化學(xué)吸收法

• 設(shè)備與流程 ：煙氣先經(jīng)脫硫、脫硝，由引風(fēng)機(jī)從吸收塔底部進(jìn)入，吸收液從吸收塔頂部噴淋而下，煙氣和吸收液在塔內(nèi)接觸反應(yīng)，吸收液吸收煙氣中的 CO?變成富液。富液經(jīng)富液泵送至解吸塔，再沸器加熱富液至 100℃-120℃，富液分解釋放出 CO?，實現(xiàn) CO?分離與回收，吸收液則循環(huán)再生。
• 吸收塔 ：是化學(xué)吸收法的核心設(shè)備之一，為氣液兩相提供充分的接觸傳質(zhì)空間，使吸收劑能有效吸收煙氣中的 CO?。吸收塔的結(jié)構(gòu)和操作條件，如塔徑、塔高、填料或塔板的類型等，會影響吸收效率和壓降。通常選用呈堿性的化學(xué)吸收液，如醇胺、鉀堿和氨水等。
• 解析塔 ：又稱再生塔，其作用是將富液中的 CO?解析出來，使吸收劑得以再生并循環(huán)使用。解析塔內(nèi)的溫度、壓力和氣液比等條件對解析效果和能耗有重要影響。

物理吸收法

• 原理與流程 ：在加壓條件下用有機(jī)溶劑吸收酸性氣體中的 CO?，溶劑的再生則通過降壓來實現(xiàn)，所需再生能量相對較少。其流程與化學(xué)吸收法相似，也是先在吸收塔中進(jìn)行吸收，再在解析塔中進(jìn)行解析，但所用的吸收劑和操作條件有所不同。
• 吸收塔與解析塔 ：物理吸收法中的吸收塔和解析塔與化學(xué)吸收法中的類似，但其吸收和解析過程主要基于物理作用而非化學(xué)反應(yīng)。物理吸收劑對 CO?的溶解度隨壓力的變化而變化較大，因此在吸收塔內(nèi)需要較高的壓力以增加 CO?的溶解度，而在解析塔內(nèi)則通過降壓使 CO?從溶液中釋放出來。

吸附法

• 流程 ：吸附法通常采用固體吸附劑來吸附 CO?。含 CO?的氣體通過吸附塔，CO?被吸附劑吸附，凈化后的氣體排出。吸附劑吸附飽和后，通過減壓、加熱或置換等方法使 CO?脫附，恢復(fù)吸附劑的吸附能力，脫附出的 CO?可進(jìn)一步壓縮、儲存或利用。
• 吸附塔 ：是吸附法的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和操作條件對吸附效果和吸附劑的使用壽命有重要影響。吸附塔內(nèi)裝有固體吸附劑，常見的吸附劑有活性炭、分子篩、活性炭纖維等。

膜分離法

• 流程 ：利用不同氣體成分在膜中的溶解度和擴(kuò)散速率的差異，通過膜的選擇性滲透作用，將 CO?與其他氣體分離?；旌蠚怏w在一定壓力下通過膜分離塔，CO?優(yōu)先透過膜，富集在膜的透過側(cè)，而其他氣體則被截留在膜的非透過側(cè)，從而實現(xiàn)分離。
• 膜分離塔 ：是膜分離過程的核心設(shè)備，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和膜的性能對分離效果和穩(wěn)定性有重要影響。膜分離塔的操作壓力、溫度和氣體流速等參數(shù)需要根據(jù)具體的膜材料和分離要求進(jìn)行優(yōu)化。

②CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage）即碳捕集、利用與封存，是應(yīng)對全球氣候變化、減少溫室氣體排放的一項關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，以下是對其的詳細(xì)介紹：

基本原理

工作流程

• 碳捕集：這是 CCUS 的首要環(huán)節(jié)，主要有以下三種技術(shù)方法：
  • 燃燒后捕集：通過化學(xué)吸收法等手段，從燃燒化石燃料后產(chǎn)生的煙氣中分離出二氧化碳，這種方法技術(shù)成熟，可適用于多種燃燒設(shè)備，但會消耗一定能量并降低發(fā)電效率。
  • 燃燒前捕集：先將化石燃料氣化，轉(zhuǎn)化為富含二氧化碳和氫氣的合成氣，再通過變換反應(yīng)和低溫分離等步驟捕集二氧化碳，其優(yōu)勢在于二氧化碳濃度高、易于分離，但對設(shè)備要求高且投資成本大。
  • 富氧燃燒：在富氧環(huán)境下燃燒燃料，使燃燒產(chǎn)物主要為二氧化碳和水蒸氣，經(jīng)冷凝除水后可得到高濃度二氧化碳，不過需要額外的氧氣制備系統(tǒng)，能耗成本較高。
• 碳運輸：將捕集到的二氧化碳進(jìn)行壓縮、液化等處理后，選擇合適的運輸方式，如管道運輸、船舶運輸、鐵路運輸或公路運輸?shù)?，其中管道運輸是目前最為經(jīng)濟(jì)高效、技術(shù)成熟的方式，而船舶運輸則適用于長距離、大運量的二氧化碳運輸。
• 碳利用與封存：是 CCUS 的核心環(huán)節(jié)，具體如下：
  • 地質(zhì)封存：將二氧化碳注入地質(zhì)構(gòu)造中，如枯竭油氣藏、深部鹽水層、不可開采煤礦等，通過構(gòu)造封存、水動力封存等機(jī)制實現(xiàn)長期封存，其中枯竭油氣藏封存潛力大且安全性高，深部鹽水層分布廣但存在長期安全性驗證等挑戰(zhàn)，不可開采煤礦可同時實現(xiàn)二氧化碳封存和瓦斯減排。
  • 強(qiáng)化采油：向部分枯竭的油藏中注入二氧化碳，降低原油密度，提高油藏壓力，增加原油流動性，實現(xiàn)額外原油開采，目前約 80% 的捕獲二氧化碳用于強(qiáng)化采油，但其效果受油藏條件影響較大，且存在一定環(huán)境風(fēng)險。
  • 工業(yè)利用：二氧化碳可用于工業(yè)生產(chǎn)，如生產(chǎn)化肥、碳酸飲料、塑料等，在一些情況下，還能作為化工原料生產(chǎn)甲醇、合成氣等，實現(xiàn)二氧化碳的部分固定，但目前利用量相對較小。
  • 食品級二氧化碳：經(jīng)過處理提純后的二氧化碳可作為食品工業(yè)中的制冷劑、保鮮劑等，如用于飲料的碳酸化、食品的冷藏和運輸?shù)龋浼兌纫筝^高，一般需達(dá)到 99.9% 以上。

技術(shù)優(yōu)勢

• 降低碳排放：能夠有效減少工業(yè)生產(chǎn)過程中二氧化碳的直接排放，對鋼鐵、水泥等難以減排行業(yè)實現(xiàn)深度脫碳具有重要意義，有助于達(dá)成全球氣候目標(biāo)。
• 創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益：強(qiáng)化采油等利用方式可提高石油采收率，增加石油產(chǎn)量，帶來經(jīng)濟(jì)收益，同時二氧化碳在工業(yè)和食品等領(lǐng)域的利用也能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價值。
• 保障能源安全：通過 CCUS 技術(shù)，可使傳統(tǒng)化石能源行業(yè)在低碳轉(zhuǎn)型中繼續(xù)發(fā)揮作用，保障能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性，為可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供過渡時間。
• 提高資源利用效率：實現(xiàn)了二氧化碳從廢氣到資源的轉(zhuǎn)變，提高資源的利用效率，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，減少對自然資源的依賴。

面臨挑戰(zhàn)

• 技術(shù)成熟度：盡管一些 CCUS 技術(shù)已取得進(jìn)展，但仍面臨技術(shù)難題，如燃燒前捕集技術(shù)的復(fù)雜性和高成本、富氧燃燒技術(shù)的氧氣制備等，限制了其大規(guī)模推廣。
• 成本問題：CCUS 項目投資成本高，包括設(shè)備購置、建設(shè)和運營等費用，同時運營成本也不容小覷，如碳捕集過程中的能耗成本、運輸和封存的維護(hù)成本等，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
• 公眾認(rèn)知與接受度：公眾對 CCUS 技術(shù)的安全性和環(huán)境影響存在疑慮，擔(dān)心二氧化碳泄漏等風(fēng)險，影響項目的選址和推進(jìn)，需要加強(qiáng)科普宣傳，提高公眾的認(rèn)知和接受度。
• 政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系：目前，CCUS 產(chǎn)業(yè)的政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善，在項目審批、環(huán)境保護(hù)、安全管理等方面缺乏明確的規(guī)范，影響了產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
• 選址和監(jiān)測：地質(zhì)封存需要合適的地質(zhì)構(gòu)造，選址難度較大，且需要長期監(jiān)測二氧化碳的遷移和潛在泄漏風(fēng)險，監(jiān)測技術(shù)和成本方面的挑戰(zhàn)也不容忽視。

應(yīng)用現(xiàn)狀

截至 2024 年，全球已有多個 CCUS 項目在運營，分布在不同國家和地區(qū)。美國的 CCUS 項目數(shù)量較多，且在強(qiáng)化采油方面應(yīng)用廣泛，擁有超過 8000 公里。