CO2回收和捕集技術(shù)新進(jìn)展
前言
全球工業(yè)化進(jìn)程的加快使CO2排放量越來越大,并給環(huán)境帶來危害,而石油、煤炭資源的日漸枯竭也需要有新的碳源及時補(bǔ)充,因此世界各國十分重視開發(fā)相應(yīng)的CO2回收以及凈化和再利用技術(shù)。
美國Brookhaven國家實驗室的研究人員正在開發(fā)催化劑,可望將過多的溫室氣體轉(zhuǎn)化成有用的化學(xué)品。研究人員指出,不能只依賴于化學(xué)工業(yè)利用CO2以削減化石燃料燃燒排放的CO2。幾種其他對策同時應(yīng)用是必須的,包括提高現(xiàn)有化學(xué)燃料利用過程的效率,捕集和利用或封存化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2,并轉(zhuǎn)向使用可再生燃料和可再生能源。
常用的CO2回收利用方法有:
(1)溶劑吸收法:使用溶劑對CO2進(jìn)行吸收和解吸,CO2濃度可達(dá)98%以上。該法只適合于從低濃度 CO2廢氣中回收CO2,且流程復(fù)雜,操作成本高。
(2)變壓吸附法:采用固體吸附劑吸附混合氣中的 CO2,濃度可達(dá)60%以上。該法只適合于從化肥廠變換氣中脫除CO2,且CO2濃度太低不能作為產(chǎn)品使用。
(3)有機(jī)膜分離法:利用中空纖維膜在高壓下分離 CO2,只適用于氣源干凈、需用CO2濃度不高于90%的場合,目前該技術(shù)在國內(nèi)處于開發(fā)階段。
(4)催化燃燒法:利用催化劑和純氧氣把CO2中的可燃燒雜質(zhì)轉(zhuǎn)換成CO2和水。該法只能脫除可燃雜質(zhì),能耗和成本高,已被淘汰。
上述方法生產(chǎn)的CO2都是氣態(tài),都需經(jīng)吸附精餾法進(jìn)一步提純凈化、精餾液化,才能進(jìn)行液態(tài)儲存和運輸。吸附精餾技術(shù)是上述方法在接續(xù)過程中必須使用的通用技術(shù)。
美國電力研究院(EPRI)所作的研究指出,在發(fā)電廠中采用氨洗滌可使CO2減少10%,而較老式的MEA(胺洗滌)法可使CO2減少29%。
世界新的CO2回收和捕集技術(shù)正在加快發(fā)展之中。
1 脫除CO2新溶劑
巴斯夫公司和日本JGC公司已開始聯(lián)合開發(fā)一種新技術(shù),可使天然氣中含有的CO2脫除和貯存費用削減 20%。該項目得到日本經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和工業(yè)省的支持。 CO2可利用吸收劑如單乙醇胺(MEA)從燃燒過程產(chǎn)生的煙氣中加以捕集,然而,再生吸收劑需額外耗能,對于MEA,從煙氣中回收CO2需耗能約 900kcal/kgCO2,通常這是不經(jīng)濟(jì)的。日本三菱重工公司(MHI)與關(guān)西電力公司(KEPCO)合作,開發(fā)了新工藝,可給CO2回收途徑帶來新的變化。MHI發(fā)現(xiàn)的CO2新吸收劑是稱為KS-1和KS-2的位阻胺類,其回收所需能量比MEA所需能量約少20%。因為KS-1和 KS-2對熱更穩(wěn)定、腐蝕性也比MEA小,因此操作時胺類的總損失約為常規(guī)吸收劑的1/20。對于能量費用不昂貴的地區(qū),大規(guī)模裝置使用新的工藝,CO2回收費用(包括壓縮所需費用)約為20美元/tCO2,它比基于MEA的常規(guī)方法低約30%。MHI已在馬來西亞一套尿素裝置上驗證了這一技術(shù),可從煙氣中回收 200tCO2/d。
巴斯夫公司實驗室試驗表明,采用新型溶劑從發(fā)電廠排放物中脫除CO2,具有耐用和耗能少的優(yōu)點。這種溶劑由巴斯夫公司與歐盟“捕集CO2并貯存”開發(fā)項目組共同開發(fā)。2006年3月已在位于丹麥Esbjerg(埃斯比約)的世界最大的中型煤發(fā)電裝置上試用。首次試驗采用MEA作為參比溶劑。捕集CO2所用溶劑的重點在于減少脫除CO2所需的能量,如果需要能量太高,會減少電廠的電力產(chǎn)量。例如,燃煤電站使用常規(guī)的MEA溶劑捕集CO2,會使發(fā)電量減少30%~45%。新開發(fā)的溶劑可除去或收集燃燒過程中排放出來的CO2。從電廠排放氣中除去CO2,先是用化學(xué)溶劑把CO2結(jié)合住,然后,溶劑在返回到工藝前釋放出這種CO2。為防止CO2跑到大氣中,需要將它冷凝和儲存,例如,存放在巖石的含水層(砂石含水層)中、礦層中或原來的石油天然氣礦層中。但常規(guī)的溶劑容易被電廠廢氣中夾帶的氧氣分解,這種工藝要達(dá)到吸收、釋放和儲存CO2,需要很大的能量輸入。實驗室試驗表明,巴斯夫開發(fā)的胺基新溶劑比常規(guī)溶劑要穩(wěn)定得多,并可使用較長時間,在吸收和釋放CO2過程中,耗能也比較低,用新溶劑進(jìn)行氣體洗滌能大大降低除去CO2的費用。
巴斯夫公司、RWE電力公司和林德集團(tuán)2007年9月底宣布,聯(lián)手開發(fā)并將推廣使用從燃煤電廠煙氣中捕集CO2的新工藝。目標(biāo)是先去除,然后在地下貯存超過 90%的CO2。這些公司的合作包括在RWE電力公司德國 Niederaussem的褐煤燃燒發(fā)電廠建設(shè)和運作中型裝置,試驗巴斯夫公司用于CO2洗滌的新溶劑。林德公司進(jìn)行該中型裝置的工程建設(shè)。目標(biāo)是到2020年在褐煤燃燒發(fā)電廠上商業(yè)化應(yīng)用CO2捕集。一旦中型試驗完成,合作方將于2010年對此進(jìn)行驗證,為新工藝的商業(yè)化應(yīng)用提供可靠的設(shè)計基準(zhǔn)。RWE和巴斯夫公司是30家CO2從捕集到貯存(CASTOR)合作項目的成員,該項目得到了歐盟的資助。2005年,巴斯夫開發(fā)了新的溶劑,從電廠排放中去除CO2頗為有效,作為CASTOR項目,已在丹麥Esbjerg完成中試。常規(guī)的溶劑很容易受電廠廢氣中含有的氧氣影響而變質(zhì),過程也需要供入大量能量以達(dá)到吸收、釋放和貯存CO2的效果。巴斯夫公司將基于胺的新溶劑提供給CASTOR項目,它比常規(guī)溶劑更為穩(wěn)定,使用時間長。在吸收和釋放CO2的過程中,消耗能量也很少。RWE電力公司也在開發(fā)帶有CO2捕集、運送和貯存的一體化氣化聯(lián)合循環(huán)過程(IGCC)的燃煤電廠,該450MW的電廠將于2014年投運。RWE電力公司是德國最大的電力生產(chǎn)商,也向中/東歐供應(yīng)電力。該公司使用寬范圍的能源,包括褐煤、硬煤和可再生能源。
2 基于氨的新工藝
美國Powerspan公司開發(fā)了ECO2捕集工藝,可使用含水的氨(AA)溶液從電廠煙氣(FG)中捕集CO2。這是該公司與美國能源部國家能源技術(shù)實驗室(NETL)共同研究的成果。BP替代能源公司與Powerspan公司正在開發(fā)和驗證Powerspan公司稱為ECO2基于氨的CO2捕集技術(shù),并將使其用于燃煤電廠從而推向商業(yè)化。這種后燃燒CO2捕集工藝適用于改造現(xiàn)有的燃煤發(fā)電機(jī)組和新建的燃煤電廠。ECO2捕集工藝與Powerspan公司的電催化氧化技術(shù)組合在一起,使用氨水吸收大量SO2、NOx和汞。CO2加工步驟設(shè)置在ECO的SO2、NOx和汞脫除步驟的下游。根據(jù)美國國家能源技術(shù)實驗室(NETL)等對使用含水的氨吸收CO2進(jìn)行的研究表明,傳統(tǒng)的MEA工藝用于CO2脫除,CO2負(fù)荷能力(吸收每kgCO2/ks吸收劑)低,有高的設(shè)備腐蝕率,胺類會被其他煙氣成分降解,同時吸收劑再生時能耗較高。比較而言,氨水有較高的負(fù)荷能力,無腐蝕問題,在煙氣環(huán)境下不會降解,可使吸收劑補(bǔ)充量減少到最小,再生所需能量很少,而且成本大大低于MEA。尤其是NETL采用的Powers- pan公司開發(fā)的氨水工藝與常規(guī)胺類相比,有以下優(yōu)點:蒸汽負(fù)荷。500Btu/磅被捕集的CO2);產(chǎn)生較濃縮的CO2攜帶物;較低的化學(xué)品成本;產(chǎn)生可供銷售的副產(chǎn)物,實現(xiàn)多污染物控制。
在該ECO2工藝中,CO2通過用AA洗滌從煙氣中被捕集,AA通過形成碳酸銨鹽吸收CO2。得到的 NH4HCO3溶液可被熱法再生,釋放出CO2和NH3。 NH3被分離并返回洗滌器。得到濃縮的CO2物流十分適合回收。脫除CO2在捕集SO2和NOx的下游進(jìn)行。捕集的SO2和NOx也用AA洗滌,采用Powerspan公司的 ECO2技術(shù)的中試于2007年在美國俄亥俄州Shadyside的 FirstEnergy公司Burger工廠進(jìn)行。該中試裝置將處理來自電廠排出的1MW當(dāng)量(約2000立方英尺/分鐘)CO2(20噸/天)。在實驗室試驗中,ECO2工藝在工業(yè)化吸收劑條件下,可去除90%的CO2。按照能源部的經(jīng)濟(jì)性分析,對于新的燃用粉煤電廠(采用超臨界蒸汽循環(huán)),CO2捕集率為90%,采用常規(guī)污染控制系統(tǒng)和MEA時,脫除每噸CO2成本為47美元,需電力7.6kW·h。而采用基于AA的CO2捕集ECO2系統(tǒng)成本約為14美元,需電力5.5kW·h。ECO2技術(shù)可成為CO2后燃燒捕集最有前途的解決方案。First Energy公司與當(dāng)?shù)靥挤獯婧献骰锇檫M(jìn)行該項目的封存試驗。ECO2技術(shù)的中型規(guī)模試驗于2008年初在First Energy公司美國俄亥俄州Shadyside的R.E.Burger燃煤電廠進(jìn)行。該ECO2中型裝置將從50MW 的Burger的 ECO2裝置中處理1MW的側(cè)線氣流(20噸CO2/天)。
該工廠在2007年初就已在Burge r工廠就地鉆探了 8000英尺的試驗井,用于就地封存CO2。該中型設(shè)施將是常規(guī)燃煤電廠驗證CO2捕集和封存的第一次設(shè)施。據(jù)測算,與已商業(yè)化應(yīng)用的基于胺類的CO2捕集技術(shù)相比,基于氨的CO2捕集技術(shù)在成本上可望大大降低。法國Alstom公司推出先進(jìn)的吸收劑后燃燒CO2捕集(制冷氨)工藝。制冷氨工藝是用于后燃燒捕集CO2的幾種新工藝之一,它使煙氣冷卻,回收大量水用于循環(huán),然后按照減少SO2排放的系統(tǒng)所用吸收器相似的方法,利用CO2吸收器。在潔凈煙氣中剩余的低濃度氨用冷水洗滌加以捕集,并返回吸收器。CO2然后被壓縮用于提高石油采收率或貯存。該技術(shù)將在現(xiàn)有燃煤電廠改造和新設(shè)計中應(yīng)用。Alstom公司現(xiàn)已采用制冷氨系統(tǒng)用于5MW的中型項目中。Alstom開發(fā)的CO2捕集技術(shù)將為減少溫室氣體排放作出貢獻(xiàn),該技術(shù)可為電力工業(yè)減少碳排放起到重要作用。
2007年3月,美國電力公司(AEP)和法國Alstom公司簽署協(xié)議,將使Alstom公司先進(jìn)的吸收劑后燃燒 CO2捕集工藝于2011年達(dá)到商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用,實現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模200MW。這將是驗證后燃燒碳捕集的重要步驟。設(shè)置在瑞典南部Karlshamn電廠的CO2捕集裝置,采用制冷氨技術(shù),該裝置于2008年投運。待完成技術(shù)評價后,該公司將計劃使此項技術(shù)應(yīng)用到瑞典其他電廠。 2007年6月,Alstom公司為轉(zhuǎn)讓其基于制冷氨的 CO2捕集技術(shù)簽署了兩項合同,一是轉(zhuǎn)讓給E.ON公司在瑞典的電廠,另一轉(zhuǎn)讓給Statoi l公司在挪威的 Mongstad煉油廠。
AEP和Sem Group旗下的Sem Green公司于2007年 10月簽署協(xié)議,通過已計劃推向商業(yè)規(guī)模應(yīng)用的捕集系統(tǒng)使阿克拉何馬州東北燃煤電廠進(jìn)行CO2捕集,采用 Alstom公司的技術(shù)。AEP和Sem Green公司將在阿克拉何馬電廠捕集CO2,通過管道運送給Sem Green公司,由Sem Green公司提供技術(shù),然后對CO2進(jìn)行利用,或由Sem Green公司出售CO2用于提高石油采收率。 Alstom公司的技術(shù)還將在美國西弗吉尼亞州New Haven的AEP1300MW電廠中應(yīng)用,從裝置煙氣側(cè)線捕集CO2,煙氣側(cè)線相當(dāng)于發(fā)電量20M~30MW。Alstom制冷氨系統(tǒng)預(yù)計可捕集CO210萬~20萬噸/年,將注入當(dāng)?shù)佧}水深層進(jìn)行地質(zhì)貯存。
3 CO2吸附技術(shù)
近年來工業(yè)級和食品級CO2的標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高,而通常采用的溶劑吸收法、變壓吸附法、有機(jī)膜分離法和催化燃燒法等回收的CO2產(chǎn)品無法達(dá)到食品級標(biāo)準(zhǔn)要求,在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也受到限制。大連理工大學(xué)立足于CO2回收、精制技術(shù),成功開發(fā)出吸附精餾法回收 CO2新工藝,并推廣應(yīng)用到生產(chǎn)過程中,用于將化工企業(yè)生產(chǎn)過程中排放的SO2氣回收提純。該工藝的關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平,開發(fā)的烯烴吸附劑和工藝優(yōu)化技術(shù)為國際首創(chuàng)。該技術(shù)采用特殊配方制成的固體復(fù)合吸附劑,有針對性地把CO2中的重組分雜質(zhì)分步吸附除盡,再利用熱泵精餾技術(shù),把輕組分雜質(zhì)分離除盡,使 CO2純度達(dá)到99.996%以上。目前大連理工大學(xué)已研制成功了12種不同類型的吸附劑,可分別脫除CO2中的硫化物、氮氧化物、烯烴、烷烴、芳烴和有機(jī)氧化物,各種吸附劑配方獨特,性能優(yōu)越,雜質(zhì)凈化度高。此外,與以往一套吸附床裝一種吸附劑只脫除一種雜質(zhì)不同,該技術(shù)可在一套吸附床中裝填幾種不同的吸附劑吸附多種雜質(zhì),全部工藝過程操作簡單,投資少,可將合成氨廠、煉油廠、制氫或乙二醇化工廠、酒精廠以及燃燒氣、分解氣等各種氣源中的CO2氣體進(jìn)行進(jìn)一步提純凈化,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。隨著吸附精餾法回收精制CO2工業(yè)化技術(shù)在多套裝置上的成功應(yīng)用,一直被視為工業(yè)廢氣的CO2通過這一新的回收利用技術(shù)正在成為碳資源的有力補(bǔ)充。大連理工大學(xué)化工學(xué)院繼在海城鎂砂公司、遼陽金興化工廠等企業(yè)建成共計7萬噸/年的CO2回收裝置后,目前遼河煉油廠、湖北化肥廠、錦州石化公司、天津吉華化工公司等采用這一技術(shù)設(shè)計建造的CO2回收精制裝置也已投產(chǎn),截至2005年底已經(jīng)累計創(chuàng)造產(chǎn)值 11,977萬元。采用該法所得液體CO2產(chǎn)品純度不但達(dá)到國家食品級標(biāo)準(zhǔn),而且超過美國可口可樂和英國BOC公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)介紹,該工藝采取了多項創(chuàng)新技術(shù)。針對CO2中不同的雜質(zhì),開發(fā)出不同配方的吸附劑,分別用于脫除CO2氣中的各種重組分,該吸附劑吸附量大、選擇性強(qiáng)、產(chǎn)品純度高。該技術(shù)工業(yè)應(yīng)用方便,可在一套吸附床中裝填幾種不同的吸附劑以吸附幾種不同的雜質(zhì),并且直接使用精餾塔頂排出的輕組分氣體作吸附劑再生氣,免去了使用高溫蒸汽或高純氮氣等外加氣體的麻煩,大幅降低了生產(chǎn)成本。
美國新開發(fā)的一種超級海綿狀物質(zhì)可吸收發(fā)電廠或汽車尾管排放的大量CO2。這種超級海綿狀物質(zhì)作為可用于凈化溫室氣體的新方法,比現(xiàn)用方法(包括水溶液處理)更為有效和價格低廉。美國密歇根大學(xué)的研究人員采用化學(xué)合成方法,制取了這類海綿狀物質(zhì)。這種材料稱為金屬-有機(jī)骨架(MOF)混合物,為穩(wěn)定的、結(jié)晶型多孔物質(zhì),由有機(jī)鏈接基團(tuán)組合金屬簇構(gòu)成。據(jù)報道,這種MOF能很好地捕集CO2。其化合物之一MOF-177在中等壓力(約3.0MPa)下,可捕集 140w%(33.5mmol/g)室溫下的CO2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何其他多孔材料的CO2貯存能力。超級綿狀MOF-177由正八面體Zn4羧基化物簇與有機(jī)基團(tuán)鏈接而成,這種材料有極高的表面積,達(dá)4,500m2 /g,相當(dāng)于每克材料有約4個足球場大小的面積。在捕集CO2后,氣體在稍微加熱的情況下會很容易地釋放出來,然后可用于各種反應(yīng)的試劑,包括制取聚碳酸酯建筑材料的聚合過程和軟飲料的碳酸化。
4 利用LSCF管使CO2易于捕集
一項最近的科研成果表明,采用先進(jìn)陶瓷材料制作的微細(xì)管,通過控制燃燒過程,可望使發(fā)電站的溫室氣體排放減少至近乎于零。這種稱為LSCF的材料具有從空氣中過濾氧氣的顯著特征。這樣,通過在純氧中燃燒燃料,就可產(chǎn)生近乎純CO2的氣流,純CO2具有可再加工為有用化學(xué)品的潛在商業(yè)化用途。LSCF是相對較新的材料,它原為燃料電池技術(shù)而開發(fā),許多國家已研究了數(shù)十年之久,主要可望用作燃料電池的陰極。但英國北部Newcastle大學(xué)的工程技術(shù)人員與倫敦帝國大學(xué)合作,有望將它開發(fā)用于減少燃?xì)怆娬九欧,也可能?yīng)用于減少燃煤和燃油電站排放。常規(guī)的燃?xì)怆娬驹诳諝鈿饬髦腥紵淄,生成氮氣和溫室氣體的混合物,包括CO2和氮氧化合物,它們都被排放至大氣。因為高的成本和需要大量能量,為此,分離這些氣體并不實際。然而,利用LSCF管后,可以僅使用空氣中氧氣成分使甲烷氣體燃燒,生成幾乎為純的二氧化碳和蒸汽,它們可以很容易地將蒸汽冷凝為水而得以分離。所得CO2氣流可管輸至加工裝置,用于轉(zhuǎn)化成化學(xué)品,如甲醇、有用的工業(yè)燃料和溶劑。新的燃燒過程已由Newcastle大學(xué)化學(xué)工程和先進(jìn)材料學(xué)院的Ian Metcalfe教授及倫敦帝國大學(xué)化學(xué)工程系的同事們在實驗室內(nèi)開發(fā)并試驗成功,這一項研究得到工程和物理科學(xué)研究委員會(EPSRC)的資助。該研發(fā)成果已在2007年8月出版的《材料世界》和《化學(xué)工程師》雜志上發(fā)表。LSCF管看上去好似小而硬的吸水管,但它可滲透氧離子。關(guān)鍵是LSCF在典型的電站操作溫度約800℃的條件下也能耐腐蝕且不會分解。當(dāng)管子的外側(cè)吹入空氣時,氧氣就可通過管壁進(jìn)入內(nèi)側(cè),在內(nèi)側(cè),氧氣就與泵送進(jìn)入管子中心的甲烷氣體一起進(jìn)行燃燒。燃燒后可從管子內(nèi)側(cè)收集CO2,剩余的主要由氮氣組成的缺氧空氣可再返回大氣,對環(huán)境無不利影響。另一種替代方案是可通過控制空氣和甲烷的流量,使之發(fā)生部分燃燒。這就可得到“合成氣”,即一氧化碳與氫氣的混合物,它可很容易地轉(zhuǎn)化成各種有用的烴類化學(xué)品。LSCF管屬于鑭-鍶-鈷-鐵氧化物材質(zhì),已在實驗室成功進(jìn)行了試驗,其設(shè)計對能源工業(yè)頗具吸引力。研究團(tuán)隊正在進(jìn)一步試驗LSCF管的耐久性,以確認(rèn)在電站燃燒室條件下有長的使用壽命。從目前情況來看,有可能在電站燃燒室內(nèi)大量安裝這類管子,管子之間的空間用空氣進(jìn)行循環(huán)。從理論上看,該技術(shù)也可能應(yīng)用于燃煤和燃油電站,但會增大電站運營的成本和復(fù)雜程度。
5 分離CO2的膜法技術(shù)
美國德克薩斯大學(xué)的工程技術(shù)人員開發(fā)的改進(jìn)型塑料材料可大大改進(jìn)從天然氣中分離CO2的能力。這種新的聚合物膜可自然地仿制電池膜中才有的小孔,基于它們的形狀,其獨特的沙漏形狀可有效地分離分子?茖W(xué)工業(yè)研究組織2007年10月的評價表明,它可從甲烷中分離CO2。像海綿一樣,它僅吸收某些化學(xué)品。新的塑料允許CO2或其他小分子通過沙漏形狀的小孔,而天然氣(甲烷)則不會通過這些相同的小孔運移。這種熱重排(TR)塑料通過小孔分離CO2要優(yōu)于常規(guī)膜。Benny Freeman教授的實驗室研究也表明,熱重排塑料膜的分離速度也較快,比常規(guī)膜去除CO2要快幾百倍。如果這種材料用于替代常規(guī)的醋酸纖維素膜,則天然氣加工裝置需要的空間可縮小500倍,因為該種膜有更高效的分離能力,廢棄產(chǎn)物中損失的天然氣也很少。熱重排塑料將來也有助于再捕集 CO2以泵入油藏。熱重排塑料分離CO2和天然氣后,管輸天然氣則僅含2%的CO2,提高了天然氣濃度。這種膜可望應(yīng)用于天然氣加工裝置,包括空間有限的海上平臺。韓國科研人員宣布發(fā)明了一種可迅速過濾大量CO2氣體的新型塑料薄膜,這種薄膜在溫室氣體減排方面應(yīng)用前景廣闊。研究人員表示,這種薄膜的具體用途是可讓沼氣和氮氣等其他氣體自由通過,從而實現(xiàn)這些氣體與 CO2的分離。這樣,無法通過薄膜的CO2便被留住。據(jù)韓國科學(xué)技術(shù)部介紹,漢陽大學(xué)研制的這種薄膜的主要材料是經(jīng)過熱處理的聚酰亞胺,其CO2過濾效果超過了過去研制的醋酸纖維薄膜。這種薄膜可用于減少火力發(fā)電廠和天然氣井的過排放量,其減排效率要比現(xiàn)有技術(shù)高出約500倍。韓國政府支持這項研發(fā),并將其納入旨在提高韓國在科學(xué)和工程領(lǐng)域競爭力的21世紀(jì)前沿研發(fā)計劃。最新一期美國《科學(xué)》雜志發(fā)表了有關(guān)這項發(fā)明的論文。研究人員表示,雖然當(dāng)今的企業(yè)并非急需使用這種新型薄膜,但全世界目前正在進(jìn)行的旨在削減溫室氣體排放的工作,將使這種薄膜的需求量在今后3~4年里有所增加。研究人員目前正在進(jìn)行用這種過濾材料固化和壓縮過程的工作,其目的是將它掩埋到深海。
6 從大氣中直接捕集CO2的技術(shù)
美國哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家于2007年10月中旬宣布,正在加快開發(fā)從大氣中直接捕集CO2的工業(yè)技術(shù)。分析認(rèn)為,這樣可從分散的和移動的排放源中捕集全球溫室氣體中50%的CO2,甚至無需完全采用碳捕集和貯存(CCS)技術(shù),據(jù)統(tǒng)計,大的靜止點排放源產(chǎn)生超過0.1Mt/年的CO2。由Frank Zeman提出的技術(shù)基于 Klaus Lackner以前在哥倫比亞大學(xué)所作的工作,已確立了這一特定的空氣捕集工藝過程的熱動力學(xué)可行性。 Klaus Lackner于1999年首次提出從空氣中去除CO2以達(dá)到碳捕集和貯存的目的。新的研究成果已在美國《環(huán)境科學(xué)和技術(shù)》2007年11月版上發(fā)布。
空氣洗滌過程需要多個步驟。首先,NaOH堿溶液吸收CO2產(chǎn)生溶解性碳酸鈉。吸收反應(yīng)是氣液反應(yīng),為強(qiáng)放熱反應(yīng)。
2NaOH(ag)+CO2(g) →Na2CO3(aq) +H2O(l) ΔH°=-109.4kJ/mol 與Ca(OH)2的反應(yīng)可從溶液中去除碳酸鈣離子,其結(jié)果是生成方解石(CaCO3)沉淀?粱磻(yīng)是中等放熱反應(yīng)。 Na2CO3(aq) +Ca(OH)2(s) →2NaOH(aq) +CaCO3(s) ΔH°=-5.3kJ/mol 接著,碳酸鈣沉淀從溶液中被過濾出來,并被熱分解產(chǎn)生氣態(tài)CO2。焙燒反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。 CaCO3(s) →CaO(s) +CO2(g) ΔH°=+179.2 kJ/mol 方解石在石灰窯中用氧氣進(jìn)行熱分解是為了避免附加的氣體分離步驟。石灰(CaO)的水合完全是循環(huán)的。 CaO(s) +H2O(l) →Ca(OH)2(s) ΔH°=-64.5kJ/mol
采用CO2空氣捕集的重要挑戰(zhàn)之一是氣體的濃度低:假定捕集率為50%CO2濃度為80ppm(0.015mol/m3 ),則必須處理133m3 大氣才能捕集1moleCO2。為此,要采用比常規(guī)煙氣洗滌更大的洗滌器才能去除更多的氣體。洗滌器尺寸是吸收速率的函數(shù),繼而受到與空氣流動相接觸的溶液表面積和溶液堿度的控制。溶液的pH值影響單位表面積的吸收率,而結(jié)構(gòu)則支配著單位體積的表面積。隨著CO2被吸收,溶液中NaOH轉(zhuǎn)化為Na2CO3。這就降低了氣相中CO2和液相中OH- 的濃度,這兩者都會使吸收器吸收速率下降。吸收空氣中的CO2越多就可更多地減少必須通過吸收器的空氣總量,而這種吸收就可使所需的液體減少。最終的設(shè)計必須使這兩個相矛盾的需求保持平衡。Zeman計算了處理捕集350kJ/molCO2過程的能耗。這一能耗主要是石灰窯的熱能需求以及輸送空氣所需的機(jī)械動力。
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