二氧化碳捕獲技術用於去除氣流中的二氧化碳或者分離出二氧化碳作為氣體產物。捕獲是碳捕獲與封存(carbon capture and storage，簡稱CCS技術)的第一步。二氧化碳在運輸和封存時需要以較高的純度存在，而在大多數情況下工業尾氣中二氧化碳的濃度達不到這個要求，所以必須從尾氣中將二氧化碳分離出來，這一過程稱為二氧化碳的捕獲。二氧化碳捕獲技術可以分為化學吸收、物理 吸收、物理吸附、膜分離、深冷分離等若干類別，在套用時需要根據二氧化碳排放源的實際特點和參數等進行捕獲方式和設備的選擇。
碳捕獲過程在石油、化學和電力工業的套用已有幾十年的歷史。採用當前技術在典型的發電廠捕獲全部或3/4二氧化碳，需要比一般設備大出許多數量級的設備—高成本、高耗能的選擇。
基本介紹
- 中文名稱：二氧化碳捕獲技術
- 外文名：CO2 capture technology
- 學科：環境工程
- 適用領域：大氣污染控制
- 性質：技術
- 方法：化學吸收、物理吸收等
概念與套用領域,技術特點和發展現狀,二氧化碳捕獲原理和性能,化學吸收法,物理吸收法,物理化學吸收法,新型捕獲技術,主要二氧化碳捕獲系統,
概念與套用領域
捕獲是碳捕獲與封存(carbon capture and storage，簡稱CCS技術)的第一步。二氧化碳在運輸和封存時需要以較高的純度存在，而在大多數情況下工業尾氣中二氧化碳的濃度達不到這個要求，所以必須從尾氣中將二氧化碳分離出來，這一過程稱為二氧化碳的捕獲。
電力行業是CCS技術套用的主要領域。化石燃料燃燒釋放的二氧化碳是最主要的溫室氣體來源，其中發電行業的排放量占比最大。2007年，中國發電行業排放的二氧化碳約28億噸，一座中等規模（400〜600 MW)的燃煤發 電廠每年排放的二氧化碳在數百萬噸。發電行業具有能耗高、二氧化碳排放量大且集中等特點。與汽車尾氣和居民生活排放的二氧化碳相比，這種來源固定、量大且集中的二氧化碳排放方式更易於統一處理。在世界範圍內，發電行業是CCS技術套用的主要領域。
煤炭的綜合利用是CCS套用的另一重要領域。中國是富煤國家。在中國發展CCS，應該首先考慮與煤炭的利用相結合。在煤炭開採和利用的全生命周期中，不僅燃煤電廠會釋放出二氧化碳，煤炭開採前、開採 中以及加工利用和轉化的各個環節也都將產生二氧化碳以及溫室效應更大的煤層氣（主要成分是甲烷氣體，其溫室效應是二氧化碳的21倍）。通常，這 些過程會產生以高濃度形式存在的副產品二氧化碳，對其進行捕獲所需要耗 費的能魅將低於對燃煤電廠的二氧化碳的捕獲。因此，如果能實現從煤炭開 採到煤炭綜合利用的全生命周期的清潔化，那么比單純地捕獲煤炭燃燒所產 生的二氧化碳更符合中國國情。
技術特點和發展現狀
根據捕獲機理的不同，二氧化碳捕獲技術可以分為化學吸收、物理 吸收、物理吸附、膜分離、深冷分離等若干類別，在套用時需要根據二氧化碳排放源的實際特點和參數等進行捕獲方式和設備的選擇。在幾種 主要的捕碳技術中，化學吸收和物理吸收方法相對來說是最成熟的，在 化工行業已經得到了廣泛的套用。另外，我國業已建成的三套煤粉電廠 煙氣燃燒後的捕獲示範裝置也都是採用了化學吸收捕獲方式，只不過捕獲的規模都比較小（規模最大的為105 t/y)，尚未達到大幅減碳的規模要求，而且還面臨著一定的技術放大和成本降低的問題。除化學吸收和 物理吸收方法外，物理吸附法、膜分離法和深冷分離法技術迄今尚未成熟，基本還處於概念驗證或是小型試驗階段，尚有許多技術細節及問題有待解決。
由於所利用的捕獲原理不同，各種捕獲技術的性能特點也各不相同，因此適用場合也有所差別。目前，一般的共識是，對於二氧化碳分壓低的煙氣，宜採用捕獲能力強的化學吸收方法；對於二氧化碳分壓高的煙氣，可以考慮使用捕獲能耗低的物理吸收法。至於另外三種主要的捕獲方法，由於其尚未完全成熟，所以仍無法準確地判斷其各自的適用場合。
二氧化碳捕獲原理和性能
化學吸收法
化學吸收二氧化碳是利用化學試劑與二氧化碳之間的化學反應將二氧化 碳從煙氣中分離出來的方法。利用某些化學試劑能夠與 CO2反應生成化合物的性質捕獲CO2。適合CO2濃度/分壓低的場合，如燃煤電廠、水泥廠、鋼鐵廠的煙氣捕獲等。基本成熟，已有工業示範，裝置規模小。
物理吸收法
物理吸收捕獲是利用某些物理溶劑對二氧^碳的溶解度遠大於煙氣中其 他組分的特性實現二氧化碳與其他組分的分離。目前使用物理試劑的捕獲工 藝主要有兩大類：一類使用聚乙二醇二甲醚作為捕獲試劑，典型工藝包括聯 合碳化物公司開發的Selexol工藝以及我國南化集團研究院開發的NHD工藝；另外一類採用甲醇作為捕獲試劑，典型工藝是德國林德公司和魯奇公司 聯合開發的Rectisol低溫甲醇洗工藝。
物理化學吸收法
除純粹的化學#收捕獲法和物理吸收捕獲法外，一些企業還開發出了針對化學試劑和物理試劑相混合的混合試劑的捕獲工藝，以利用化學吸收捕獲和物理吸收捕獲方法的性能優勢，這被稱為物理化學吸收捕獲法。
新型捕獲技術
A 吸附分離技術
吸附分離技術利用吸附劑表面活性點與不同氣體分子之間吸引力的差異 實現不同氣體組分的分離。吸附劑的氣體處理能力一般與吸附劑的比表面積 有關，比表面積越大，則吸附劑的氣體處理能力越強。所以，吸附劑一般都 是多孔材料，常用的吸附劑包括分子篩、活性炭、矽膠和活性氧化鋁等，或是採用某兩種或幾種吸附劑的組合。研究結果顯示，由於二氧化碳的分子空間結構、分子極性等固有的性質，絕大多數吸附劑對二氧化碳的吸附能力都比甲烷、一氧化碳、氫氣和氮氣等其他氣體大，因此絕大多數吸附劑都可以用於二氧化碳的分離。
B 吸附分離技術
膜分離是利用不同氣體組分在一些膜材料中滲透速率不同的特點實現二 氧化碳分離的捕獲方法。膜分離技術的核心是確定對不同氣體組分具有選擇透過性的膜材料，多為半滲透的非多孔介質膜。氣體在膜中滲透遵循的是溶解-擴散機理，即吸 附在膜的一側表面的氣體分子溶解，並在濃度差的作用下向膜中擴散、移動，然後從膜的另一側解析出來。由於不同氣體在膜中的溶解擴散速率不同，因此可以實現不同氣體組分的分離。
主要二氧化碳捕獲系統
要實現對煙氣中的二氧化碳捕獲的目的，需要對二氧化碳排放源進行技術改造，安裝二氧化碳捕獲系統。通常來說，根據在化石能源生命周期各過程中捕獲二氧化碳的位置不同，可將適用於電廠的捕獲技術分為“燃燒後捕獲”、“燃燒前捕獲”和“富氧燃燒”三種。
燃燒後捕獲是指，在燃燒設備（鍋爐、燃氣機等）的煙氣中捕獲二氧 化碳。但由於電廠尾氣中二氧化碳濃度通常介於3%~13%，而適合低濃度二氧化碳分離的化學吸附工藝需要消耗較多的中低溫飽和蒸汽以用於吸附劑 再生，導致系統效率損失。
燃燒前捕獲是指，利用煤氣化或天然氣重整可以將化石燃料轉化為主要 成分為一氧化碳和氫氣的合成氣，進一步通過水煤氣變換反應可以將合成氣體中的一氧化碳轉化為二氧化碳和氫氣，最後將二氧化碳分離出來。這一捕獲 方法稱為燃燒前捕獲或燃料氣捕獲。
富氧燃燒是針對常規空氣燃燒會稀釋的缺陷所提出的純氧燃燒的氧氣/ 二氧化碳循環概念。氧氣/二氧化碳循環採用純氧作為氧化劑，燃燒產物主 要為二氧化碳和水，通過透平膨脹和餘熱鍋爐放熱後剩餘的二氧化碳的濃度 約為80%，易於分離。
各種捕獲方法有其不同的適用場合：燃燒後捕獲可以用於煤粉電廠煙氣、水泥廠煙氣、鋼鐵廠煙氣等的捕獲；燃燒前捕獲可以用於涉及煤炭氣化 的整體煤氣化聯合循環（IGCC)發電廠、基於煤基合成氣的煤化工廠等的捕獲；富氧燃燒技術可以用於現有化石燃料燃燒裝置的技術改造，將這些裝 置由空氣助燃改造為氧氣助燃，從而實現二氧化碳捕獲。
燃燒前捕獲技術在煤化工行業已經有了廣泛的套用，只是規模較採用 商業化捕獲裝置的要小一些。另外，我國綠色煤電公司正在天津建設的 250 MW整體煤氣化聯合循環發電廠，就計畫在建成之後實施二氧化碳的燃燒前捕獲。富氧燃燒技術發展相對滯後一些，迄今世界範圍內只有德國的黑泵電廠建成了一座30 MW的示範裝置。
無論是適用範圍、效率損失、成本，還是技術發展階段，都各有優劣，目前尚難以確定大規模推廣CCS時採用何種方法，需要在前期的示範項目中進行實證研究。
