一、碳捕集的类型
碳捕集(Carbon Capture)是指将排放源产生的或空气中的CO2通过特定方式进行收集的过程。碳捕集技术按照CO2的来源途径可分为工业废气碳捕集、环境空气碳捕集(DAC)、生物质碳捕集等3大类。工业废气碳捕集为传统碳捕集方式,包括燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧等,采用不同的手段将工业过程中产生的CO2捕集起来。环境空气碳捕集(DAC)是从大气中直接捕获CO2的过程。生物质碳捕集指捕集生物质燃烧或转化过程中产生CO2的过程。
(一)工业废气二氧化碳捕集
当前针对燃煤电厂、水泥厂、发酵厂、矿石加工等行业工业废气中的CO2捕集技术发展较快。工业生产过程中CO2的排放主要来自燃煤发电和其他工业过程中化石燃料的使用。根据碳捕集与燃烧过程的先后顺序,传统碳捕集方式主要包括燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧等。
1.燃烧前捕集
电力、煤化工、天然气开采、钢铁、水泥等行业中CO2的工业分离过程属于燃烧前捕集。其中,电力行业燃烧前捕集技术应用较为成熟。电力行业是利用煤气化和重整反应,在燃烧前将燃料中的含碳组分分离出来,转化为以H2、CO和CO2为主的水煤气,水煤气再经转化变为CO2和H2,然后利用相应的分离技术将CO2从中分离,经过压缩捕集随后储存,H2作为清洁燃料使用。目前此技术应用于以煤气化为核心的整体煤气化联合循环电站。技术路线如图6-4所示。
图6-4 燃烧前捕集技术路线图
整体煤气化联合循环电站(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)由两大系统组成,即煤的气化与净化系统和燃气—蒸汽联合循环发电系统。煤的气化与净化系统的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备(包括硫的回收装置);燃气—蒸汽联合循环发电系统的主要设备有燃气轮机发电设备、余热锅炉、蒸汽轮机发电设备。IGCC的工艺过程如下:煤经气化成为中低热值煤气,合成气经过净化,除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘、CO2等杂质,CO2经提纯捕集后压缩输送至封存场地。主要成分为H2的清洁气体燃料,送入燃气轮机的燃烧室燃烧释放能量。IGCC工作原理及设备构成见图6-5。
图6-5 IGCC技术路线图
2.燃烧后捕集
燃烧后捕集是指从燃烧设备排放的烟气中捕集、分离CO2的过程,类似于烟气污染物的末端治理措施,原有生产工艺无须大规模改造即可应用。该方法适用于各类新建、改建、扩建电厂的CO2减排,可处理不同浓度的气源,技术相对成熟。技术路线为:化石燃料燃烧后产生的烟道气冷却后通过吸收装置吸收,吸收后的富CO2溶液进入解吸装置解吸,此时CO2从吸收剂中分离出来进入捕集装置,吸收剂进入再生装置进行再生以循环利用。其技术路线如图6-6所示。
图6-6 燃烧后捕集技术路线图
3.富氧燃烧
富氧燃烧是指采用高浓度氧气与燃料进行燃烧,是一种节能燃烧技术。富氧燃烧捕集技术采用空分系统制取高浓度O2(>95%),然后将燃料与氧气一同输送到专门的纯氧燃烧炉中进行燃烧,经热萃取后,烟气中主要成分是CO2和水蒸气,部分烟气重新回注燃烧炉燃烧,一方面降低燃烧温度,另一方面进一步提高烟气中CO2浓度,最终排放烟气中的CO2浓度可达95%以上,可直接捕集利用。富氧燃烧路线如图6-7所示。
图6-7 富氧燃烧技术路线图
相对于富氧燃烧而言,常规燃烧后CO2捕集技术的主要问题是烟气中的CO2含量较低,分离过程能耗较大且设备一次性投入较高。富氧燃烧由于在制氧的过程中绝大部分氮气已被分离,燃烧产物主要成分是CO2和H2O,可不必分离而直接加压液化回收处理,从而显著降低CO2的捕集能耗。目前,大型的富氧燃烧技术仍处于研究阶段,该技术面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗太大,迄今为止还缺乏廉价低耗的适用技术。
对比燃烧前、燃烧后、富氧燃烧等三种捕集方式,其技术特点对比信息见表6-1所示。燃烧前与燃烧后捕集技术国内外应用较为广泛。燃烧前捕集技术在降低能耗方面具有较大潜力,国内外许多IGCC电厂已开始使用。燃烧后捕集技术相对成熟,其中广泛采用的CO2分离方式是化学吸收法,缺点是能耗较高。我国近年来在碳捕集技术上主要围绕低能耗吸收剂选择、捕集技术工艺优化等关键技术开展研究,并取得了阶段性成果。
表6-1 CO2捕集技术特点对比表
(二)环境空气二氧化碳捕集
空气中直接捕集CO2(Direct Air Capture,DAC)是指通过工程系统从环境空气中去除CO2的技术。其技术原理为:空气中CO2通过吸附剂进行捕集,完成捕集后的吸附剂通过改变热量、压力或温度进行吸附剂再生,再生后的吸附剂再次用于CO2捕集,而纯CO2则被储存起来。DAC工艺一般由空气捕集模块、吸收剂或吸附剂再生模块、CO2储存模块三部分组成。DAC在工业领域的发展还处于初步阶段。限制DAC发展的主要因素之一为成本过高,目前大多以小试或中试为主。DAC技术关键在于高效低成本吸收/吸附材料的设计与高效低成本设备的开发。
DAC与烟气捕集相比,主要区别在于CO2的浓度不同。从空气中捕集CO2是从一个体积巨大的混合气体中分离出一种极稀浓度组分的过程,空气中的CO2含量仅为0.04%,单纯靠物理过程捕集空气中的CO2难度很大,必须选用合适的吸收剂高效吸收。目前化学吸收与固体吸附法是DAC的主流技术,强碱吸收剂NaOH、KOH和Ca(OH)2等能够高效地从空气中吸收CO2,这些吸收剂吸附过程条件温和,能耗也相对较低。吸附剂的吸附和解吸性能是制约空气捕集CO2技术发展的关键,若能找到能耗低、再生能力强、吸附性能高、反应温和的理想吸附剂,空气捕集CO2技术将会取得更大的进展。
除工业废气碳捕集和环境空气碳捕集技术外,生物质能碳捕集技术也备受关注。生物质能碳捕集技术,是指将生物质燃烧或转化过程中产生的CO2进行捕集。由于生物质本身通常被认为是零碳排放,即生物质燃烧或转化产生的CO2与其在生长过程吸收的CO2相当,因此经捕集封存后的CO2,在扣除相关过程中的额外排放之后就成为负排放的CO2。