目前,主要有四種不同類型的CO2收集與捕獲系統(tǒng):

燃燒后分離(煙氣分離)、燃料前分離(富氫燃氣路線)、富氧燃燒和工業(yè)分離(化學(xué)循環(huán)燃燒),每種捕獲技術(shù)的技術(shù)特點及其成熟度見下表。

在選擇捕獲系統(tǒng)時,燃氣流中CO2濃度、燃氣流壓力以及燃料類型(固體還是氣體)都是需要考慮的重要因素。

對于大量分散型的CO2排放源是難于實現(xiàn)碳的收集,因此碳捕獲的主要目標(biāo)是像化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2的集中排放源。

針對排放的CO2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類:燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。

燃燒后系統(tǒng)介紹

燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離?；瘜W(xué)溶劑吸收法是當(dāng)前最好的燃燒后CO2收集法,具有較高的捕集效率和選擇性,而能源消耗和收集成本較低。除了化學(xué)溶劑吸收法,還有吸附法、膜分離等方法。

化學(xué)吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之間的可逆化學(xué)反應(yīng)。由于燃煤煙氣中不僅含有CO2、N2、O2和H2O,還含有SOx、NOx、塵埃、HCl、HF等污染物。雜質(zhì)的存在會增加捕獲與分離的成本,因此煙氣進入吸收塔之前,需要進行預(yù)處理,包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等。

煙氣在預(yù)處理后,進入吸收塔,吸收塔溫度保持在40~60℃,CO2被吸收劑吸收,通常用的溶劑是胺吸收劑(如一乙醇胺MEA)。然后煙氣進入一個水洗容器以平衡系統(tǒng)中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與溶劑蒸汽,之后離開吸收塔。吸收了CO2的富溶劑經(jīng)由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100~140℃和比大氣壓略高的壓力下得到再生。水蒸汽經(jīng)過凝結(jié)器返回再生塔,而CO2離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運回吸收塔。

富氧燃燒系統(tǒng)介紹

富氧燃燒系統(tǒng)是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質(zhì)。燃燒產(chǎn)物主要是CO2和水蒸氣,另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全,以及燃料中所有組成成分的氧化產(chǎn)物、燃料或泄漏進入系統(tǒng)的空氣中的惰性成分等。經(jīng)過冷卻水蒸汽冷凝后,煙氣中CO2含量在80% ~98%之間。這樣高濃度的CO2經(jīng)過壓縮、干燥和進一步的凈化可進入管道進行存儲。CO2在高密度超臨界下通過管道運輸,其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流,其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO2需要經(jīng)過干燥以防止在管道中出現(xiàn)水凝結(jié)和腐蝕,并允許使用常規(guī)的炭鋼材料。

在富氧燃燒系統(tǒng)中,由于CO2濃度較高,因此捕獲分離的成本較低,但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產(chǎn)主要通過空氣分離方法,包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸餾。

燃燒前捕獲系統(tǒng)介紹

燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個階段的反應(yīng)。

首先，化石燃料先同氧氣或者蒸汽反應(yīng),產(chǎn)生以CO和H2為主的混合氣體(稱為合成氣),其中與蒸汽的反應(yīng)稱為“蒸汽重整”,需在高溫下進行;對于液體或氣體燃料與O2的反應(yīng)稱為“部分氧化”,而對于固體燃料與氧的反應(yīng)稱為“氣化”。待合成氣冷卻后,再經(jīng)過蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng),使合成氣中的CO轉(zhuǎn)化為CO2,并產(chǎn)生更多的H2。最后,將H2從CO2與H2的混合氣中分離,干燥的混合氣中CO2的含量可達15%~60%,總壓力2~7MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲,H2被用作燃氣聯(lián)合循環(huán)的燃料送入燃氣輪機,進行燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離CO2的方法包括:變壓吸附、化學(xué)吸收(通過化學(xué)反應(yīng)從混合氣中去除CO2,并在減壓與加熱情況下發(fā)生可逆反應(yīng),同從燃燒后煙道氣中分離CO2類似)、物理吸收(常用于具有高的CO2分壓或高的總壓的混合氣的分離)、膜分離(聚合物膜、陶瓷膜)等。

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