用于二氧化碳捕集的化学吸收剂研究进展

近年来,在全球大力推进碳中和的背景之下,碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的发展进入“快车道”。在整个CCUS产业链条中,碳捕集既是首要环节也是重要节点。常用的碳捕集方法有化学吸收法、膜分离法和物理吸附法等,其中化学吸收法被认为是目前最有市场应用前景的二氧化碳捕集技术,但高能耗与高成本限制了其大规模发展。目前化学吸收法的研究重点主要集中于吸收剂的优化,以降低能耗。对近年来报道的多种化学吸收剂进行了分析和总结,主要聚焦各类化学吸收剂的吸收性能、吸收机理、优缺点和增强途径等方面,并对其未来发展前景进行了展望,以对高效化学吸收剂的开发提供借鉴。

化学吸收法捕集二氧化碳的研究进展

近年来,由于化石燃料的大量燃烧,二氧化碳的排放量剧增,进而引起了一系列生态问题。因此,研究更有效的二氧化碳捕集技术及更高效的二氧化碳吸收剂迫在眉睫。众多学者综合考虑燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧3种二氧化碳捕集工艺技术后,发现燃烧后捕集工艺技术最适合工业应用。化学吸收法作为燃烧后捕集二氧化碳的一项高效节能、相对成熟的新兴技术,是目前电厂应用最广和最具潜力的捕集技术之一。首先介绍了碳捕集技术的研究现状,然后着重阐述了目前碳捕集技术中备受关注的4种化学吸收剂,即有机胺溶液吸收剂、离子液体吸收剂、氨水溶液吸收剂和新型相变吸收剂,并分别探讨了这4种吸收剂的捕集原理、研究现状、各自的优缺点及改进方向。

高炉烟气碳捕集吸收剂性能影响分析

高炉烟气进行碳捕集可有效降低高炉工序的碳排放。采用化学吸收的方式进行高炉烟气碳捕集,对几种主要吸收剂进行高炉烟气碳捕集能力研究。通过自主搭建的模拟碳捕集试验装置,研究氨水、乙醇胺(MEA)等吸收剂对20%CO_(2)含量的高炉烟气的碳捕集情况,分析其碳捕集能力与再生再利用能力。结果表明,氨水的碳捕集能力最强,每千克溶液捕集CO_(2)可达105.4 L,比捕集量最少的MEA溶液高出了71.38%。此外,各吸收剂CO_(2)的解吸率可达92%以上,仅MEA解吸率为68.94%。重复利用的吸收剂碳捕集能力也达原先的90%以上。同时研究发现,高炉烟气中除尘灰会使有机胺吸收剂在升温解吸过程中降解,使碳捕集能力降低20%左右。本文可为后续开发适宜高炉工序的吸收剂与高炉碳捕集工艺奠定理论基础。

考虑富氧燃烧碳捕集技术和源荷双侧响应的综合能源系统优化调度

为降低燃气轮机的碳排放水平和提高灵活性,提出了计及富氧燃烧碳捕集技术和源荷双侧响应的综合能源系统低碳经济优化策略。首先,研究了富氧燃烧技术的运行原理及其能流特性,并构建空分制氧设备和碳捕集设备的耦合模型;其次,引入可调的热电比作为供给侧响应策略,需求侧对于电力、热能以及气负荷的特性进行综合权衡,借助能源价格的引导,并考虑其相互之间的可替代属性形成需求侧响应机制;最后,通过计及气负荷碳排放的阶梯式碳交易约束碳排放,以系统运行成本为目标优化各时段机组出力。设置多场景进行仿真分析,结果表明富氧燃烧碳捕集技术能够有效减少系统的碳排放量,源荷双侧响应能够灵活调节供给侧与需求侧的供能关系,并有效减少系统运行成本。

基于重整煤气喷吹-氧气高炉的富氧燃烧碳捕集方案

碳捕集利用与封存(简称CCUS)技术是钢铁行业实现碳中和目标的可行选择,但是我国钢铁生产以高炉-转炉长流程生产为主,产生碳排放的工序众多且碳浓度较低,目前仍缺少经济高效的碳捕集方案。在此背景下,通过引入气化炉用于重整炉顶煤气,改进现有炉顶煤气循环-氧气高炉工艺的炉顶煤气循环方式,耦合富氧燃烧碳捕集技术,提出一种基于重整煤气喷吹-氧气高炉的富氧燃烧碳捕集方案,并利用Aspen Plus建模计算和碳流分析评估了该方案的节能减排潜力。结果表明:富氧燃烧碳捕集技术与氧气高炉低碳冶炼工艺有着良好的承接性与耦合性,两者耦合能够降低钢铁行业碳捕集的难度;富氧燃烧单位CO_(2)的捕集能耗为2623.91 kJ/kg,比现有的醇胺法的碳捕集能耗低51.4%,比变压吸附法的碳捕集能耗低26.2%;生产每吨钢材可通过富氧燃烧捕集到1.5 t CO_(2),有望实现钢铁生产过程的CO_(2)净零排放。总的来说,该方案能够在高炉低碳冶炼的基础上进行低成本、大规模的碳捕集,是钢铁行业绿色低碳转型的可行方案。

弱碱性吸收剂碳捕集及CO_(2)富液生物再生性能

碳捕集转化一体化工艺能利用CO_(2)转化过程同步实现CO_(2)富液再生,有望降低碳捕集转化整体成本。为评价生物甲烷化与碳捕集耦合的可行性,首先,在填料塔中考察了以4.2 g/L NaHCO_(3)、6 g/L Na_(2)CO_(3)、微生物营养液配制的弱碱性吸收剂(pH=10)对模拟烟气中CO_(2)的吸收性能;其次,在厌氧瓶内利用生物甲烷化过程对CO_(2)富液开展5个周期的循环再生试验。结果表明,填料塔气体流量≤1.0 L/min时,随液体流量增加,所有试验组CO_(2)去除率逐渐上升并能稳定在80%以上,该填料塔液体流量宜≤0.9 L/min;不同气体流量(0.4~1.2 L/min)下填料塔体积总传质系数基本稳定在17~19 mol/(h·kPa·m^(3));CO_(2)吸收导致吸收液中NaHCO_(3)增加、Na_(2)CO_(3)减少,二者变量比值在1.2~1.9。气体流量为0.6 L/min、液体流量为0.7 L/min时,在维持80%以上CO_(2)去除率的前提下,该弱碱性吸收剂可循环使用6次,此时活性组分CO_(3)^(2-)利用率达89.5%,形成的CO_(2)富液中总无机碳量为0.127 mol/L,pH为8.82,能为生物甲烷化微生物提供适宜的生长环境。CO_(2)富液循环生物再生试验表明,每次再生后的吸收剂CO_(2)吸收量基本稳定在69.6~78.6 mmol/L,且再生期间CH 4产生过程具有良好的重复性;再生试验后,Firmicutes、Actinobacteriota等耐碱性门水平细菌得到一定富集;氢营养型产甲烷菌在再生前后古菌属中占比均接近99%,但再生试验期间弱碱性环境导致Methanobrevibacter相对丰度降低了19.5%,unclassified_f_Methanobacteriaceae增加了18.7%。初步证实了碳捕集耦合生物甲烷化工艺的可行性。

化学吸收法捕集二氧化碳研究进展

化学吸收法是目前电厂捕集烟气中二氧化碳应用最广泛的方法。本文主要介绍了以醇胺、热钾碱溶液、氨水等为吸收剂的化学吸收法,从目前的研究现状、吸收原理及优缺点进行分析,并探讨了未来二氧化碳捕集研究的方向,化学吸收法捕集CO_2的研究主要集中在对吸收剂的探寻中,同时,离子液体、金属有机骨架、膜分离技术等其他捕集技术的发展大大推进了二氧化碳捕集的进展。

液体吸收剂捕集燃烧后CO_(2)的研究进展

近年来,以胺溶液、氨溶液、碳酸盐溶液等为代表的液体吸收剂在捕集CO_(2)方面表现出了处理能力大、价格廉价、技术成熟和应用广泛等特点,未来有望成为更经济、高效、绿色和可持续的碳捕集材料。本文首先综述了目前使用液体吸收剂捕集燃烧后CO_(2)的现状,介绍了液体吸收剂捕集CO_(2)的机理、影响因素以及增强捕集性能的策略和挑战。然后对比了各种液体吸收剂在捕集CO_(2)方面的优缺点,并展望了液体吸收剂未来发展的前景。分析表明,单一液体吸收剂在捕集CO_(2)方面性能相对较差,可以通过添加剂、抑制剂和共混物等手段进行改良。对现有工艺改进并结合新技术可以降低捕集过程中的能耗,但经济评估仍需加强。此外,当前的研究主要集中于单组分气体或双组分混合气体,未来的研究应多开展使用液体吸收剂捕集多组分混合气体中的CO_(2)。

水泥窑烟气相变吸收剂碳捕集工艺模拟研究

本文通过Aspen Plus模拟软件建立了水泥窑烟气相变吸收剂碳捕集工艺模型,通过该模型,对水泥窑烟气相变吸收剂碳捕集工艺进行了工况分析、灵敏度分析、工艺优化分析等计算,掌握工艺过程中的关键工艺参数对工艺系统的影响规律,摸清楚工艺特点,为工程实践提供理论依据和数据支持。根据模拟计算的分析结果,得到以下几点结论:①PZ配比控制在5%,MDEA控制在30%即可;②吸收剂进料温度控制在30℃为宜;③吸收塔填料高度10m;④建议再生温度控制在100℃以下,高过100℃,再生能耗会显著提高;⑤基于以上筛选的关键工艺参数,MDEA+PZ体系相变吸收剂再生能耗在2.59GJ/tCO_(2),结合工艺改进及优化,当贫富液换热温差控制在5℃,采用富液分级流工艺,分级流比例控制在5%时,相变吸收剂的再生能耗为2.36GJ/tCO_(2)。

燃煤电厂烟气CO_(2)捕集化学吸收剂研发进展

按照化学吸收剂的研究发展历程,综述了单一胺吸收剂、混合胺吸收剂、双相吸收剂、少水吸收剂和离子液体等化学吸收剂的技术特点和性能差异,并结合具体案例介绍了燃烧后化学吸收法捕集技术的进展情况。由于传统单一胺吸收剂再生能耗高,固体酸催化剂、部分氨基酸及衍生物或部分金属离子常用来辅助再生过程从而降低能耗。混合胺吸收剂将具有不同优势性能的伯胺、仲胺、叔胺或位阻胺等按照不同比例复配来提升吸收剂性能,双相吸收剂吸收后仅对富液相再生可以有效降低再生能耗。工业应用中常用2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)降低黏度,聚乙二醇二甲醚(NHD)或亚砜促进分相。少水吸收剂使用物理溶剂代替传统的水,降低含水量从而减少再生能耗。常用物理溶剂主要是醇类及其衍生物。此外,通过在传统离子液体中引入伯胺基团等制成CO_(2)吸收性能更好的功能化离子液体,乙二醇(EG)、正丙醇、单乙醇胺(MEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)等与部分功能性离子液体复配可降低黏度和再生热。然而,目前吸收剂还存在能耗高、易降解及吸收剂胺逃逸等问题,亟待开发能耗低、损耗低、成本低、吸收性能良好的化学吸收剂以实现烟气CO_(2)捕集技术规模化应用。

基于专利数据的CO_(2)捕集工艺节能降耗化学吸收剂的技术研发方向研究

CO_(2)捕集技术是CCUS工艺系统中最关键的环节,化学吸收法是发展最为成熟的燃烧后CO_(2)捕集方法。本文从CO_(2)捕集工艺节能降耗化学吸收剂的角度,采用专利定量方法对CO_(2)工艺节能降耗化学吸收剂技术发展以来的国内外专利进行分析,对全球与中国专利申请宏观态势、专利技术情况、各国专利技术流向等进行了研发阶段的专利导航,以期为国内相关研究人员在专利技术布局、专利竞争态势等方面提供专利申请建议。

MA-2吸收剂在国能锦界电厂15万t/a碳捕集装置上的应用研究

由中石化南京化工研究院开发的MA系列(用于低分压碳捕集)吸收剂已经在国内近10套万吨级碳捕集示范装置上成功运行。较为详细地讨论了该系列中MA-2吸收剂在国能锦界电厂15万t/a碳捕集装置上的运行情况,在设计进气量条件下,考察了气液比、捕集率等因素对再生能耗的影响并确定了较优值分别为34 m3/m3及95.2%,对应再生能耗最低为2.72 GJ/t。在上述条件下又逐步考察半富液级间冷却、富液分流、贫液MVR等节能工艺对再生能耗的影响并确定较优值,即当富液分流比为5%,级间冷却为40℃,MVR压差为50 kPa时,装置再生能耗最低仅为2.30 GJ/t。考察了不同工况下MA-2吸收剂的逃逸情况为31~59 mg/m3。

醇胺类吸收剂在船载碳捕集系统中的应用研究

船载碳捕集系统将二氧化碳从船舶排放源中分离后暂存于船舶,靠岸到港后进行再利用或封存,是实现船舶减排降碳最直接的技术之一。伴随着碳排放交易和碳税等市场机制催化作用,船载碳捕集系统有望成为航运减碳的重要手段。从船舶排放特征入手,尤其是远洋船舶,从醇胺类吸收剂研究进展、碳捕集工艺流程优化及工程应用的角度出发,对碳捕集系统在船舶应用环境下的适应性进行系统性概述,并对船载碳捕集系统的未来发展方向提出展望。

生物质热电厂化学吸收碳捕集控制策略改进

从生物质热电厂捕集CO_(2)时,生物质原料和电厂热电需求变化会影响化学吸收碳捕集系统性能。为应对这种影响,基于对传统反馈控制策略(控制策略A)的控制性能评估,提出了再沸器负荷控制的改进策略(控制策略B)以实现捕集率恒定。控制策略B以控制策略A为基础,引入了基于富液流量的前馈补偿,组成前馈+反馈的控制策略。通过对比2种控制策略的控制性能、灵活操作性能和捕集系统性能,寻求适合生物质热电厂化学吸收碳捕集的控制策略。基于实际生物质热电厂化学吸收碳捕集系统的动态仿真,得出以下结论:相对于控制策略A,控制策略B的前馈补偿缩短了再沸器负荷对外界扰动的响应时间,提高了对再沸器负荷调节的及时性和准确性,将捕集率调节时间缩短了54 min;面对捕集率设定值的灵活改变,控制策略B将稳定捕集率所需时间缩短了57.9%;在外界持续干扰下,控制策略B将捕集率维持在设定值±3%的同时,捕集单位质量CO_(2)能耗降低了0.14%,CO_(2)捕集总量提升了0.35%。同时,动态仿真与传统稳态模拟结果表明,动态仿真能更准确体现外界扰动对捕集系统的影响,为有关流程的集成和优化提供参考。

全球水泥行业全氧燃烧耦合碳捕集技术领域规模最大项目试运行

1月9日,青州中联年产20万t二氧化碳全氧燃烧富集提纯示范项目顺利点火;1月12日,该示范项目举行试生产运行庆祝仪式,标志着该示范项目全面进入试生产运行阶段。据悉,该示范项目是目前全球水泥行业全氧燃烧耦合碳捕集技术领域规模最大、山东省内首套、中国建材集团水泥版块第一个碳捕集利用项目,已列入首批全国建材行业重点科技攻关“揭榜挂帅”项目。该示范项目由天津水泥院和上海凯盛节能联合攻关,青州中联投资建设。

碳捕集工艺中吸收剂的应用进展

目前,将碳捕集技术用于燃煤电厂烟气处理是一种较为成熟的碳捕集技术,然而其能耗较高、设备投资成本较大制约着该技术的推广。为此,学术界和工业界做了诸多努力以降低该技术的成本,提高碳捕集能效。其中,高性能碳捕集吸收剂的开发能效尤为重要。本文综述了国内外已有碳捕集装置的捕集能力以及现有吸收剂的优劣,最后给出碳捕集工艺吸收剂应用的成本分析。

二氧化碳捕集化学吸收剂的研究进展

为应对二氧化碳过度排放导致全球变暖的环境危机问题,中国提出“碳达峰、碳中和”的战略目标,二氧化碳捕集技术日益成为研究热点。该文主要针对液相化学捕集(溶剂吸收法)技术,重点介绍了醇胺类化合物、碳酸钾、氨水、离子液体和相变材料等二氧化碳捕集化学吸收剂的最新研究进展,详细介绍了各类吸收剂的化学反应机理、性能的优缺点、改进的方向以及面临的挑战,并对化学吸收剂未来发展方向进行了展望。

燃煤烟气化学吸收碳捕集系统分析与优化

系统工艺优化是有效降低化学吸收法碳捕集成本的手段之一。本文以1000MW燃煤机组燃烧后烟气化学吸收CO_2捕集系统为研究对象,建立该系统碳捕集能耗模型和成本模型;在此基础上研究各流程参数对碳捕集能耗及成本的影响规律并获得基于正交设计的最优参数组合。结果显示:CO_2脱除率、吸收剂质量浓度、贫富液换热器端差能显著影响系统碳捕集能耗及成本。随着CO_2脱除率的增加(50%~90%)、吸收剂浓度的增大,脱碳系统的CO_2避免成本下降,而对于贫富液换热器端差,存在一个最优值7℃,使得CO_2避免成本最小。本次研究得到的优化方案的再生热耗为3.61GJ/t CO_2,相比基础方案下降10.9%;单位投资为3156.7元/k W,相比基础方案下降12.2%;单位运行成本为177.3元/t CO_2,相比基础方案下降8.0%;CO_2避免成本为315.86元/t CO_2,与基础方案的364.52元/t CO_2相比,下降13.3%。

世界最大化学链碳捕集装备试验成功

近日,东方电气集团所属东方锅炉在国际上首次实现化学链碳捕集装备系统试验成功。该技术可在燃烧源头直接得到90%浓度以上的二氧化碳,预期比传统碳捕集技术成本减少三分之二,是碳捕集技术领域的颠覆性创新。这项技术将为全球电力、供热、石化、化工、油气等行业的深度脱碳提供全新方案,对“双碳”目标的实现具有重要意义。化学链燃烧技术是一种不同于传统技术的全新的碳捕集技术,通过载氧体将空气中的氧传递给燃料,避免空气与燃料直接接触,使燃烧产生的二氧化碳不被空气中的氮气所稀释,从而实现二氧化碳在燃料转化源头的自分离。化学链燃烧使用载氧体,就像“氧气快递员”,把空气中的氧气带到燃料中燃烧,直接生成高浓度二氧化碳,实现了从源头捕捉二氧化碳,预期成本比传统碳捕集技术减少三分之二,是低成本、高效率、大规模碳捕集的颠覆性新技术。

基于化学吸收法的二氧化碳捕集技术研究进展

化学吸收法是二氧化碳捕集技术中最具潜力、应用最广泛的碳捕集技术,但再生能耗高的问题仍普遍存在,加大了碳捕集的成本,制约了化学吸收碳捕集技术的推广。从化学吸收剂(胺类吸收剂、两相吸收剂、均相少水吸收剂、离子液体与低共熔溶剂)和工艺(吸收工艺优化、解吸工艺优化与复合工艺优化)两方面进行了总结,并对化学吸收法的未来发展进行了展望。分析表明,未来的重点研究方向是开发新型混合胺体系,研发低共熔溶剂,降低两相吸收剂、少水吸收剂与功能化离子液体的黏度与成本以及实现吸收剂低能耗再生;改进吸收工艺与解吸工艺时要充分利用系统中的余热,复合工艺改进需合理耦合若干个单一工艺优化方法,以最大程度降低系统能耗。