常用二氧化碳移除技术特点及应用_邱灶杨.pdf

引用本文格式邱灶杨，肖立，黄宇，等常用二氧化碳移除技术特点及应用 J农业工程，2023，13（1）：53-57 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.01.009 QIU Zaoyang，XIAO Li，HUANG Yu，et alCharacteristics and applications of common carbon dioxide removal technologiesJAgriculturalEngineering，2023，13（1）：53-57常用二氧化碳移除技术特点及应用邱灶杨，肖立，黄宇，曹玉，许佳伟，张帆（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）摘要：温室效应带来的气候变化正威胁着人类，减少碳排放成为研究热点。从国内外碳排放现状和我国双碳目标出发，阐述了发展二氧化碳移除技术的意义。通过对现阶段常用的二氧化碳捕集技术深冷法、吸收法、吸附法和膜分离法的简述，分析了各种技术方式的应用条件和优缺点，提出未来采用多技术集成拓展二氧化碳捕集应用领域，是提高二氧化碳捕集技术经济性和实现双碳目标的有效途径，并对二氧化碳捕集工艺设计和捕集方法选用提出参考建议。关键词：二氧化碳移除技术；捕集技术；碳排放；双碳目标中图分类号：S21文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）01-0053-05DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.01.009Characteristics and Applications of Common Carbon Dioxide Removal TechnologiesQIU Zaoyang，XIAO Li，HUANG Yu，CAO Yu，XU Jiawei，ZHANG Fan（CNOOC Gas and Power Group，Beijing 100028，China）Abstract：Climate change caused by greenhouse effect is threatening human beingsReducing carbon emission has become a hotresearch topicBased on domestic and foreign carbon emission status and carbon peaking and carbon neutrality goals，importance ofdeveloping carbon dioxide removal technology was introduced Through a brief introduction of current common carbon capturetechnologies cryogenic method，absorption method，adsorption method and membrane capture method，application conditions，advantages and disadvantages of various technical methods were analyzedIn the future，expanding application field of carbon captureby integrating multiple technologies was an effective way to improve economy of carbon capture technology and achieve goal of dualcarbonSome suggestions on design of carbon capture process and selection of capture method were also put forwardKeywords：carbon dioxide removal technology，capture technology，carbon emission，dual carbon targets0引言2018 年，联合国政府间气候变化专门委员会发布了全球升温 1.5 C 特别报告，报告中提出二氧化碳移除（carbon dioxide removal，CDR）技术是未来有望将全球升温稳定在低水平的关键技术，获得了广泛关注1。发展二氧化碳移除技术是为了抵消人类生活和生产过程中无法避免的温室气体排放，并与绿色低碳技术、碳汇技术协调发展，最终达到碳中和。二氧化碳移除技术包含直接从大气中移除二氧化碳，或通过人为增加海洋和陆地碳汇以减少大气中二氧化碳的技术，包括直接空气捕集、生物质能碳捕集与封存（BECCS）、植树造林等。本文所述的二氧化碳移除技术是指在生产过程中对二氧化碳的捕集，提前移除二氧化碳，减少排入大气。目前，碳捕集技术分为传统技术、新兴技术和前瞻技术。传统技术应用广泛，但面对新的碳捕集要求表现出条件苛刻、工艺复杂、能耗高和占地大等特点。综述传统和新兴碳捕集技术及其特点，可为开展碳捕集在技术选型、技术开发和设计要点等方面提供参考，对提升我国产业绿色升级具有重要意义。1全球碳排放现状自工业革命开始到 1950 年，发达国家通过工业革命逐步成为全球财富中心，其排放的碳总量占全球碳排放总量的 95%，19502000 年，发达国家碳排放总收稿日期：2022-10-14修回日期：2023-01-10作者简介：邱灶杨，硕士，高级工程师，主要从事天然气及新能源研究E-mail：第 13 卷 第 1 期农业工程Vol.13No.12023 年 1 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJan.2023量呈现下降趋势，而发展中国家碳排放总量持续提升，占总量的 77%2。进入 21 世纪，英国首次提出低碳经济发展概念，随后呈现出全球发展中国家碳排放量超过发达国家碳排放量的趋势。2020 年，全球二氧化碳排放量 320.2亿 t，发达国家碳排放量占 30%。这些碳排放量被陆地碳汇吸收 31%，被海洋碳汇吸收 23%，剩余 46%滞留于大气中3。英国石油公司（BP）发布的世界能源统计年鉴（第 70 版）统计数据显示，2021 年亚太地区碳排放量为 177.35 亿 t，从各地区碳排放看，亚太地区碳排放量遥遥领先且呈上升趋势，占比为 52%，其次分别为北美、中南美、欧洲，碳排放量占比分别为17%、4%、11%；从各个国家来看，中国、美国、印度是全球碳排放量排名前 3 位国家，分别是 105 亿、47 亿和 26 亿 t；从碳排放总量趋势来看，中国和印度两国各自碳排放总量表现出继续上升趋势，而美国及其他发达国家碳排放量呈下降趋势。2018 年欧盟通过的欧盟 2050 战略性长期愿景指出，2020 年中国及亚太地区国家相继提出减排承诺，从而使全球在 2018 年出现了碳排放量的拐点，此后持续下降至 2020 年。国际能源署（IEA）发布的全球能源回顾：2021 年二氧化碳排放报告指出，2021 年全球能源领域二氧化碳排放量达到 363 亿 t，同比上涨6%，创下历史最高纪录。由此看出，全球二氧化碳减排道路依然曲折，在各行各业中碳减排的效力未显现，未来全球的碳减排压力依然巨大。2006 年，我国成为世界第 1 大碳排放国，此后我国碳排放总量持续连年上升。2021 年，我国的碳排放总量是美国的 2.2 倍，其中能源电力约占 40%，建筑领域约占 20%，工业、交通、农业领域各自占比为 5%10%4。据测算，我国每年的碳排放总量仍然表现上升趋势，要实现 2030 年碳排放达峰的目标，首先需要在电力、建筑、能源等高排放行业推行效果显著的二氧化碳移除技术。为了实现碳中和，一次能源中非化石能源所占比例在 21 世纪中叶需提高到 80或更高5。2常用二氧化碳移除技术目前，应用在产品生产过程中的二氧化碳移除技术如图 1 所示。低温深冷法最先得到应用，与吸收法同属于传统技术，而吸附法和膜分离方法是 20 世纪70 年代才逐步发展起来的新兴分离技术。2.1低温深冷法低温深冷法是将混合气体通过压缩冷却等方法进行液化，再依据各组分沸点值的差异，经精馏实现分离。低温深冷法在捕集二氧化碳含量超过 60%的混合气体中已得到商业化应用，但在低浓度二氧化碳捕集研究还比较少，如从燃烧后烟气中捕集二氧化碳。水蒸气对低温深冷法的影响较大，需提前去除，因水蒸气在冷却过程中会形成二氧化碳笼合物和冰，造成管道堵塞6。在油田现场强化采油的二氧化碳回收及食品级二氧化碳制备中，因组分中二氧化碳含量高，低温深冷法得到应用，神华 105 t/年 CCS 项目也采用低温深冷法的分离工艺，针对其他高经济价值的气体如氦气，目前约 90%的氦气通过低温深冷法提取7。低温深冷法的优点在于不需使用化学吸附剂，并且能产生高纯（99.95）和高得率的液态二氧化碳。但其缺点也明显，工艺设备投资大、工艺过程复杂、能耗高、操作弹性低，不适用于大规模低浓度烟气排放；低温深冷法预处理要求高，因此也限制了其在燃烧后二氧化碳捕集中的发展6。2.2吸收法吸收法是用液体溶剂来处理气体混合物，使目标气体组分溶解于溶剂中，达到分离的目的，其原理如图 2 所示。吸收法可分为化学吸收法和物理吸收法，两者的区别在于二氧化碳与吸附剂形成弱化学键中间化合物的化学反应6。化学吸收法是利用二氧化碳酸性的性质与碱性溶液进行吸收，将二氧化碳从混合气中分离出来。目前，应用最为广泛的化学吸收剂有单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲级二乙醇胺（MDEA）等。在化 图 1常用碳捕集技术分类Fig.1 Classification of common carbon capture technologies 图 2吸收法原理Fig.2 Principle of absorption method 54 农业工程生物环境与能源 学吸收的过程中，会形成一种稳态的弱联结化合物，在高温条件下该化合物会进行分解。化学吸收法优点：处理量大，吸收效率高，适于常压及低压低二氧化碳含量（3%20）的工况8。在众多的化学吸收剂中，单乙醇胺（MEA）法也被认为是最有应用前景的二氧化碳捕集技术之一9。化学吸收法不足之处：解吸过程高温、能耗高，并且吸收剂受热容易降解损耗，造成设备腐蚀和环境二次污染6。在现有二氧化碳捕集技术中只有燃烧后液胺化学吸收法实现了大型商业化运营10。华能公司在高碑店市和上海市两个电厂烟气二氧化碳捕集中均采用 MEA 方法。物理吸收法是利用溶剂在不同压力或温度条件下，不同组分在溶剂中溶解度的不同，而实现对目标气体进行吸收或解吸。二氧化碳物理吸收法主要有变压吸收和变温吸收8。一般情况，溶剂吸收二氧化碳容量的能力随压力增大或温度降低而增大，反之则减少。因而在碳捕集中，二氧化碳的吸收与解吸主要通过改变压力或温度来实现6。常用的吸收剂有水、有机醇类、二甲基甲酰胺等。物理吸收法的优点是吸收剂可循环使用，几乎没有损失，避免了设备腐蚀和二次污染。但物理吸收法的不足之处是吸收效率不高，选择性和吸附容量相对较低，仅适合分离高浓度的混合气，如沼气中的二氧化碳移除可以通过高压水洗法实现。2.3吸附法吸附是基于气体与吸附剂表面上活性点之间的分子间引力实现的，表现出气体或液体分子有吸着于固定物质表面的趋势，被吸附的物质称为吸附质，具有多孔表面的固体称为吸附剂11。吸附分离原理可分为选择性吸附、分子筛效应、微孔扩散和微孔中凝聚 4种类型，其原理如图 3 所示。吸附力比原子之间的共价键要弱，因而在一定的条件下吸附是可逆的。微观上吸附力的大小依据吸附剂和吸附质之间的键强弱来决定，宏观上表现出吸附法具有选择性分离的特点。按工艺不同，变压吸附分为传统变压吸附（PSA）、真空变压吸附（VPSA）和快速变压吸附（RPSA）3 种循环12。利用吸附法从混合气体中分离二氧化碳已有较长的应用历史，现在大量的示范项目采用吸附技术处理低压工业废气，但