二氧化碳捕集技术及适用场景分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22056

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 502-513.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22056

二氧化碳捕集技术及适用场景分析

胡道成¹, 王睿², 赵瑞³, 孙楠楠⁴, 徐冬³, 刘丽影²

^1.国家能源投资集团有限责任公司，北京市　东城区 100011
^2.国家环境保护与生态工业重点实验室(东北大学)，辽宁省　沈阳市 110819
^3.国家能源集团新能源技术研究院有限公司，北京市　昌平区 102209
^4.中国科学院上海高等研究院，上海市　浦东新区 201210

收稿日期:2023-01-20 出版日期:2023-08-31 发布日期:2023-08-29
通讯作者: 刘丽影
作者简介:胡道成(1976)，男，硕士，高级工程师，长期从事电力环保研究与电力科技管理工作，daocheng.hu@chnenergy.com.cn；
王睿(1998)，男，硕士研究生，研究方向为二氧化碳捕集，1310751904@qq.com；
赵瑞(1984)，女，博士，高级工程师，研究方向为碳捕集与利用技术，rui.zhao.z@chnenergy.com.cn；
孙楠楠(1983)，男，博士，研究员，研究方向为碳捕集利用与封存技术与战略，sunnn@sari.ac.cn；
徐冬(1982)，男，博士，高级工程师，长期从事电力环保、清洁能源与CCUS研发工作，dong.xu@chnenergy.com.cn；
刘丽影(1982)，女，博士、副教授，长期从事CCUS、气体吸附分离研究，liuly@smm.neu.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2017YFB0603305);国家能源投资集团有限责任公司项目(GJNY-21-51)

Research on Carbon Dioxide Capture Technology and Suitable Scenarios

Daocheng HU¹, Rui WANG², Rui ZHAO³, Nannan SUN⁴, Dong XU³, Liying LIU²

^1.China Energy Corporation Group Co. , Ltd. , Dongcheng District, Beijing 100011, China
^2.SEP Key Laboratory of Eco-industry(Northeastern University), Shenyang 110819, Liaoning Province, China
^3.New Energy Technology Research Institute, China Energy, Changping District, Beijing 102209, China
^4.Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Pudong New Area, Shanghai 201210, China

Received:2023-01-20 Published:2023-08-31 Online:2023-08-29
Contact: Liying LIU
Supported by:
National Key R&D Program of China(2017YFB0603305);China Energy Corporation Group Co., Ltd., Project(GJNY-21-51)

摘要/Abstract

摘要：

工业发展带来了CO₂的大量排放，在实现碳达峰碳中和目标的过程中，碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS)技术是不可或缺的关键技术。现阶段技术成熟度较高且未来发展潜力大的碳捕集方法为燃烧后碳捕集技术，主要有吸收法、吸附法、膜法以及深冷法等。对最常用的4种碳捕集方法的发展与工业应用情况进行介绍，分析了几种方法的工业适用场景，尤其是目前正在运行的大型碳捕集项目中应用最多的化学吸收法与物理吸附法。化学吸收法、吸附法以及膜法碳捕集技术的未来发展潜力巨大，能够快速推进双碳目标的达成，助力碳的近零排放。

关键词: 二氧化碳捕集, 吸附法, 膜法, 深冷法

Abstract:

The development of industry has brought a large amount of CO₂ emissions. In the process of achieving the goal of carbon peak and carbon neutralization, carbon dioxide capture, utilization and storage (CCUS) technology is an indispensable key technology. The carbon capture method with high technology maturity at this stage and great development potential in the future is post combustion carbon capture technology, mainly including solvent absorption, adsorption, membrane method and cryogenic distillation. The development and industrial application of the four most commonly used carbon capture methods were briefly introduced, and the industrial applicability of several methods was analyzed, especially the chemical absorption method and physical adsorption method, which are most widely used in large-scale carbon capture projects currently running. Chemical absorption method, adsorption method and membrane carbon capture technology have great development potential in the future, which can quickly promote the achievement of the goal of double carbon and help the near-zero emission of carbon.

Key words: carbon dioxide capture, adsorption method, membrane method, cryogenic distillation

中图分类号:

TK 09

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图/表 4

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方法	优点	不足
氨水法	吸收容量较大，再生能耗相对较低，协同脱除其他酸性气体	吸收速率极慢，氨逃逸损失大，难以控制
热钾碱法	吸收成本低，再生能耗相对较小，稳定性好	吸收速率慢，需要添加活化剂，吸收容量小
醇胺法	吸收容量大，吸收速率快，适合低浓度低分压二氧化碳气源的碳捕集	投资成本较大，再生能耗较高，腐蚀性问题不容忽略

方法	优点	不足
氨水法	吸收容量较大，再生能耗相对较低，协同脱除其他酸性气体	吸收速率极慢，氨逃逸损失大，难以控制
热钾碱法	吸收成本低，再生能耗相对较小，稳定性好	吸收速率慢，需要添加活化剂，吸收容量小
醇胺法	吸收容量大，吸收速率快，适合低浓度低分压二氧化碳气源的碳捕集	投资成本较大，再生能耗较高，腐蚀性问题不容忽略

方法	优点	不足
PSA/VPSA	工艺成熟，应用场景广泛，吸附材料使用周期长	吸附剂需求量大，设备多，占地大
TSA	能够对低品位余热资源有效利用，再生程度高	升温慢，循环解吸时间长，能耗高，对吸附剂的损伤大
ESA	加热迅速，升温速率独立控制，吸附系统紧凑^[35]	吸附剂需要具有适宜的导电性
PTSA	再生程度彻底，解吸附快，循环周期短	能量消耗较高，对吸附剂要求较高

方法	优点	不足
PSA/VPSA	工艺成熟，应用场景广泛，吸附材料使用周期长	吸附剂需求量大，设备多，占地大
TSA	能够对低品位余热资源有效利用，再生程度高	升温慢，循环解吸时间长，能耗高，对吸附剂的损伤大
ESA	加热迅速，升温速率独立控制，吸附系统紧凑^[35]	吸附剂需要具有适宜的导电性
PTSA	再生程度彻底，解吸附快，循环周期短	能量消耗较高，对吸附剂要求较高

方法	优点	不足	发展方向
化学吸收法	烟气处理量大，分离效率高，产品气中CO₂纯度高，工艺技术成熟度高	吸收剂成本较高，解吸过程能耗大，影响电厂的发电效率；胺损失与腐蚀情况严重	研究有效的节能工艺，优化工艺流程、降低成本，开发新型低能耗吸收剂并逐步实现其工业化应用
物理吸收法	吸收剂化学性质稳定，不易降解；对环境影响小；能耗较低；技术成熟度高	CO₂脱除效率低，吸收剂成本高，只有在低温高压环境下吸收效率高，产品气纯度易受H₂S的影响	对现有的几种物理吸收法工艺进行改进或综合目前的物理吸收法工艺的优点发展新工艺；寻找理化性能与稳定性能更好、对CO₂溶解度更大的吸收剂
吸附法	对环境友好，能耗低，工艺流程较简单，自动化程度高	对CO₂的选择性较低，分离效率不高；不耐高湿气源；吸附剂在运输及使用过程中易损耗	开发高吸附选择性及性能更稳定的吸附剂；开发适用于高湿烟气的吸附剂及其配套工艺
膜分离法	运行过程能耗低，设备紧凑性好，工艺简单易维护	对气源要求大，不耐高温，尚不能连续作业，分离容量小，技术成熟度不高	寻找或合成适用的膜材料，主要是膜的选择透过性与耐热耐高温性能；研究与其他方法的耦合使用
深冷法	工艺耗水少，对环境无污染	冷凝过程能耗大，设备庞大	探寻效率更高、效果更好的制冷工艺

二氧化碳捕集技术及适用场景分析

Research on Carbon Dioxide Capture Technology and Suitable Scenarios

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图/表 4

参考文献 74

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本文评价

方法	适用气源	适用场景
化学吸收法	中低CO₂浓度气源；低CO₂分压湿气源	燃烧前：低CO₂浓度天然气脱碳燃烧后烟气(一般CO₂体积分数<20%)：燃煤电厂烟气；天然气发电厂烟气；水泥窑烟气；垃圾焚烧厂烟气；钢铁厂直接铁还原烟气
物理吸收法	适合于压强大，气源中其他气体与CO₂的溶解度差异大的气源	燃烧前： 1）中高CO₂浓度天然气脱碳(CO₂体积分数>30%)； 2）生物质沼气、化肥厂(生活垃圾、污泥、农业废弃物、食物残渣)(CO₂体积分数30%~40%)； 3）IGCC合成气(煤气化后的合成气，CO₂体积分数15%；水煤气变换单元后的合成气，CO₂体积分数>35%)
吸附法	压强大、低流量、杂质气体组分少的低湿气源	燃烧前：1）小规模中等浓度天然气气田开采(CO₂体积分数>30%)；2）IGCC合成气(煤气化后的合成气(CO₂体积分数约15%)；水煤气变换单元后的合成气(CO₂体积分数>35%) 燃烧后：干燥后的燃烧后烟气(CO₂体积分数为15%~20%)
膜法	压强大、CO₂分压高、气源杂质气体少且与CO₂的渗透速率差异较大的气源	燃烧前：1）中高CO₂浓度和中低气量的天然气脱碳(CO₂体积分数>30%)；2）油田伴生气脱碳燃烧后：经过脱硫脱硝以及干燥的燃烧后烟气
深冷法	压强大、CO₂浓度很高的气源(CO₂体积分数>60%)	1）富氧燃烧后烟气中CO₂分离；2）CO₂含量很大的天然气井开采

[1]	汪丽, 张欢, 叶舣, 赵兴雷. N-氨乙基哌嗪与甘氨酸钠CO₂吸收剂配方研究[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 674-684.
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