CO2脱除技术的研究现状.doc

CO2脱除技术的研究现状 摘要：随着全球温室效益的加剧，以CO2为代表的温室气体减排问题愈来愈受到广泛的关注。本文阐述了多种CO2脱除技术，比较分析了物理溶剂吸收法、膜分离法、吸附法、低温分离法、O2/CO2循环燃烧法、胺法、氨法等技术的特点。 关键词：CO2脱除、物理溶剂吸收法、膜分离法、循环燃烧法、胺法、氨法 世界上约75%的CO2排放来自化石燃料燃烧，其中煤炭是一种高CO2排放燃料。现有电厂CO2年排放量约106亿吨，占全世界排放总量的40.16% ，其中燃煤电厂76亿吨，占发电行业排放量的 72%[1-3]。因此，采用捕集、储存或利用电厂烟气中CO2的方法被认为是近期内减缓CO2排放较为可行的措施。现有电厂烟气中CO2脱除技术主要有吸收法、吸附法、膜法、低温法等[4-6]。本文对CO2脱除技术的应用、反应机理、研究进展等做了总结和分析。 1 物理溶剂吸收法 物理吸收法的原理是利用各组分在溶剂中的溶解度随着压力、温度变化的原理来进行分离，从而达到分离处理CO2的目的。在整个吸收过程中不发生化学反应，因而消耗的能量比化学吸收法少，通常物理吸收法中吸收剂吸收CO2的能力随着压力增加和温度降低而增大，反之则减小。物理吸收法中常用的吸收剂有丙烯酸酯、N-甲基-2-D吡咯烷酮、甲醇、二甲醚乙醇、聚乙二醇以及噻吩烷等高沸点溶剂。目前，典型物理吸收法有环丁砜法、加压水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、、低温甲醇法、碳酸丙烯酯法等。物理吸收法由于CO2在溶剂中的溶解服从亨利定律，因此这种方法仅适用于CO2分压较高的条件下。 2 膜分离法 目前CO2膜分离技术已经在天然气净化等工业中得到了一定的应用，但从整体上来说仍处于发展阶段。高性能CO2分离膜制备技术的缺乏制约了该技术的进一步发展，因此现在科研人员都在致力于开发高性能CO2分离膜。气体膜分离是由不同气体组分透过膜的速率不同而实现的，形成速率不同的主导原因导致选择透过机制有多种。根据选择透过机制的不同可将CO2分离膜分为扩散选择膜、溶解选择膜、反应选择膜及分子筛分选择膜四大类[7, 8]。 2.1 扩散选择膜 CO2渗透系数为5~10Barrer，CO2/ N2分离因子为20~30。但是这些膜的选择性还远不能满足捕集CO2的要求，一些研究者通过设计合适的分子结构，使膜的聚合物链段能够“刚”、“柔”搭配，并堆积成合适的孔结构，从而提高CO2的扩散性，降低N2的扩散性，由此使膜的透过性和选择性提高，如国际著名的气体膜研究专家Koros的研究。但由于CO2与N2的分子动力学直径相近，经过这种方法调控后，膜的分离性能仍不能满足捕集CO2的要求。如何精确调控聚合物链段尺寸，使CO2扩散性增强而N2的扩散性减低，是研究者面临的一个难题。 2.2 分子筛分选择膜 CO2/ N2分离因子能够满足二级过程分离的要求，但是CO2渗透速率还较低，成本较高，炭膜的气体分离性能还有待提高。 2.3 溶解选择膜 CO2为四极矩分子，根据相似相溶原理，在膜内引入极性基团可能增加 CO2在膜中的溶解度，进而增加膜对CO2的透过选择性。Lin和Freeman等研究了含有不同极性基团的聚合物膜的CO2/ N2透过分离性能，结果表明，羰基、酰胺等基团的增加都会大幅度降低CO2渗透系数，而醚氧键的增加则会使CO2渗透系数大幅度提高。尽管大多数含醚氧键膜的气体分离性能比扩散选择膜有了一定程度的提高，但仍不能满足捕集CO2的要求，目前的含醚氧键膜的气体分离性能还需提高。 2.4 反应选择膜 CO2透过性和选择性。然而，液膜固有的一些缺陷却阻碍了它的大规模商业化应用，其中最严重的缺点是液膜具有较低的稳定性和使用寿命。一些研究者尝试采用适当的方法将载体固定化。其中，固定载体膜近年来备受学者关注。固定载体膜是利用接枝、共聚或改性等手段将活性载体固定在膜内，由于载体通常以共价键形式被固定在基膜上，因此阻止了使用过程中载体流失现象，是一类极具发展前途的气体分离膜。 3 低温分离法 低温分离技术是气体分离中一种重要的方法广泛应用于工业气体的生产中，国际上有些科研机构已开始采用低温法来分离捕集烟气、天然气以及煤气化过程中的CO2。Kourosh[9]等以及Doukelis[10]等提出了一种低温分离液化烟气中CO2的系统，该方法将烟气经过压缩干燥后进入冷却塔冷却，接着经过气液分离器将CO2液体从混合气中分离出来。Huang[11]等基于这种思想，对富氧燃烧与低温法结合的燃煤电厂烟气中CO2捕集过程进行了模拟，但是该方法捕集到的CO2仍然为气体，还需要进行压缩冷却变成CO2液体。David[13]等提出用低温法从IGCC联合循环的煤气化合成气中捕集CO2的方法，合成气在压缩到5.13Mpa后，经过预冷 利用制冷剂对合成气进行逐级冷却，被冷却的