二氧化碳捕集技术概览

二氧化碳捕集技术概览

碳捕集主要有三种技术路线：燃烧前捕集、燃烧中捕集（全氧燃烧）、燃烧后捕集。

一、燃烧前捕集技术

●燃烧前捕集是指在燃料燃烧前将其中的含碳组分分离出来，主要用于整体煤气化联合循环IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）电站。在IGCC电站中引入水煤气变换单元，使煤气中的CO与水蒸气反应生成CO2和H2，而后对其中的CO2进行分离。燃烧前捕集可以避免常规燃煤电站燃烧后捕集烟气流量大、CO2浓度低的缺点，被认为是未来最有前景的碳捕集技术路线之一。目前可应用于燃烧前捕集的CO2分离技术主要有物理吸收法（以Selexol法为代表）及化学吸收法（以MDEA法为代表）。

●IGCC捕集电站的气化炉类型、气化方式（空气/氧气气化）、煤气冷却及除尘方式、CO2分离方法以及捕集率的选择问题。针对不同类型气化炉的IGCC捕集电站，得到了技术经济性最优时的系统流程配置，获得了CO2减排成本最低时的捕集率（85%-90%）。研究表明，在现有技术水平下，IGCC电站考虑CO2捕集以后，系统的供电效率将下降6-11个百分点，发电成本增加20-40%；输运床气化IGCC捕集电站的供电效率比其他气化炉电站高1.4-2.1个百分点，发电成本低8-11%。此外，对考虑CO2捕集的IGCC及常规煤粉PC（Pulverizedcoal）电站的供电效率、比投资、发电成本及CO2减排成本进行了比较。结果表明，考虑CO2捕集后，IGCC电站供电效率的降低、比投资及发电成本的升高程度均低于PC电站，IGCC电站的CO2减排成本比PC电站低约35%。

二、燃烧中碳捕集技术-富氧（纯氧）燃烧

富氧燃烧是由富氧气体（O2浓度>20.947%）与抽回的部分烟气组成的混合气体来替代空气进行燃烧，使得烟气中CO2浓度不断升高，便于CO2的压缩与分离，分离后的CO2可直接进行处理和封存；富氧燃烧在钢铁、玻璃、水泥等领域均有应用；优点：改造相对简单、易规模化、适于存量机组改造；理论上CO2浓度可高达80%以上；缺点：制氧设备投资高、能耗高、成本高。

纯氧燃烧（富氧100%）显著优势：节能+环保+碳捕集一体化

●节能：以天然气燃烧为例，

空气助燃：

CH4+2O2+7.5N2→CO +2H2O+7.5N2

纯氧燃烧：CH4+2O2→CO2+2H2O

空气中氮气约占78%，正常燃烧时大量氮气没有参与燃烧，无效加热后排出，带走大量热量，大大增加了能耗；而纯氧燃烧时助燃气体为纯氧，几乎不含有氮气，没有无效加热，所以纯氧燃烧热效率更高，能耗更低；钢铁行业钢包烘烤工序大量使用，比常规技术节能10%-50%；

●环保：烟气中的污染物氮氧化物95%为热力型NOX（原料型及燃料型NOX仅约5%），产生原因是N2与没有完全参与燃烧的O2高温下发生反应，温度越高NOX浓度越高；采用纯氧作为助燃气体时，进入反应器内的氮气量很少（密封不好造成的，理论上为零），热力型Nox生成量大大减少，脱硝成本会大幅度下降；

●增产：纯氧燃烧时燃烧完全，火焰温度高，产物主要为CO2和H2O，辐射能力强，火焰辐射温度可提高100 ℃左右，有利于受热体快速升温；

●碳捕集：天然气纯氧燃烧后的烟气中CO2浓度最高可达90%-95%。

某钢铁企业纯氧燃烧案例技经参数

氧气价格为0.36元/Nm3，转炉煤气价格为0.2元/Nm3，转炉煤气热值为1150kcal，氧气系数为0.22。按照原吨钢 30Nm3转炉煤气再节约量>55%。

原来成本：30×0.2=6元/吨

现在成本

燃气成本：30×0.45×0.2=2.7元

氧气成本：30×0.45×0.21×0.36=1.02

综合成本：2.7+1.02=3.72

成本节约率：（6-3.72）/6=38%

在提升烘烤温度，缩短烘烤时间的背景下，燃料节约>55%，成本节约>38%。

三、燃烧后碳捕集技术

碳捕集技术主要有化学吸收法、固体吸附法、变压吸附法、膜分离法和深冷法。

（一）化学吸收法

烟气经预处理后进入吸收塔，自下向上流动，与顶部自上而下的吸收剂形成逆流接触，碱性吸收剂与烟气中CO2发生化学反应形成不稳定的化合物，脱碳后的烟气从吸收塔顶排出；吸收CO2的吸收剂为富液，经富液换热器升温后进入再生塔进行解析释放出CO2，解析后的CO2连同水蒸气冷却后，除去水分后得到高纯度CO2气体；解析CO2后的吸收剂为贫液，由再生塔底流出，经贫液换热器换热后进入吸收塔循环吸收CO2。

优点：吸收速率快；吸收容量大；可处理CO2浓度低、分压低的烟气；可处理大烟气量；适用范围广。

（二）固体吸附法

固体吸附典型工艺系统由吸附和脱附两个反应器组成：烟气先进入低温吸附塔，吸附剂吸附烟气中CO2，经过旋风分离器将富含CO2的吸附剂送至高温脱附塔（蒸汽加热）进行解析，释放其捕捉的CO2；解析再生后的吸附剂经过冷却器进行冷却后，返回吸附塔循环吸附CO2；

优点：与化学吸收法相比无溶剂参与，工艺过程简化，无设备腐蚀，节能降耗明显；缺点：吸附剂用量比较大，吸附解析比较频繁；一般适用于CO2浓度高、分压高的烟气；适用于CO2提纯。

（三）变压吸附法

变压吸附技术基于一个核心原理：吸附剂（一种多孔固体材料）在不同压力下对混合气体中不同组分的吸附能力不同。

吸附阶段：在较高压力下，烟气中的CO₂分子会被吸附剂优先大量吸附，而氮气（N₂）、氧气（O₂）等其它气体组分不易被吸附，从而穿过吸附塔，作为净化气排出。

解吸阶段：当吸附剂饱和后，通过降低系统压力（甚至抽真空），使被吸附的CO₂分子从吸附剂上脱附出来，从而得到高浓度的CO₂产品气，同时吸附剂也获得再生，可重新用于下一个吸附循环。

一般适用于分压高的烟气；适用于CO2提纯。

（四）膜分离法

膜分离法：利用CO2与其他气体在不同膜材料中渗透速率不同，渗透速率相对快的气体透过膜后富集于膜的渗透侧，而速率慢的则留在滞留侧，从而实现气体分离；渗透速率与气体分子性质、膜的性质、渗透气体与膜的相互作用有关；

优点：能耗低、无溶剂挥发、占地面积小等；

缺点：能耗高；一般适用于CO2浓度高、分压高的烟气；不适于处理大流量的烟气；适用于CO2提纯。

（五）深冷分离法

深冷分离法：通过加压降温使气体液化，利用CO2与其他气体沸点不同实现CO2的分离；

优点：无化学或物理吸收剂的使用，不存在吸收剂腐蚀等问题；水耗较少；深冷法分离出的液态CO2更利于运输及封存；

缺点：能耗高；设备投资较大；不适于处理较大流量的烟气；一般适用于CO2浓度高、分压高的烟气；

适用于CO2提纯。

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