被抽运回吸收塔。
富氧燃烧系统介绍
富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的介质。燃烧产物主要是CO2和水蒸气,另外还有多余的氧气以保证燃烧完全,以及燃料中所有组成成分的氧化产物、燃料或泄漏进入系统的空气中的惰性成分等。经过冷却水蒸汽冷凝后,烟气中CO2含量在80% ~98%之间。这样高浓度的CO2经过压缩、干燥和进一步的净化可进入管道进行存储。CO2在高密度超临界下通过管道运输,其中的惰性气体含量需要降低至较低值以避免增加CO2的临界压力而可能造成管道中的两相流,其中的酸性气体成分也需要去除。此外CO2需要经过干燥以防止在管道中出现水凝结和腐蚀,并允许使用常规的炭钢材料。
在富氧燃烧系统中,由于CO2浓度较高,因此捕获分离的成本较低,但是供给的富氧成本较高。目前氧气的生产主要通过空气分离方法,包括使用聚合膜、变压吸附和低温蒸馏。
燃烧前捕获系统介绍
燃烧前捕获系统主要有2个阶段的反应。
首先，化石燃料先同氧气或者蒸汽反应,产生以CO和H2为主的混合气体(称为合成气),其中与蒸汽的反应称为“蒸汽重整”,需在高温下进行;对于液体或气体燃料与O2的反应称为“部分氧化”,而对于固体燃料与氧的反应称为“气化”。待合成气冷却后,再经过蒸汽转化反应,使合成气中的CO转化为CO2,并产生更多的H2。最后,将H2从CO2与H2的混合气中分离,干燥的混合气中CO2的含量可达15%~60%,总压力2~7MPa。CO2从混合气体中分离并捕获和存储,H2被用作燃气联合循环的燃料送入燃气轮机,进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电。
这一过程也即考虑碳的捕获和存储的煤气化联合循环发电(IGCC)。从CO2和H2的混合气中分离CO2的方法包括:变压吸附、化学吸收(通过化学反应从混合气中去除CO2,并在减压与加热情况下发生可逆反应,同从燃烧后烟道气中分离CO2类似)、物理吸收(常用于具有高的CO2分压或高的总压的混合气的分离)、膜分离(聚合物膜、陶瓷膜)等。
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