【CO2 的吸收器】如何处理废气中的二氧化碳？

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吸附、分离、压入地下——从废气中清除气候杀手CO2，最好是彻底根除。碳捕获和封存技术CCS 就是快速地清除废气中CO2 的方法。最后，要将这些分离出来的CO2 气体压入到地下，例如压入到采空了的油田和天然气田中封存起来。国际气候变化委员会IPCC 估计：在规模化地采用CCS 碳捕获和封存技术之后，到2100 年时可以实现全球有害气体减排10%~55% 的目标。各火力发电厂能够把烟尘中的CO2 减少80%~90%。其他工业领域中得出的经验是：上世纪90 年代中期开采天然气时出现的CO2 气体都可以被泵送到地下。而且这种工艺技术非常简单，因为天然气中含有的CO2 气体非常纯，易于分离。而从烟尘气体中分离出CO2 气体则相对较难。在排气烟道中，CO2气体与气体可燃物质、氮气混合在一起——例如热电厂排出的废气中，CO2 的比例只有15%。目前的CO2 捕获和封存技术CCS 主要有三种技术方案：对烟尘气流进行清洗(后燃烧法)、减少煤炭气化(燃烧前捕获)和富氧燃烧过程。在这些方法中，可燃物质在烟气中燃烧殆尽。虽然它们产生的CO2 与常规燃烧过程中产生的CO2 量相同， 但这些CO2 不再与氮气混在一起。比较干净的、高度浓缩了的CO2 气体也可以用常规方法分离并存储起来。2008 年到2014 年间，德国勃兰登堡市Vattenfall 火电厂的一台30 MW 发电机组就尝试了这一工艺方案。其CO2 捕获设备能够把90% 的CO2 分离出来，从排放的烟尘中共清理了10 650 t CO2。在与Sack Power 公司的合作项目中，该试验成果也将在加拿大新建的火力发电厂中加以应用。

烟囱中的反应

另一种替代技术方案是：在煤炭燃烧前的煤炭气化过程中就把CO 除去;从水煤气合成催化出的混合气中捕获CO2，分离出氢。在足够的压力下，CO2 的分压足以高效地完成物理吸附。由于燃烧前已将大部分的碳元素分离出来，因此人们把这一技术方法称之为燃烧前捕获技术。这一技术的优点是效率损失低(不到10%)。尽管煤炭气化在蒸汽联合循环发电中生产发电蒸汽时有着很高的技术难度，但从2011 年开始荷兰Buggenum 市的一套试验设备已经开始运行了。当然，CO2 分离工序也可以衔接在燃烧过程之后。此时，烟尘气体的清洗是废气排放过程中的“末端”技术。在这一技术方案中，虽然整个燃烧设备的工作过程没有发生变化，但必需把烟尘中的主要成分氮气也分离出来。为达此目的，就要把天然气净化中著名的胺洗技术移植到电厂烟气处理中：CO2 附聚在微小的液体胺滴上，沉淀在汽提塔中，还原成CO2气体。同时科研人员也在探讨在排气循环过程中利用碳酸盐分离出CO2 的工艺技术。在这一工艺方案中，加氧的碳酸盐高温焙烧会重新释放出钙盐和CO2。这一工艺方案因必需的再生步骤和大气氮的作用所需的能源较高。据联邦经济与技术部BMWI 估计：当火力发电厂采用了燃烧前捕获技术后，一次能源的消耗将提高30%~40%。现在，应该利用化学吸收过程把CO2 分离出来。在德国巴登州弗里德里希市召开的国际蒸馏和吸附技术大会上，这一话题占据了最重要的位置。会议中，Eon 和Fluor 的工作组介绍了处理烟气中污染物的经验。尤其是烟气中像硫化氢(H2S)、氮氧化物和二氧化硫(SO2)一类的污染物在清洗烟尘时会与清洗剂发生化学反应，必需在烟气清洗之前排除干净。但这些反应物不可能100% 的清除干净，少量的“逃脱”是不可避免的。因此必需不断添加一定量的新鲜清洗剂——在Ecoamin 的技术中，添加量为每吨CO2 6 kg 胺;在Mitsubishi 的技术中为每吨0.35 kg 胺。其他研究则侧重于脱除添加的清洗剂方面，例如慕尼黑技术大学与鲁尔热电厂RWE 合作，对不同的脱除媒介进行研究。他们研究得出， 负责碳捕获和封存CCS 的步骤要消耗大量的能源：在汽提塔中， 大约在塔内温度150℃时清洗剂开始脱离CO2。今天，典型的燃烧前捕获技术捕获1 t CO2 要消耗大约2.5~3 KMJ 的能量。而所消耗能量的多少与所使用的清洗剂有关;试验表明最常使用的单乙醇胺(MEA)虽然有着最好的反应效率，但也是非常耗能的反应过程。两全其美呢?因此，科研人员开始了全新工艺的探索——占据空间更小、能源消耗更少的MAG 膜气体吸附法成为研究重点。烟气沿着疏液性的膜排出，在烟气流动过程中，CO2可以扩散到疏液膜上。类似的方法已经成功应用于天然气输送中，在烟气排出时只是CO2 的浓度相对降低罢了。膜气体吸附法的吸附效率低于气体洗涤技术。而把膜气体吸附与吸附器结合在一起则是一件两全其美的完美组合：通过气体与洗涤剂的分离能够把氧或者氮氧化物减少到最小程度。而且这种方法也无需大型的吸附塔。它能在洗涤剂的帮助下明显地提高CO2 的浓度，从而减少化学和能源的消耗。若能够成功地实现吸膜的主动运转，则能够明显 地提高CO2 的分离效率，但迄今为止这一技术方法还在实验阶段。化学技术能够阻止气候变暖吗?目前来看CCS 并不是一副万能的灵丹妙药，但它却是一个重要的帮助。不仅是机械工程师和电气工程师，流程工艺工程师们也在为未来的火力发电出谋划策——借助于烟囱里的吸附技术。

syhorchid

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