二氧化碳的捕集、封存与综合利用
前言
近年来，温室效应加剧问题使环境与经济可持续发展面临严峻的挑战。因此，引起温室效应和全球气候变化的二氧化碳的减排技术成为各国关注的焦点，如何从源头减少二氧化碳排放和降低大气中二氧化碳的含量成为挑战人类智慧的难题。中国作为一个发展中国家，主要以煤炭的消费为主，主要的CO2排放源为燃煤的发电厂。从总量上看，目前我国的二氧化碳排放量已位居世界第二，预计到2025年，我国的CO2总排放量很可能超过美国，位居世界第一。因此，我国急需对所排放的二氧化碳进行捕获研究，以缓解我国的空气污染压力。目前CO2的应用领域得到了广泛开拓，除了众所周知的碳酸饮料、消防灭火外，工业、农业、国防、医疗等部门都在使用CO2。科学研究己经证明，CO2具有较高的民用和工业价值:以CO2为原料可合成基本化工原料；以CO2为溶剂进行超临界萃取；还可应用于食物工程、激光技术、核工业等尖端高科技领域；近年来开发出的新用途如棚菜气肥、保鲜、生产可降解塑料等也展现出良好发展前景。[1]
1.CO2捕集系统
CO2捕获技术发展的方向是降低技术的投资费用和运行能耗。依据捕获系统的技术基础和适用性，通常将火电厂CO2的捕集系统分为以下4种：燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、富氧燃烧技术以及化学链燃烧技术。
1.1 燃烧后脱碳
燃烧后脱碳是指采用适当的方法在燃烧设备后，如电厂的锅炉或者燃气轮机，从排放的烟气中脱除CO2的过程。
在燃烧后捕集技术中，由于烟气中CO2分压通常小于0. 15个大气压，因此需要与CO2结合力较强的化学吸收剂分离捕集CO2，用于CO2捕集的化学吸收剂主要是能与CO2反应生成水溶性复合物的有机醇胺类。目前在CO2捕集方面研究和采用较多是醇胺法(MEA法)。[2]
燃烧后捕集技术是一种成熟的技术，这种技术的主要优点是适用范围广，系统原理简单，对现有电站继承性好。但捕集系统因烟气体积流量大、CO2的分压小，脱碳
的捕集成本较高。
过程的能耗较大，设备的投资和运行成本较高，而造成CO
2
1.2 燃烧前脱碳
燃烧前脱碳就是在碳基原料燃烧前，采用合适的方法将化学能从碳中转移出来，然后将碳与携带能量的其他物质分离，从而达到脱碳的目的。燃烧前分离捕集CO2实质上是H2和CO2的分离，由于合成气的压力一般在2. 7MPa以上(取决于气化工艺)，CO2的分压远高于化石燃料在空气燃烧后烟气中的CO2分压。典型的燃烧前CO2捕集流程分三步实施:
(1)合成气的制取：将煤炭、石油焦、天然气等燃料与水蒸气、氧气进行不完全的燃烧反应，生成CO和H2的合成气。
(2)水煤气变换：将合成气的CO进一步与水蒸气发生CO变换反应，生成CO2和H2。
(3)H2/CO2分离：将不含能量的CO2同能量载体H2分离，为后续的氢能量利用和CO2封存等作准备。[3]
燃烧前捕集技术的成本比燃烧后捕集技术的成本低，具有较大的发展潜力。
1.3 富氧燃烧
该技术是利用空分系统获得富氧或纯氧，然后将燃料与氧气一同输送到专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，生成烟气的主要成分是CO2和水蒸气。一般需要对燃烧后的烟气进行重新回注燃烧炉，这一方面降低燃烧温度；另一方而也进一步提高了CO2的体积分数。由于烟气中CO2的体积分数高，可显著降低CO2捕获的能耗，但必须采用专门的纯氧燃烧技术，需要专门材料的纯氧燃烧设备以及空分系统，这将大幅度提高系统的投资成本，目前大型的纯氧燃烧技术仍处于研究阶段。
1.4 化学链燃烧
化学链燃烧技术的能量释放机理是通过燃料与空气不直接接触的无火焰化学反应，打破了自古以来的火焰燃烧概念。这种新的能量释放方法是新一代的能源环境动力系统，它开拓了根除燃料型、热力型NO x产生与回收CO2的新途径。
化学链燃烧技术是与空气不直接接触的情况下，燃料与金属氧化物反应，CO2产生在专门的反应器中，从而避免了空气对CO2的稀释。金属氧化物与燃料进行隔绝空气的反应，产生热能、金属单质以及CO2和水，金属单质再输送到空气反应器中与氧气进行反应，再生为金属氧化物。反应生成的CO2和水处于反应器中，所以CO2的捕获非常容易。[4]该法的经济性要依靠大量可以无数次循环再生的有活性的载氧体，控制载氧体的磨损和惰性是该技术的关键。由于其经济性好，作为烟气中捕集分离CO2的方法前景看好。
1.5 CO2分离技术
无论采取何种捕集系统，其关键技术都是CO2的分离，即将CO2同其它物质相分离，以便于后续的工艺处理。根据分离的原理、动力和载体，CO2分离技术主要有吸收法、吸附法、膜分离法和深冷法等。
1.5.1 吸收法
（1）化学吸收法
化学吸附法是利用CO2和吸附液之间的化学反应将CO2从排气中分离回收的方法。典型的化学吸收剂有一乙醇氨（MEA）、二乙醇氨（DEA）和甲基二乙醇氨（MDEA）等。此法为湿式吸收法可与湿式脱硫装置联合使用。其反应式为：
+OH HCO3-
CO
此反应为一可逆反应，温度对反应有很大的影响，反应一般在38℃左右吸收CO2，吸收CO2，反应向右进行，当温度在100℃，反应向左进行，放出CO2。[5]化学吸收法目前存在的主要问题是：①由于在吸收塔内有起泡、夹带等现象，使烟气净化系统复杂，能量消耗和投资都很大；②由于烟气中含有少量的O2、CO、SO2等气体，在再生塔的高温条件下，一方面会与吸收液反应，使吸收液浓度下降，吸收效率降低，另一方面会腐蚀再生塔，影响设备寿命。③处理高炉咽气时，由于反应的温度是在100℃以下，就要对高温气体换热，处理的设备增多，加大了投资。
（2）物理吸收法
物理吸收法主要是利用水、甲醇、碳酸丙稀脂等作为吸收剂，利用CO2在这些溶液中的溶解度随压力而改变的原理来吸CO2气体。这种方法主要在低温高压下进行，吸收能力大，吸收利用量少，吸收剂再生不需要加热，溶剂不起泡，不腐蚀设备。但只能适用于CO2气体分压较高的条件，CO2的去除率较低。
1.5.2 物理吸附
物理吸附法是利用天然存在的沸石等吸附剂CO2气体具有选择吸附的性质，对CO2气体进行分离的方法。利用吸附量随压力变化而使某种气体分离回收的方法称为变压吸附法（PSA），变压吸附工艺(PSA法)，工艺过程简单，能耗低，适应能力强，无腐蚀问题。但CO2的回收率比较低，适用于CO2浓度比较高的情况。利用吸附量随温度变化而分离回收某种气体的方法称为变温吸附法（TSA）二者结合在一起的为PTSA法。
1.5.3 膜法分离
利用高分子膜分离气体是基于混合气体中CO2气体与其他组分透过膜材料的速度不同而实现CO2气体与其他组分的分离。主要有气体分离膜技术和气体吸附膜技术，这两种膜分离技术在火电厂分离回收CO2过程中有较大的应用前景。此外，膜分离技术还可用于从天然气中分离CO2，从沼气中去除CO2。膜分离法具有装置简单、操作方便、能耗较低等优点。但是很难得到高纯度的CO2。
1.5.4 低温分离法
低温分离法是通过低温冷凝分离CO2的一种物理过程，一般是将烟气多次压缩和冷却后，引起CO2的相变，从而达到从烟气中分离CO2的目的。
2.二氧化碳的封存
日前降低大气中二氧化碳的方法包括对能源的合理和有效使用；用天然气代替煤做燃料；用风能、太阳能和核能代替化石能源；通过热带雨林、树木或农场等的陆地封存，海洋处置，矿物封存以及地质封存等。其中，利用自然界光合作用等方式来吸收并贮存二氧化碳是最直接且副作用最小的方法。
2.1 地质封存
地质封存是将二氧化碳加压灌注到合适的地层中，然后通过物理和化学俘获机理实现永久封存。
为把CO2储存到地底下，作为地质结构条件必须具有储存层、密封层和密封结构。作为储存层，以多孔质、具有渗透性的岩石层为宜，这种岩石层相当于孔隙大的含水层。CO2在地底下的储存深度通常也称为地下深部盐水层，这是因为地层水的盐分高，故而称之为地下深部盐水层。作为密封层，有渗透率低的页岩和泥质岩等。作为密封结构，必须是储存层的上部具有密封层的结构，如岩穹结构等。因此，所谓的CO2在地底下的储存，就是把超临界状态下的CO2压入地底下800m深的含水层，利用防止气体和液体向储存层上部渗透的冠岩层，可将CO2长期、稳定地密封在地底下。与地质封存关联的另一种处理方式是CO2的再利用。即将CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收这种方案比较具有吸引力，因其能够从额外开采的石油中部分补偿CO2的储存成本，但缺点是这类油田的地理分布不均，且开采潜力有限。如果二氧化碳从封存的地点泄漏到大气中，那么就可能引发显著的气候变化。[6]如果泄漏到地层深处，就可能给人类、生态系统和地下水造成灾害。此外，对地质封存二氧化碳效果进行测试的科学家发现，被注入地层深处的二氧化碳还会破坏储藏带的物质。
CO2在地底下的储存技术可应用于增加地底下储藏的天然气的开采量和石油增产回收等，因此它被认为是一种实用、有效的方法。
2.2 海洋封存
海洋处置是指通过管道或船舶将二氧化碳运输到海洋封存的地点，将二氧化碳注入海洋的水柱体或海底。目前CO2的海洋封存主要有2种方案：一种是通过船或管道将CO2输送到封存地点井注入1000m以上深度的海中，使其自然溶解；另一种是
将CO2注入3000m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此会在海底形成固态的CO2水化物或液态的CO2“湖”，从而大大延缓了CO2分解到环境中的过程。
在海洋封存二氧化碳的研究中，海洋生态环境是一个必须要慎重考虑的环节。深海中的洋流运动以及密度差、温度差等引起的海水运动甚至包括还没有被我们发现的大型深海动物的出现都有可能影响到我们在海洋中封存二氧化碳的技术实施。
被溶解和消散的二氧化碳随后会成为全球碳循环的一部分。这一方法存在许多问题。一是海洋处置费用昂贵；二是二氧化碳进入海洋会对海洋生态系统产生危害。研究表明，海水中如果溶解了过多的二氧化碳，海水的PH值就会下降，这可能对海洋生物的生长产生重要的影响。三是海洋处置绝非一劳永逸之举，贮藏在海洋中的二氧化碳会缓慢地逸出水面，回归大气。因此，二氧化碳的海洋处置只能暂时缓解二氧化碳在大气中的积累，并非是一劳永逸的。
2.3 矿石碳化
二氧化碳的矿物封存主要是利用各种天然存在的矿石与二氧化碳进行碳酸化反应得到稳定的碳酸盐的方法来储存二氧化碳，与其他封存方式相比，具有许多优点：一是由于碳酸盐的热稳定性及其对环境无任何影响，因此二氧化碳矿物封存是一种最安全、最永恒的固定方式；二是用于二氧化碳矿物封存的原料来源丰富、储量巨大、价格低廉，因此具有大规模固定的潜力和经济效益。由于碳酸盐的自由能比二氧化碳的要低，因此，矿物碳酸化反应从理论上来讲是可行的。
以含有钙镁硅酸盐的矿石为例，CO2与钙镁硅酸盐反应的一般形式为:
M x Si y O x+2y+z H2z(s)+x CO2(g)—―x MCO3(s)+y SiO2(s)+z H2O(l/g)
M=Mg，Ca
二氧化碳碳化后不会释放到大气中，因此相关的风险很小。但在自然条件下，矿物与二氧化碳的反应速率相当缓慢，因此需要对矿物作增强性预处理，但这是非常耗能的，据推测采用这种方式封存CO2的发电厂要多消耗60%到180%的能源。并且由于受到技术上可开采的硅酸盐储量的限制，矿石碳化封存CO2的潜力可能并不乐观。因此其研究重点在于寻找各种加工途径使这一进程加快。
3.二氧化碳的综合利用
二氧化碳在常温常压下是无色无臭气体，在常温下加压即可液化或固化，安全无毒，使用方便，加上其含量非常丰富，因此随着地球能源的日益紧张，现代工业的迅速发展，二氧化碳的利用越来越受到人们的重视，许多国家都在研究把二氧化碳作为“潜在碳资源”加以综合利用，早在19世纪30年代，我国就开始将二氧化碳用于合成有机化合物、灭火、致冷、金属保护焊接、制造充气饮料、灭菌等方面。
3.1 CO2在化工合成上的应用
CO2除了成熟的化工利用(例如合成尿素、生产碳酸盐、阿司匹林、制取脂肪酸和水杨酸及其衍生物等)以外，现在又研究成功了许多新的工艺方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然气、乙烯、内烯等低级烃类，合成甲醇、壬醇、草酸及其衍生物、丙酯及芳烃的烷基化，合成高分了单体及进行一元或二元共聚，制成了一系列高分了材料等。另外，利用CO2代替传统的农药作杀虫剂，也在研究之中。
3.1.1 合成碳酸二甲酯
碳酸二甲醋（DMC）是一种无毒、环保性能优异、用途广泛的化工原料。DMC 是一种非常重要有机合成中间体，可替代光气、硫酸二甲酯，氯甲烷及氯甲酸甲酯等剧毒或致癌物，广泛用于碳基化、甲氧基化、甲酯化及酯交换等反应，被誉为当今有机合成的“新基石”，同时由于DMC含氧量高、相容性好，可作为燃油添加剂来提高燃油的辛烷值。目前碳酸二甲酯的工业生产主要采用甲醇氧化羰基化法和酯交换法。甲醇氧化羰基化法是以CO为原料，在O2和催化剂的存在下，进行甲醇氧化羰基化反应生成DMC。CO2与甲醇直接合成DMC：
CO2+2CH3OH→CH3OCOOCH3+H2O
利用CO2与甲醇催化合成碳酸二甲酯，催化剂分为两类，均相反应和非均相反应催化体系。均相催化主要有：烷氧基金属有机化合物(如有机锡、钛烷氧基化合物及甲氧基金属化合物)和乙酸盐、碳酸盐催化剂体系；非均相催化体系催化剂为酸碱双功能催化剂。
3.1.2 CO2加氢合成甲醇
西南化工研究设计院利用铜基催化剂进行CO2+ H2直接合成甲醇研究，取得很好的进展。催化剂表现出高的活性和选择性，具有一定的应用价值，利用新开发的催
化剂，在5.0～8.0 MPa下，n(H2) /n(CO2)≈3时，CO2总转化率可达39%，纯甲醇的时空收率可达0.94g/ml ·h，且反应产物中杂质较少。CO2加氢制甲醇反应方程式如下: CO2+3H2=CH3OH+H2O
从测试过程看，该反应比CO2和H2合成甲醇反应要温和，温升现象不明显，催化剂表现比较稳定。如果未来利用核能电解水提供廉价的氢源，不但可以很好地解决CO2带来的环境问题，而目可以实现碳源的循环利用。
3.1.3 CO2加氢合成二甲醚
近年来人们所关注的是CO2加氢制甲醇。但由于该反应是可逆反应，受热力学平衡的限制，CO2转化率难以达到较高值。为了使反应打破热力学平衡的限制，人们已开始关注CO2加氢直接合成二甲醚，因为它不仅打破了CO2加氢制甲醇的热力学平衡，使CO2的转化率得以提高，而且还可通过对该反应的研究，了解CO2在传统的合成气直接制取二甲醚反应中所扮演的角色，以改善现有的工艺过程。
日前，该合成二甲醚过程还处于探索阶段，我国很多高校及科研单位研究的催化剂都是复合催化剂即具有脱氢脱水双功能，但是这种双功能催化剂活性组分的匹配和失活问题等仍需进一步的研究。[7]
3.1.4 其他的有机合成
以CO2为原料还可生产一系列其他有机化工产品，主要有双氰胺、碳酸丙烯酯、碳酸乙撑酯、水杨酸、对甲基水杨酸、对羟基苯甲酸、2-羟基-3-萘甲酸等，此外还可利用CO2来合成甲烷，乙醇、草酸、二甲胺、二甲基甲酰胺、乙酸、甲酸和丙酸等。
3.2 CO2在农业上的应用
作为一种廉价的原料，二氧化碳可用于蔬菜、瓜果的保鲜贮藏和粮食的贮藏。在现代化仓库里常充入二氧化碳，可防止粮食虫蛀和蔬菜腐烂，延长保存期。用二氧化碳贮藏的食品，由于缺氧和二氧化碳本身的抑制作用，可有效地防止食品中细菌、霉菌和虫了生长，避免变质和有害健康的过氧化物产生，并能保鲜和维持食品原有的风味和营养成分，二氧化碳不会造成谷物中药物残留和大气污染，将二氧化碳通入大米仓库24h能使99%的虫子死亡。温室里直接施用二氧化碳作肥料，利用植物根部吸收二氧化碳，可以增进植物的光合作用，增加蔬菜的生长速度，缩短其生长周期，增加产量，提高温室的经济效益。另外，二氧化碳作为人工降雨剂，能解决久旱无雨，庄
稼失收的问题，用飞机在高空喷洒固态的二氧化碳，可以使空气中水蒸气冷凝，形成人工降雨。在自然界，二氧化碳保证了绿色植物进行光合作用和海洋浮游植物呼吸的需要。
3.3 CO2在一般工业上的应用
CO2是很好的致冷剂。它不仅冷却速度快，操作性能好，不浸湿产品，不会造成一次污染，而且投资少，人力省。利用CO2保护电弧焊接，既可避免金属表面氧化，又可使焊接速度提高9倍。最近美国制成了不受烟、砂石和烟雾妨碍，能够正确测定距离的CO2激光测距器。CO2在石油工业上的应用已较成熟。这首先体现在提高石油的采油率上。CO2作为油田注入剂，可有效地驱油。另外，CO2用作油田洗井用剂，效果也十分理想。日前，地热资源是能源开发的重大课题。低温和较低温区的地下热水最多，而目没有得到充分利用，其最大难题是利用地下热水发电时的工作介质不理想，国际上用氟里昂和异丁烷所进行的试验都证明没有希望。然而，用CO2作工作介质，利用较低温地下热水资源来发电，已在罗马尼亚研究成功，并转入国家发电网。
4.存在问题
(1)地质封存：比较理想的地质封存环境是无商业开采价值的深部煤层(并促进煤层天然气回收)、油田(并促进石油回收率)、枯竭天然气田、深部咸水含水地层。封存深度一般要在800 m以下，该深度的温压条件可使CO2处于高密度的液态或超临界状态。其他可能的地质构造或结构还包括玄武岩、石油或天然气储岩、盐穴和废弃矿井，但目前尚未开展过充分的研究以全面评估不同地质封存体的封存潜力。地质封存是CO2封存最为经济可行并且环境上可接受的方案，可以采用石油和天然气工业已在使用的钻井技术，将压缩的CO2注入地表以下的合适储体岩层中。各种物理、化学的俘获机理将阻止CO2向地面移动：首先，储层构造上覆的页岩、泥岩、石灰岩等致密盖层岩石起到了CO2向上迁移的物理隔离作用；其次，地质岩层中的毛细管力可将CO2物理捕获在储层的孔隙中，毛细管力倾向于阻止CO2进入帽岩，只要排斥力大于CO2的超孔隙压力，CO2就不能渗入帽层，这是地质封存中最重要的水力学机理；三是化学捕获的机制，CO2与现场流体及储层体会发生化学反应，首先CO2可在储层中的地
下水中溶解(在深部地层条件下质量溶解度为4-6%)，并随其缓慢流动，深部地层水的流速一般在10cm/a以下，极其缓慢，在1000年后，这部分CO2移动不到100 m，而沉积盆地延绵数十到上千km，充满CO2的水密度增大而沉落在储层构造底部，另外溶解的CO2与储层体中的岩石矿物会发生反应而生成某些粘土矿物和碳酸盐，从而被长期固定在地层中；如果储层为煤或有机物丰富的页岩时，CO2将置换围岩中的甲烷类有机气体，这样CO2的被捕获状态将更加稳定，利用这一原理，CO2可用于石油、煤层气企业强化驱替增采过程。
(2)海洋储藏：通过固定管道或船舶将CO2注入并溶解到海洋水体中(以1000m下最为常见)，因为海洋是可以溶解CO2的，海平面与大气圈中的CO2就是长期维持着溶解平衡状态；或者经固定的管道将CO2输送到深度3000 m以下的海床上，在这个深度，CO2的密度大于水，因此将形成一个CO2的“湖”并稳定沉淀。目前这些技术仍处于研究阶段，没有经过全面测试及环评试验。
(3)化学储藏：通过化学反应将CO2与金属氧化物发生反应，转化成无机碳酸盐，从而达到永久性的封存，这方面的技术也处于研究阶段，但小规模的应用已经取得成功。然而，这种技术需要大量能源、矿物和废弃物处置。
5.展望
随着研究的不断深入和多种新兴技术的成熟，CO2捕集成本将进一步降低，并为CO2捕集与封存技术的大规模部署做出贡献。在现有的二类CO2捕集技术中，燃烧后捕集技术和氧燃烧捕集技术适用于现有CO2排放源的改造，有望较早实现工业化应用。在燃烧后捕集技术中，醇胺化学吸收法是成熟的CO2捕集方法，而冷氨法是最具备商业化的新型CO2捕集方法。未来能得到广泛应用的CO2主流捕集技术，取决于不同国家，各个学科的科研人员共同开发与研究的成果以及经济环境等因素的综合比较结果。
实现CO2的资源转化，不仅能生成有机燃料，合成其他有机化工原料，中间体或有机化工产品，同时还可以减少由其他化工原料反应而带来的环境污染问题。目前研究虽然还不够成熟，但已经取得了一定的进展，前景是良好的，加强这方面的研究，
使CO2有效地成为有用的化工资源，对解决环境问题、能源问题和化工原料问题都具有重大的意义。[8]尽管在发达国家中CO2在各个领域中得到了广泛的应用，但还需要在CO2下游化工产品的开发等新用途上进行强有力的研究，突破其发展的瓶颈，真正建立起以CO2为碳源的独立工业体系。在不久的将来，CO2将成为煤、石油和天然气的代用品，为人类造福。
参考文献
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碳收集中的二氧化碳捕获封存技术(CCS) CO2作为含碳能源消耗过程中产生的最主要温室气体，设法对其进行节能减排而捕捉和封存成为各国关注的焦点。本文综述了碳捕获和碳封存的技术方法，以及CCS技术在储存方面存在的问题。 CCS技术概述 二氧化碳（CO2）捕获和封存技术（Carbon Capture and Storage）简称CCS技术。CCS 技术是减少排放二氧化碳，迈向低碳，应对全球气候变暖的重要手段。 CCS技术是将工业和有关能源产业所生产的二氧化碳分离出来，再通过碳储存手段，将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方。通过此过程，CO2将被压缩、输送并封存在地质构造、海洋、碳酸盐矿石中，或是用于工业流程。 它主要用于处理大型的CO2点源排放，例如大型化石燃料或生物能源设施，主要CO2排放型工业、天然气生产、合成燃料工厂以及基于化石燃料的制氢工厂等。 CCS技术目前仍有很多亟待解决的问题，包括： ①二氧化碳的永久安全埋存； ②二氧化碳能否对环境产生负面影响，特别是生物多样性； ③如何采取国际协商一致的程序以独立核查监测二氧化碳的相关活动； ④怎样降低碳捕集埋存的成本，以大规模实施这一技术等。
找到解决这些问题的方法需要进行相应的工业实践及理论研究。 在理论上，CO2的捕获封存技术包含了捕获和封存两个方面。碳捕获分为燃烧前捕获、富氧燃烧捕获和燃烧后捕获。碳封存方式有地质封存、工业利用、矿石碳化及生态封存等，其中地质封存是主流方式。 碳捕获 1.燃烧前捕集技术 燃烧前捕集技术的反应阶段如下： 首先化石燃料先同氧气或者蒸汽反应，产生以CO2和H2为主的混合气体（称为合成气）。 待合成气冷却后，再经过蒸汽转化反应，使合成气中的CO转化为CO2，并产生更多的H2。 最后，将H2从CO2与H2的混合气中分离，干燥的混合气中CO2的含量可达15%～60%，总压力2～7MPa。 CO2从混合气体中分离并捕获和存储，H2被用作燃气联合循环的燃料送入燃气轮机，进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电。这一过程也就是考虑了碳的捕获和存储的煤气化联合循环发电（IGCC）。 从CO2和H2的混合气中分离CO2的方法包括：变压吸附、化学吸收、物理吸收（常用于具有高的CO2分压或高的总压的混合气的分离）、膜分离（聚合物膜、陶瓷膜）等。
碳捕捉与封存 链接：https://www.doczj.com/doc/a013819905.html,/baike/2285.html 碳捕捉与封存 百科名片 碳捕捉，就是捕捉释放到大气中的二氧化碳，压缩之后，压回到枯竭的油田和天然气领域或者其他安全的地下场所。吸引力在于能够减少燃烧化石燃料产生的有害气体——温室气体。在世界石油会议（WPC）上，能源行业的老总们都热切希望把它当作一个解决气候将变暖的方案。但是，技术瓶颈仍然存在，大规模发展的价格依然昂贵，让项目进行困难重重。 封存 一个经常被谈及的可能性就是碳捕捉和封存（CCS），也就是把二氧化碳深埋于地下。能源公司对这项技术有着很高的期望。 但是有两个问题。其一是没人知道这项技术是不是真的那么管用（或者说，是不是深埋的二氧化碳不会泄露）。另外一点便是虽然我们还不知道效果如何，可以肯定的一点是CCS技术很贵--它高昂的成本甚至使替代能源都显得十分具有吸引力。 原理 捕捉 “捕捉”碳并不难。二氧化碳和胺类物质发生反应。二者在低温情况下结合，在高温中分离。这样，可以使电厂产生的废气在排放前通过胺液，分离出其中的二氧化碳；之后在适当的地方加热胺液就可以释放二氧化碳。更好的方法是使煤和水发生反应，产生一种二氧化碳和氢气的混合物。在这种混合物中二氧化碳含量比一般电厂废气中的更高，所以更容易分离。之后燃烧的就是纯氢气了。 这套处理工序成本很高，但没有证据表明这个方 碳捕捉 法是没有效果的。丹麦一家使用单乙醇胺做二氧化碳吸收剂的实验厂已经运行了两年。法国的阿尔斯通公司一所设在威斯康星的使用氨水捕捉碳的实验基地也即将建成完工。 埋藏 真正麻烦的是下一个步骤。二氧化碳需要长期埋藏，因此必须达到很多要求。要成功地封存二氧化碳，需要一块在地平面1000米以下的岩体。在这样的深度，压力会将二氧化碳转换成所谓的“超临界流体”，只有这样状态的二氧化碳才不容易泄露。另外，这片岩体还要有足够多的气孔和裂缝来容纳二氧化碳。最后，还需要一块没有气孔和裂缝的岩层来防止泄露。 原文地址：https://www.doczj.com/doc/a013819905.html,/baike/2285.html 页面 1 / 1
附件 二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）Technical Guideline on Environmental Risk Assessment for Carbon Dioxide Capture,Utilization and Storage(on Trial)
目次 前言 (5) 1总则 (6) 1.1适用范围 (6) 1.2规范性引用文件 (6) 1.3术语与定义 (6) 2环境风险评估工作程序 (7) 2.1评估流程 (7) 2.2评估范围 (8) 3主要环境风险源 (8) 3.1捕集环节的环境风险源 (8) 3.2运输环节的环境风险源 (9) 3.3地质利用与封存环节的环境风险源 (9) 4环境风险受体 (10) 5确定环境本底值 (10) 6环境风险评估 (10) 6.1环境风险可能性界定 (10) 6.2影响界定 (10) 6.3环境风险水平评估 (11) 7环境风险管理 (11)
前言 为贯彻落实《关于加强碳捕集、利用和封存试验示范项目环境保护工作的通知》（环办[2013]101号）要求，规范和指导二氧化碳捕集、利用与封存项目的环境风险评估工作，制定本指南。 本指南以当前技术发展和应用状况为依据，规定了一般性的原则、内容以及框架性程序、方法和要求，可作为二氧化碳捕集、利用和封存环境风险评估工作的参考技术资料。 本指南为首次发布，将根据环境管理要求及技术发展情况适时修订。 本指南由环境保护部科技标准司组织制定。 本指南主要起草单位：环境保护部环境规划院、中国科学院武汉岩土力学研究所、环境保护部环境工程评估中心和中国地质调查局水文地质环境地质调查中心。 本指南自2016年7月1日起实施。 本指南由环境保护部解释。
CO2捕捉及封存技术研究进展* 钟栋梁1刘道平2邬志敏2 （1.重庆大学动力工程学院，重庆 400030；2.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093） 摘要重点讨论了CO2捕捉与封存技术，包括针对火力发电厂的后燃烧处理、预燃烧处理和加氧燃烧处理技术，以及针对CO2固定的植树造林、海洋施肥、光合作用、矿物碳化和气体水合物等技术，期望为CO2捕捉与封存技术的研发提供重要参考。 关键词CO2大气环境煤烟气捕捉 Progress in the development of carbon dioxide capture and sequestration technologies Zhong Dongliang1，Liu Daoping2，Wu Zhimin2.(1.School of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030；2.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093) Abstract：The huge amount of CO2 emitted into the atmosphere has been threatening the earth environment seriously. This paper emphatically discussed the technologies of CO2 capture and sequestration, including post-combustion process, pre-combustion process and Oxy-combustion process, which are mainly used in the fossil-fueled power plants. The process such as forestation, ocean fertilization, photosynthesis, mineral carbonation, and gas hydrate are widely used for carbon fixation. The introduction of these technologies is in the hope of making valuable references for the development of carbon dioxide capture and sequestration technologies. Keywords：carbon dioxide；atmospheric environment；coal；flue gas；capture 20世纪世界人口和能源消耗迅速增长。地球总人口翻了四番，超过了62亿。能源消耗从0.9×109 t石油当量（TOE）上升到1.02×1010 t。20世纪的煤炭消耗量占能源消耗总量的43％，石油消耗量占31％，天然气约占15%，而核能和水电的累积总量不超过10％，见图1，因此20世纪也被称作煤炭世纪[1]。本世纪人类社会除了面临能源供应紧张问题，还面临环境保护的巨大压力，尤其是温室效应问题。目前，世界能源消耗的85％来自化石燃料，火力发电厂的CO2排放占全球CO2总排量的40％，其中燃煤发电厂所占比重最大[2]。国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，2100年全球平均气温上升1.9 ℃，海平面升高38 m，同时伴随多个物种的灭绝[3]。因此，CO2作为最主要的温室气体，设法对其进行减排、捕捉和封存成为各国关注的焦点，同时也是世界各国科学研究人员急需解决的重大课题。 减少CO2排放量，目前主要有3种方式：（1）降低能源强度；（2）减少碳排放强度；（3）加强CO2隔离。第1种方式要求高效利用现有能源；第2种方式要求使用非化石燃料，例如，使用氢气或可再生能源；第3种方式则要求高度发展CO2分离和捕捉技术。CO2捕捉与封存技术被认为是缓解环境压力的中期解决方案，因为它允许人类继续使用化石能源直到可再生能源技术发展成熟。RIAHI等[4]研究了包含经济、人口及能源需求等因素的CO2 1第一作者：钟栋梁，男，1980年生，博士，研究方向为能源利用及水合物技术研究。 * 国家自然科学基金资助项目（No.50276038）。 1
我国碳捕集、利用和封存的现状评估和发展建议 碳捕集、利用和封存（以下简称“CCUS”）技术是未来全球实现大规模减排的关键技术之一，也是我国实现长期绝对减排和能源系统深度低碳转型的重要技术选择。2016年10月，国务院发布了《“十三五”控制温室气体排放工作方案》，提出“在煤基行业和油气开采行业开展碳捕集、利用和封存的规模化产业示范”、“推进工业领域碳捕集、利用和封存试点示范”，为我国下一步发展CCUS指明了方向。本文在深入研究和调研的基础上，总结评估了“十一五”以来我国CCUS的发展状况，分析了我国推动CCUS发展面临的挑战，提出了中长期推动我国CCUS发展的思路和政策建议。 一、我国发展CCUS的重要意义 CCUS是实现我国长期低碳发展的重要选择。国际上将碳捕集与封存（以下简称“CCS”）1作为实现长期绝对减排的重要措施。在国际能源署（IEA）的2℃情景下，到2050年，CCS将贡献1/6的减排量；2015-2050年间，CCS累计减排占全球总累计减排量的14%，其中中国CCS的减排贡献约占1/3。根据西北太平洋实验室及中国科学院武汉岩土力学研究所的测算，中国当前有超过1600个大型CO2排放源，包括火电厂、水泥厂、钢铁厂等，技术上可实现的碳捕集量超过 1 CCS与CCUS称呼略有不同但实质基本相同。国际上常用CCS，主要包括三个环节，即对二氧化碳进 行捕集、运输和地质封存；中国在此基础上，结合本国实际提出CCUS，在原有三个环节基础上增加了CO2 利用环节，可将CO2资源化利用并产生经济效益，在现有技术发展阶段更具有实际操作性。
38亿吨CO2，而通过强化采油、驱煤层气和盐水层封存等方式可封存的容量分别为10、10和1000亿吨CO2。此外，中国源汇匹配条件好，90%以上的大型碳源距潜在封存地在200公里以内。 CCUS是实现我国煤基能源系统低碳转型的必然选择。我国能源结构以煤为主，虽然近些年国家已经采取了极为严格的控煤措施并取得了显著成效，但预计在未来相当长时间内，煤炭消费总量仍将维持相当规模。例如，从发电用能结构看，即便煤炭占比以每年2个百分点的速度下降，降到30%仍需要15-20年的时间。CCUS同煤基能源的发展具有很好的耦合性，尤其在煤化工、火力发电等行业，尽管当前其实施成本仍较高，但如果碳排放的外部成本能被充分考虑并实现其内部化，将极大提升CCUS在这些行业的应用空间。随着国家对碳排放控制要求的不断提升和能源生产消费革命的积极推进，为实现我国能源系统的绿色低碳转型，CCUS应该也必然会成为煤炭合理化和清洁化利用的一个重要举措。 CCUS是促进我国低碳产业发展的重要支撑。尽管我国CCUS技术的发展起步较晚，但国家对CCUS技术的研发和示范非常重视，过去十几年投入了大量科研经费，推动CCUS技术水平不断提升。在碳捕集、利用和封存各个环节的技术水平上，我国都已经与发达国家处于同一水平线。未来如进一步加大CCUS技术示范力度，促进技术应用成本的不断下降，能逐步实现技术的规模化应用，不仅有助于我国在低碳技术领域占据国际制高点，更能带动相关低碳产业的发展和壮大。 CCUS是提升我国能源安全的积极动力。我国政府特别强调要加
二氧化碳捕集、利用与封存技术调研报告 一、调研背景 为减缓全球气候变化趋势，人类正在通过持续不断的研究以及国家间合作，从技术、经济、政策、法律等层面探寻长期有效地减少以二氧化碳为主的温室气体排放的解决途径。中国作为一个发展中国家，在自身扔面临发展经济、改善民生等艰巨情况下仍然对世界做出了到2020年全国单位国内生产总值CO2放比2005年下降40%至45%的承诺，这将会给中国的能源结构产生深渊的影响，也将会给经济发展带来一场深刻的变革。 二、CCUS技术与CCS技术对比 CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕获与封存）技术是指通过碳捕捉技术，将工业和有关能源产业所生产的二氧化碳分离出来，再通过碳储存手段。潜在的技术封存方式有：地质封存（在地质构造种，例如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池构造），海洋封存（直接释放到海洋水体中或海底）以及将CO2固化成无机碳酸盐。 CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕集、利用与封存）技术是CCS技术新的发展趋势，即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用，而不是简单地封存。与CCS相比，可以将二氧化碳资源化，能产生经济效益，更具有现实操作性。 中国的首要任务是保障发展，CCS技术建立在高能耗和高成本的基础上，该技术在中国的大范围推广与应用是不可取的，中国当前应当更加重视拓展二氧化碳资源性利用技术的研发。 三、二氧化碳主要捕集方法 目前主流的碳捕集工艺按操作时间可分为3类———燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集（燃烧中捕集）。三者个有优势，却又各有技术难题尚待解决，目前呈并行发展之势。 燃烧前捕集技术以煤气化联合循环（IGCC）技术为基础，先将煤炭气化呈清洁气体能源，从而把二氧化碳在燃烧前就分离出来，捕进入燃烧过程。而且二氧化碳的浓度和压力会因此提高，分离起来较为方便，是目前运行成本最低廉的捕集技术，问题在于，传统电厂无法用这项技术，而是需要重新建造专门的OGCC电站，其建造成本是现有传统发电厂的2倍以上。 燃烧后捕集可以直接应用于传统电厂，这一技术路线对传统电厂烟气中的二氧化碳进行捕集，投入相对较少。这项技术分支较多，可分为化学吸收法、物理吸收法、膜分离法、化学链分离法等等。其中，化学吸收法被认为市场前景最好，受厂商重视程度也最高，但设备
1.碳捕获和存储技术研究进展 一、前言 政府间气候变化专门委员会(IPCC)在第三次评估报告¨中指出，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。而这一气候变化的发生是与大气中温室气体的增加所产生的自然温室效应紧密联系的。CO2是其中对气候变化影响最大的气体，它产生的增温效应 占所有温室气体总增温效应的63％，且在大气中的留存期最长，可达到200年。 一系列的研究表明全球气候变化对自然生态系统造成重大影响，进而威胁到人类社会的生存和发展。为了应对气候变化可能带来的不利影响，20世纪80年代末以来，国际社会对气候变化问题给予了极大的关注和努力。1992年通过的《联合国气候变化框架公约》(以下简称公约)表达了国际社会应对气候变化挑战的行动意愿，是为解决气候变化问题建立的基 本国际政治和法律框架。1997年通过的《京都议定书》(以下简称议定书)规定了2008-2012年全球减少排放温室气体的具体目标，提出了发达国家减少温室气体排放的量化指标，该议定书已于2005年2月16日正式生效。 为了尽可能减少以二氧化碳(CO2)为主的温室气体排放，减缓全球气候变化趋势，人类正在通过持续不断的研究以及国家间合作，从技术、经济、政策、法律等层面探寻长期有效的解决途径。近年来兴起的二氧化碳捕获与封存(ccs)技术成为研究的热点和国际社会减少 温室气体排放的重要策略。 二、碳捕获和存储的科学和方法学问题 碳捕获和存储的种类很多，本文主要介绍地质碳捕获和存储(包括陆地地质结构和海底以下地质结构)及海洋碳捕获和存储。海洋碳捕获和存储主要有2种方式：一是将CO2通过固定管道或移动船舶注入或溶解到水柱中(通常在地下1 km)；二是通过固定管道或离岸平台 将其存放于深于3 km的海底。海洋碳捕获和存储及其生态影响仍处于研究阶段，因此，国际社会推动的只是地质碳捕获和存储，本文也不对海洋碳捕获和存储的技术及影响进行研究。 另外，地质碳捕获和存储与陆地、海洋生态系统的固碳是不同的，陆地、海洋生态系统对CO2的吸收是一种自然碳捕获和存储过程。陆地和海洋植物在其生长过程中，需要利用CO2合成有机物，它们能够在一定的浓度范围内吸收CO2。 2.1 碳捕获和存储的概念
二氧化碳的捕集、封存与综合利用
前言 近年来，温室效应加剧问题使环境与经济可持续发展面临严峻的挑战。因此，引起温室效应和全球气候变化的二氧化碳的减排技术成为各国关注的焦点，如何从源头减少二氧化碳排放和降低大气中二氧化碳的含量成为挑战人类智慧的难题。中国作为一个发展中国家，主要以煤炭的消费为主，主要的CO2排放源为燃煤的发电厂。从总量上看，目前我国的二氧化碳排放量已位居世界第二，预计到2025年，我国的CO2总排放量很可能超过美国，位居世界第一。因此，我国急需对所排放的二氧化碳进行捕获研究，以缓解我国的空气污染压力。目前CO2的应用领域得到了广泛开拓，除了众所周知的碳酸饮料、消防灭火外，工业、农业、国防、医疗等部门都在使用CO2。科学研究己经证明，CO2具有较高的民用和工业价值:以CO2为原料可合成基本化工原料；以CO2为溶剂进行超临界萃取；还可应用于食物工程、激光技术、核工业等尖端高科技领域；近年来开发出的新用途如棚菜气肥、保鲜、生产可降解塑料等也展现出良好发展前景。[1]
1.CO2捕集系统 CO2捕获技术发展的方向是降低技术的投资费用和运行能耗。依据捕获系统的技术基础和适用性，通常将火电厂CO2的捕集系统分为以下4种：燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、富氧燃烧技术以及化学链燃烧技术。 1.1 燃烧后脱碳 燃烧后脱碳是指采用适当的方法在燃烧设备后，如电厂的锅炉或者燃气轮机，从排放的烟气中脱除CO2的过程。 在燃烧后捕集技术中，由于烟气中CO2分压通常小于0. 15个大气压，因此需要与CO2结合力较强的化学吸收剂分离捕集CO2，用于CO2捕集的化学吸收剂主要是能与CO2反应生成水溶性复合物的有机醇胺类。目前在CO2捕集方面研究和采用较多是醇胺法(MEA法)。[2] 燃烧后捕集技术是一种成熟的技术，这种技术的主要优点是适用范围广，系统原理简单，对现有电站继承性好。但捕集系统因烟气体积流量大、CO2的分压小，脱碳 的捕集成本较高。 过程的能耗较大，设备的投资和运行成本较高，而造成CO 2 1.2 燃烧前脱碳 燃烧前脱碳就是在碳基原料燃烧前，采用合适的方法将化学能从碳中转移出来，然后将碳与携带能量的其他物质分离，从而达到脱碳的目的。燃烧前分离捕集CO2实质上是H2和CO2的分离，由于合成气的压力一般在2. 7MPa以上(取决于气化工艺)，CO2的分压远高于化石燃料在空气燃烧后烟气中的CO2分压。典型的燃烧前CO2捕集流程分三步实施: (1)合成气的制取：将煤炭、石油焦、天然气等燃料与水蒸气、氧气进行不完全的燃烧反应，生成CO和H2的合成气。 (2)水煤气变换：将合成气的CO进一步与水蒸气发生CO变换反应，生成CO2和H2。 (3)H2/CO2分离：将不含能量的CO2同能量载体H2分离，为后续的氢能量利用和CO2封存等作准备。[3] 燃烧前捕集技术的成本比燃烧后捕集技术的成本低，具有较大的发展潜力。
浅析碳捕集与封存技术 黄丹 20090390105 （郑州大学09级化工与能源学院热能与动力工程一班） 1.摘要 [Abstract] 全球气候变暖问题已经越来越严重，碳捕集与封存(CCS)技术被看作是最具发展前景的解决方案之一，随着研究的不断深入，CCS技术成本将进一步降低。碳捕集工艺按操作时间可分为燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集，其中最有发展前景的是富氧燃烧捕集。我国在CCS技术的研究上进行了大量工作，CCS技术已被列入“973计划”和“863计划”，但仍面临着很多问题，如二氧化碳泄漏问题、技术难点、建设和运行成本高昂等。好在种种迹象表明，随着全球气候问题的加剧，各国政府越来越重视CCS技术的研发和利用。 【关键词】 CCS技术二氧化碳碳捕集封存 Carbon Capture and Sequestration Technology [Abstract] Carbon capture and sequestration (CCS) technology is seen as one of the most promising solutions to deteriorating climate changes. As research progresses，the cost of CCS is set to decline. By operational time，carbon capture technology can be categorized into pre-combustion capture，enriched oxygen combustion capture and post-combustion capture technologies，of which the enriched oxygen combustion capture technology is the most promising. China has done a lot of work on the research of CCS technology. The development of this technology has been listed in the country′s 973 Plan and 863 Plan. Although substantial advance has been made in CCS technology ，many challenges remain，such as the leakage of CO2，technical bottlenecks and high facility construction and operational costs. The good news is that as global climate problems worsen，governments across the globe are putting increasing emphasis on the research，development and utilization of CCS technology. [Keywords] CCS technology；carbon dioxide；carbon capture；carbon sequestration 2引言 全球气候变暖问题已经越来越严重，目前二氧化碳在大气中的含量水平为百万分之三百八十五，而其正以每年3%的速度增长。按这个速度发展，到2100年，空气中的二氧化碳的聚集量将达到百万分之一千一百，温室效应造成的高温将不适合任何动物的生存，人类社会则将在这一进程中崩溃。然而，时至今日，全球有80%的能源来自煤炭、石油和天然气等化石能源。水电和核能虽然成本并不高，但环境条件限制了其发展规模。至于风能、太阳能和生物质能等新能源，虽然环保前景喜人，但受高成本和技术不成熟等客观因素制约，这些新能源完全取代传统的化石能源仍处于探索阶段，真正做到大规模商业化开发还需很长时间。因此，发展可靠技术、减少化石燃料的温室气体排放是一个明智的“缓兵之计”。
二氧化碳捕集与封存成本估算 一、假想项目 在我国，化石燃料主要用于电力、交通运输和化工等行业。而交通运输业用能较分 散，不易大规模捕集二氧化碳；所以，电力和化工是我国控制二氧化碳排放量的重点行业。由于海洋封存还仅停留在实验室研究阶段，在本文中也未考虑，仅考虑EOR（强化石油开采）、ECBM（强化煤层气开采）和Aqufier（深部盐水层封存）。本文共假想了8 个中国CCS 项目。这些CCS 项目有如下假设：1. 原料均为煤；2. 所有CCS 项目都采用燃烧后脱碳技术，吸收剂为MEA；3. 国内燃煤机组的运行小时数为5500 小时，即负荷运行系数为5500/(24×365)=0.63；4. 合成氨厂负荷运行系数为0.85；5. 燃煤电厂的CO2 排放因子为0.81kg/KWh，合成氨厂的CO2 排放因子为3.8t/t 氨；6. 采用管道运输CO2；7. EOR和ECBM的封存量不大于现行项目的最大封存量，100Mt/y，深部含盐水层封存则不受此限制。 表1假想ccs项目 注释:EOR 二、CCS 项目成本分析 2.1总论 CCS 项目按照过程可分为捕集、压缩、运输和封存四个主要过程。有些文献也将压缩过程合并到捕集过程中。IPCC、Hendriks、David等对CCS 项目进行了经济性分析， 本文将主要参考这些研究成果对中国假想的CCS 项目进行成本分析。 Hendriks研究了燃烧后脱除CO2 的各种过程的碳捕集成本，得出： 对于煤基合成氨厂，变换后的合成气要进行脱硫、脱碳处理而获得氢气，脱硫、脱碳剂均为MEA。脱硫过程中，合成气中大约30-40％的CO2 也会随着H2S 和SO2 等硫化物一起脱除；而在随后的脱碳过程中60-70% 的CO2 会以纯CO2 的形式被脱除。对于60 万吨 合成氨厂，仅有52％的CO2 被捕集，所有的CO2 均可以来自脱碳过程产生的纯CO2，因
863计划资源环境技术领域重点项目 “二氧化碳的捕集与封存技术”课题申请指南 一、指南说明 全球气候变暖已成为国际热点问题，二氧化碳因具有温室效应被普遍认为是导致全球气候变暖的重要原因之一。如何减少二氧化碳排放，降低大气中二氧化碳浓度，是人类面临的共同难题。研究开发具有我国自主知识产权的、经济高效的二氧化碳捕集与封存技术，推动二氧化碳减排，对于实现我国社会经济可持续发展和营造良好的国际环境具有重要意义。 本项目针对二氧化碳减排的迫切需求，瞄准国际技术前沿，研发吸附、吸收等二氧化碳捕集技术，探索二氧化碳封存技术，为我国二氧化碳减排提供科技支撑，项目下设3个课题。 二、指南内容 课题一、二氧化碳的吸收法捕集技术 研究目标： 研发先进实用的CO2高效吸收溶剂、吸收塔填料以及新型高效吸收分离设备和分离技术，发展CO2吸收分离过程模拟和集成优化新技术，通过关键技术的突破，着重研究解决CO2捕集的高能耗和高费用问题，进行中间试验并进行技术经济与风险评价，形成具有自主知识产权的吸收法捕集CO2的技术方案。 研究内容： （1）新型高效吸收溶剂的研制 针对燃煤电厂等工业的CO2排放源，采用分子模拟、分子设计和
实验研究相结合的方法开发高性能、低能耗和低腐蚀性的化学、物理及化学物理耦合吸收溶剂。测定其中CO2的吸收溶解度和吸收-解吸动力学，建立相应的溶解度和动力学模型，研究吸收性能和溶剂分子结构的定量关系，根据不同气体情况研制和优化溶剂体系，并进行硫、碳一体化脱除、以及膜—吸收耦合等新技术的探索性研究。 （2）特大型吸收设备强化和过程优化 通过先进的实验测量技术、计算流体力学模拟和实验相结合的方法，研究特大型分离设备强化的途径,研制高效吸收塔填料等塔内构件；发展CO2吸收分离过程模拟优化技术，研究节能降耗的新流程，继而形成吸收法捕集CO2的集成技术方案及开发平台。进行中间试验，获取工艺和能耗数据，进行技术经济与风险评价。 主要考核指标： （1）针对燃煤电厂等工业的CO2排放源，研发1～2项具有自主知识产权的、国际先进水平的高效吸收溶剂。 （2）研发1～2项具有自主知识产权的、国际先进水平的高效吸收塔填料。 （3）通过过程模拟优化和中间实验，形成1～2种具有自主知识产权的吸收法捕集CO2的新技术。 （4）中间试验规模和指标： 常压（1bar），试验规模为吸收塔径≥200mm，气体处理量≥60万标准立方米/年，对溶剂的指标要求是在气体含8－15％的CO2的情况下对CO2的循环吸收量≥50～60克/升； 中高压（≥20bar），试验规模为吸收塔径≥60mm，气体处理量≥60万标准立方米/年，对溶剂的指标要求是在气体含30～40％CO2的情况下对CO2的吸收量≥37～50克/升；
《每日科学》网站7月25日报道称，美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的研究人员利用离子液体作为二氧化碳吸收剂，开发出一种更清洁、稳定和高效的捕获二氧化碳新方法。该研究成果刊登在最新一期的《ChemSusChem》杂志上。 随着全球气候变暖的加剧，各国都在致力于减少燃烧化石燃料的二氧化碳排放量，碳捕捉技术成为研究的重点。目前的碳捕捉技术主要采用化学吸附法。二氧化碳会和胺类物质发生反应，二者在低温情况下结合，在高温中分离。一般可以使含二氧化碳的废气通过胺液，分离出其中的二氧化碳，之后在适当地方通过加热胺液再将二氧化碳释放。现今少数进行商用碳捕捉的煤电厂都使用单乙醇胺作为二氧化碳吸收剂。但单乙醇胺具有腐蚀性，这种方法也需要使用大型设备，并且只有在二氧化碳处于轻微至中等压力下才有效。因此，其成本、效率都不是很理想。 在过去几年中，该实验室的阿米泰什·梅蒂一直致力于找到新的二氧化碳吸收剂。他测试了几种可有效溶解二氧化碳的离子液体，获得大量有用数据。与典型的有机溶剂不一样，离子液体一般不会成为蒸汽，所以不易产生有害气体，使用方便。梅蒂发现，使用离子液体作为二氧化碳吸收剂，可克服单乙醇胺的诸多缺点，比现今所用之法更清洁、更易于使用。其化学稳定性好、腐蚀性低，蒸汽压几乎为零，可制成膜使用。离子液体种类繁多，有许多种具有潜在的高二氧化碳溶解度的离子可供选择。 梅蒂设计出一种基于量子化学热力学方法的计算工具，可计算出任何溶剂在任意浓度下的二氧化碳化学溶解能力，以测定包括离子液体在内的溶剂的碳捕捉效率。过去几年积累的实验数据证明，这种算法十分准确。 报道称，梅蒂使用这种方法预测出一种新型溶剂，其二氧化碳溶解度是目前实验证实的最有效溶剂的两倍。“离子液体种类繁多，目前所见仅是九牛一毛。”梅蒂希望他的这种精准算法能够帮助科学家发现更好的实用型溶剂，以进一步提高二氧化碳捕获效率。
烟气中CO2捕获技术与进展 学院化工学院
专业生物工程 年级2011级 姓名郑曼琳 班级2班 学号3011207300 烟气中CO2捕获技术与进展 郑曼琳 天津大学化工学院生物工程2班 摘要目前温室效应已经严重影响到了人类的生活，而温室气体的排放主要来源于化石燃料的燃烧，虽然世界各国已经开始节能减排，但是CO2的排放量只增无减，由是，CO2的捕获技术营运而生，CCS技术将是现今各国研究重点。文本将重点介绍烟气中CO2的捕获技术与进展。 1. 产生背景 现今的地球环境逐渐恶劣，其中温室效应就是一大环境问题。温室效应是由以CO2为主的温室气体造成，而温室气体温室气体对全球环境的影响主要包括：饮用水的减少、海水的盐浓度增加、海平面的上升、平均气温升高、洋流的变化与厄尔尼诺频发等问题，这些都大大影响了人类的生活。大气中增长的CO2四分之三归因于化石燃料的燃烧，以煤炭、天然气、石油为代表的化石能源占了世界能源结构的85%。1995年至2005年间，CO2平均浓度上升
1.9ppm/年，约为每年4GTc(IPCC,2007)在1970年至2004年间，CO2的排放增加了大约80%(在1990年-2004年间增加了28%)，在2004年，CO2的排放占人为GHG总排放的77%。而我国07年我国CO2排放量为59.6亿吨，已位居世界第一。由是，二氧化碳捕获与储存技术应运而生，CO2的捕获和固定是目前唯一可以实现继续使用化石燃料而又不会遭受气候变化威胁的可靠选择。 2. CO2的捕获技术 CO2的分离成本占总的碳捕获和存储成本的很大一部分(约80%)，所以首先要找到高效的CO2捕获方法。目前工业上使用比较广泛的CO2捕集和分离技术有许多种，主要包括吸收法，吸附法，膜分离法，微生物固定法等。具体见下表 表1 CO2分离方法及其特点 2.1. 吸收法
常用的CO2回收利用方法有： （1）溶剂吸收法：使用溶剂对CO2进行吸收和解吸，CO2浓度可达98％以上。该法只适合于从低浓度 CO2废气中回收CO2，且流程复杂，操作成本高。 （2）变压吸附法：采用固体吸附剂吸附混合气中的 CO2，浓度可达60％以上。该法只适合于从化肥厂变换气中脱除CO2，且CO2浓度太低不能作为产品使用。 （3）有机膜分离法：利用中空纤维膜在高压下分离 CO2，只适用于气源干净、需用CO2浓度不高于90％的场合，目前该技术在国内处于开发阶段。 （4）催化燃烧法：利用催化剂和纯氧气把CO2中的可燃烧杂质转换成CO2和水。该法只能脱除可燃杂质，能耗和成本高，已被淘汰。 上述方法生产的CO2都是气态，都需经吸附精馏法进一步提纯净化、精馏液化，才能进行液态储存和运输。吸附精馏技术是上述方法在接续过程中必须使用的通用技术。 美国电力研究院（EPRI）所作的研究指出，在发电厂中采用氨洗涤可使CO2减少10%，而较老式的MEA（胺洗涤）法可使CO2减少29%。 世界新的CO2回收和捕集技术正在加快发展之中。 1? 脱除CO2新溶剂 巴斯夫公司和日本JGC公司已开始联合开发一种新技术，可使天然气中含有的CO2脱除和贮存费用削减 20%。该项目得到日本经济、贸易和工业省的支持。 CO2可利用吸收剂如单乙醇胺（MEA）从燃烧过程产生的烟气中加以捕集，然而，再生吸收剂需额外耗能，对于MEA，从烟气中回收CO2需耗能约 900kcal/kgCO2，通常这是不经济的。日本三菱重工公司（MHI）与关西电力公司（KEPCO）合作，开发了新工艺，可给CO2回收途径带来新的变化。MHI发现的CO2新吸收剂是称为KS-1和KS-2的位阻胺类，其回收所需能量比MEA所需能量约少20%。因为KS-1和 KS-2对热更稳定、腐蚀性也比MEA小，因此操作时胺类的总损失约为常规吸收剂的1/20。对于能量费用不昂贵的地区，大规模装置使用新的工艺，CO2回收费用（包括压缩所需费用）约为20美元/tCO2，它比基于MEA的常规方法低约30%。MHI已在马来西亚一套尿素装置上验证了这一技术，可从烟气中回收 200tCO2/d。 巴斯夫公司实验室试验表明，采用新型溶剂从发电厂排放物中脱除CO2，具有耐用和耗能少的优点。这种溶剂由巴斯夫公司与欧盟“捕集CO2并贮存”开发项目组共同开发。2006年3月已在位于丹麦Esbjerg（埃斯比约）的世界最大的中型煤发电装置上试用。首次试验采用MEA作为参比溶剂。捕集CO2所用溶剂的重点在于减少脱除CO2所需的能量，如果需要能量太高，会减少电厂的电力产量。例如，燃煤电站使用常规的MEA溶剂捕集CO2，会使发电量减少30%～45%。新开发的溶剂可除去或收集燃烧过程中排放出来的CO2。从电厂排放气中除去CO2，先是用化学溶剂把CO2结合住，然后，溶剂在返回到工艺前释放出这种CO2。为防止CO2跑到大气中，需要将它冷凝和储存，例如，存放在岩石的含水层（砂石含水层）中、矿层中或原来的石油天然气矿层中。但常规的溶剂容易被电厂废气中夹带的氧气分解，这种工艺要达到吸收、释放和储存CO2，需要很大的能量输入。实验室试验表明，巴斯夫开发的胺基新溶剂比常规溶剂要稳定得多，并可使用较长时间，在吸收和释放CO2过程中，耗能也比较低，用新溶剂进行气体洗涤能大大降低除去CO2的费用。 巴斯夫公司、RWE电力公司和林德集团2007年9月底宣布，联手开发并将推广使用从燃煤电厂烟气中捕集CO2的新工艺。目标是先去除，然后在地下贮存超过 90%的CO2。这些公司的合作包括在RWE电力公司德国 Niederaussem的褐煤燃烧发电厂建设和运作中型装置，试验巴斯夫公司用于CO2洗涤的新溶剂。林德公司进行该中型装置的工程建设。目标是到2020年在褐煤燃烧发电厂上商业化应用CO2捕集。一旦中型试验完成，合作方将于2010年对此进行验证，为新工艺的商业化应用提供可靠的设计基准。RWE和巴斯夫公司是30家CO2从捕集到贮存（CASTOR）合作项目的成员，该项目得到了欧盟的资助。2005年，巴斯夫开发了新的
CCS（Carbon Capture and Storage)技术示意图 CCS是稳定大气温室气体浓度的减缓行动组合中的一种选择方案。 CCS具有减少整体减缓成本以及增加实现温室气体减排灵活性的潜力。CCS的广泛应用取决于技术成熟性、成本、整体潜力、在发展中国家的技术普及和转让及其应用技术的能力、法规因素、环境问题和公众反应。CO2的捕获可用于大点源。CO2将被压缩、输送并封存在地质构造、海洋、碳酸盐矿石中，或是用于工业流程。CO2大点源包括大型化石燃料或生物能源设施、主要CO2排放型工业、天然气生产、合成燃料工厂以及基于化石燃料的制氢工厂。潜在的技术封存方式有：地质封存（在地质构造中，例如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池构造），海洋封存（直接释放到海洋水体中或海底）以及将CO2固化成无机碳酸盐。
碳捕集 CCS（Carbon Capture and Storage)技术示意图 CCS技术由碳捕集和碳封存两个部分组成。其中，碳捕集技术最早应用于炼油、化工等行业。由于这些行业排放的CO2浓度高、压力大，捕集成本并不高。而在燃煤电厂排放的CO2则恰好相反，捕集能耗和成本较高。现阶段的碳捕集技术尚无法解决这一问题。 碳捕集技术目前大体上分作三种：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。三者各有优势，却又各有技术难题尚待解决，目前呈并行发展之势。哪一种先取得突破，哪一种就会成为未来的主流。 燃烧前捕集技术以IGCC（整体煤气化联合循环）技术为基础：先将煤炭气化成清洁气体能源，从而把CO2在燃烧前就分离出来，不进入燃烧过程。而且，CO2的浓度和压力会因此提高，分离起来较方便，是目前运行成本最廉价的捕集技术，其前景为学界所看好。问题在于，传统电厂无法应用这项技术，而是需要重新建造专门的IGCC电站，其建造成本是现有传统发电厂的两倍以上。 燃烧后捕集可以直接应用于传统电厂，北京高碑店热电厂所采用的就是这条技术路线。这一技术路线对传统电厂烟气中的CO2进行捕集，投入相对较少。这项技术分支较多，可以分为化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等等。其中，化学吸收法被认为市场前景最好，受厂商重视程度也最高，但设备运行的能耗和成本较高。 事实上，由于传统电厂排放的CO2浓度低、压力低，无论采用哪种燃烧后捕集技术，能耗和成本都难以降低。如果说，燃烧前捕集技术的建设成本高、运行成本低，那么燃烧后捕集技术则是建设成本低、运行成本高。 富氧燃烧捕集技术试图综合前两种技术的优点，做到既可以在传统电厂中应用，排出的CO2的浓度和压力也较高。由于该技术主要着力在燃烧过程中，也被看作是燃烧中捕集技术。与
寻找碳捕获材料新方法 加拿大卡尔加里大学和渥太华大学科学家成功利用X射线晶体成像仪和计算机模拟手段，对被称为“棒球手套”的捕碳材料如何捕捉二氧化碳分子进行了观察和分析。科学家认为，该项成果为设计定制一种高效率、低能耗的捕碳新材料指明了研究方向。相关文章发表在最新出版的《科学》Science杂志上。 目前采用的二氧化碳捕获方法是将二氧化碳气体注入氨溶液中。该项技术的弱点在于氨溶液吸收二氧化碳后，还需要释放二氧化碳以便进行储存，在释放二氧化碳时，溶液需要加热到100摄氏度，这要耗去大量的能源和水资源。据估算，燃煤发电厂如果使用该项技术捕获储存二氧化碳，需要消耗其四分之一的发电量。 因此，找到一种既可轻松捕获二氧化碳，还可在低能耗和节水条件下轻松释放出二氧化碳的新型材料，对于捕获二氧化碳技术的实际应用意义非常重大。加拿大科学家的研究发现正是为找到这种新型材料指明了方向，并提供了实验方法和计算机模拟方法。 参与研究工作的科学家将捕捉二氧化碳形象地比作棒球手套与棒球之间的关系，在此将球比作二氧化碳，而将手套比作可捕获二氧化碳的材料。对于不同大小的球，需要不同尺寸的手套，才能更好地匹配，以便球手能够更加容易接到来球。卡尔加里大学化学教授乔治·斯密祖介绍说，他们使用X射线结晶成像仪直接实验成像，并通过计算机模型计算，确定了二氧化碳分子的确切位置，并可以清晰观察到“手套”材料的各个“手指”如何合力将二氧化碳分子固定在其位置上。 渥太华大学负责计算机模拟研究的科学家表示，该项发现的另一个特别之处在于，实验结果和计算机模拟结果之间表现出非常好的一致性。因此，其计算机模拟方法现在就可以更令人放心地应用于发现和预知材料的捕碳性能，特别是在实验室制作某种捕碳材料之前，可先在计算机上进行模拟。 研究人员认为，该项研究成果最终可得到多方面的应用，既可帮助燃煤发电厂降低二氧化碳排放，还可帮助去除非常规天然气资源中的二氧化碳成分。（生物谷https://www.doczj.com/doc/a013819905.html,） 二氧化碳捕获技术获得重大进展 二氧化碳的排放不断助长着全球变暖、海平面上升及增加海洋的酸度。美国科学家在近期出版的美国《科学》杂志上发表的一项最新研究称，他们已开发出一种能够隔离并捕获二氧化碳分子的新型材料，对减少二氧化碳等温室气体排放技术有重要作用，也能使发电厂在无需使用有毒材料的情况下，提高二氧化碳的捕获效率。 该材料是由加州大学洛杉矶分校奥马尔·雅希率领的研究团队研制的。雅希是研究使用复杂微观结构制作材料的知名化学家。新材料属于“沸石咪唑酯骨架结构材料”（ZIFs），由金属原子桥联多个咪唑类环型有机分子组成。 这种材料具有多孔和化学稳定结构，使得其拥有更大的表面积来吸收二氧化碳，而且在高温下加热也不会分解，甚至在水或有机溶液中煮一个星期仍能保持稳定。在1克重的该材料中包含的表面积最多可达2000平方米。ZIF材料的内部可以存储气体分子，在化学结构上，它有一个类似于旋转门的薄盖，能够让大小合适的分子进入并将其存储，而将较大或者形状不同的分子阻挡在外。 研究人员在实验中共合成了25个ZIFs晶体结构，并证实其中3个（ZIF-68、ZIF-69、ZIF-70）对捕获二氧化碳具有高选择性。雅希称，ZIFs对二氧化碳的选择性是其他一些材料不可比拟的。实验证明了新材料能吸收大量二氧化碳，但并不吸收其他气体。研究表明，在0℃和常压下，1升这样的材料可储存82.6升的二氧化碳。 从发电厂烟囱中捕捉二氧化碳的技术已经存在已久，但要消耗大量的能源（约占到电厂总发电量的15%至20%）。这是因为现有材料，如胺，必须经过加热才能释放出吸收的二氧化碳。美国国家能源技术实验室项目经理托马斯费雷表示，煤电厂利用现有方法捕捉和压缩二氧化碳，生产成本可增加80%至90%。 研究人员称，二氧化碳的捕获和封存，对减少温室气体的排放量将是必不可少的，特别是对像美国这样严重依赖于煤发电的国家。这种新材料的研制成功，为减少来自发电厂的二氧化碳排放量提供了一个潜在的廉价方式。由于新材料可使用较少的能源，因此在降低成本方面，可媲美目前正在研制中的其他吸收二氧化碳的实验材料。（记者冯卫东）