化石燃料在燃燒過程中排出大量的溫室氣體二氧化碳,給地球的生態(tài)環(huán)境和人類的生存條件帶來嚴(yán)重的威脅,引起了國際社會的關(guān)注。

CO2捕獲和封存技術(shù)(CCS)是一種能夠在短期內(nèi)穩(wěn)定或者降低大氣中溫室氣體濃度的技術(shù)方案。世界上正在運(yùn)行的較有代表性的CCS項目包括挪威國家石油公司在北海的Sleipne項目、阿爾及利亞的InSalah項目和加拿大Weyburn項目。與國際較為先進(jìn)的CO2捕集技術(shù)相比,中國碳捕集的技術(shù)還處于起步階段。目前主要有三種方法捕集電廠化石燃料燃燒過程中產(chǎn)生的CO2氣體。

1.燃燒前CO2捕獲系統(tǒng):將CO2從化石燃料經(jīng)過氣化和蒸汽重整后產(chǎn)生的合成氣中分離出來,主要用于采用煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(IGCC)的電廠。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是合成氣中CO2的分壓較高,可以采取物理吸收等捕獲技術(shù)來降低減排能耗；其缺點(diǎn)是燃料的初步轉(zhuǎn)化步驟較復(fù)雜,與燃燒后捕獲系統(tǒng)相比發(fā)電設(shè)備的總成本比較高。

2.富氧燃燒CO2系統(tǒng):一次燃料在燃燒時使用的是純氧而非空氣,因此燃燒后得到的是CO2和H2O的混合蒸汽,將水蒸氣冷卻之后便可得到高濃度的CO2。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是通過冷卻和清除水蒸氣便可得到高濃度的CO2,捕獲成本非常低；其缺點(diǎn)是制備燃燒所用的高純度氧氣的能耗很高,該技術(shù)尚不成熟,處理的氣體量相對較少。

3.燃燒后捕獲系統(tǒng):將CO2從一次燃料在空氣中燃燒后產(chǎn)生的煙道氣中分離出來,主要用于燃燒鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電等場合。電廠煙道氣中的CO2的濃度和分壓較低,CO2的捕獲費(fèi)用相對來說偏高。但該捕獲系統(tǒng)可以對既有電廠進(jìn)行機(jī)組改裝后安裝CO2捕獲設(shè)備,不需要對現(xiàn)有的燃煤電廠進(jìn)行過多的結(jié)構(gòu)改造,因此有較為廣泛的適應(yīng)性和較大的市場潛力。目前,煙道氣中CO2燃燒后捕獲的方法很多,主要有物理化學(xué)溶劑吸收法、固體吸附法、低溫蒸餾法、膜分離法以及方法之間的耦合等。其中,化學(xué)吸收法已經(jīng)在天然氣處理、氫氣和氨氣生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域使用很多年,工藝流程比較成熟,但是填料塔等傳統(tǒng)的化學(xué)吸收裝置在操作時存在氣液兩相無法單獨(dú)控制,在操作過程中容易出現(xiàn)液泛、溝流、霧沫夾帶等工程技術(shù)問題。固體吸附法是利用吸附劑對原料混合氣中CO2的選擇性不同,通過吸附-解吸可逆作用來分離CO2,操作簡單,容易實現(xiàn)自動化,但現(xiàn)有的大多數(shù)固體吸附劑的吸附容量和對CO2的吸附選擇性比較差,所以不適用于處理大規(guī)模燃煤電廠的煙道氣脫碳。低溫蒸餾法是通過低溫冷凝的方法將CO2從煙道氣中分離出來,該分離方法雖然能分離出高濃度的CO2,但能耗較高,一般只適用于處理含有高濃度CO2的煙道氣。傳統(tǒng)的膜分離法是利用某些聚合材料如醋酸纖維、聚酰亞胺、聚砜(PS)等制成的薄膜對不同氣體的滲透率的不同來分離氣體的過程,近年來發(fā)展非常迅速,目前的主要研究難點(diǎn)是在保證膜材料在有較高CO2滲透性的前提下,能夠同時保證膜材料有較高的CO2選擇性。基于上述各種方法都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),將上述兩種或者多種分離方法結(jié)合起來,發(fā)展成為新一代的集成分離技術(shù),可以發(fā)揮各種分離方法的技術(shù)優(yōu)勢,提高分離過程的效率并降低CO2減排的能耗和成本。