吸附法碳捕集技术的规模化应用前景【能源人都在看

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文/朱炫灿葛天舒吴俊晔杨凡王如竹，上海交通大学制冷与低温工程研究所科学通报
碳捕集与封存(carbon capture and storage, CCS)被认为是实现全球温升目标的关键技术之一. 根据政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的推算, 为了在21世纪末将温升控制在2°C以内, 需要分别在2050和2100年之前达到每年10和25 GtCO2的碳捕集量, 以及800~3000 GtCO2的累计捕集量. 此外, 为了实现2和1.5°C的温升目标, 未来的碳排放预算分别为420和1170 GtCO2. 按照每年40 GtCO2的排放速率计算, 预算将在10~30年后超支.
大部分IPCC的排放场景显示, 为了实现全球温升目标, 碳排放首先需要超支, 随后将过多的碳排放通过负排放技术消除, 这部分排放量约为400~800 GtCO2. 为了应对气候变化, 中国提出了2030年前碳排放达峰和2060年前碳中和的行动目标. 然而, 当前有关CCS的商业项目推进仍然较为缓慢. 据统计, 截至2020年, 全球共有65座大型CCS设施, 其中26座投入运营, 2座停止运营, 3座在建, 13座完成前期工程设计, 21座在早期开发阶段. 碳捕集技术主要包括吸收法、吸附法、膜分离法、富氧燃烧和化学链燃烧. 在所有的碳捕集技术中, 只有燃烧后液胺吸收法实现了商业化运营.
吸附法碳捕集技术在20世纪90年代早期作为溶剂吸收法的替代技术被提出, 在近几十年来有了巨大的发展: (1) 寻找具有高CO2吸附量、快速吸附动力学、良好的选择性和稳定性的吸附剂是研究热点之一. 对碳基材料、介孔二氧化硅、沸石等传统吸附剂和有机金属框架(metal organic framework, MOF)、水滑石、固态胺、聚合物、金属复合氧化物等新型吸附剂在不同领域下的碳捕集性能进行了大量探索. (2) 适用于碳捕集的吸附循环过程得到了显著的发展, 包括采用变温、变压、变湿、真空、蒸汽吹扫等多种再生手段或者组合. (3) 先进的吸附剂结构和吸附装置不断被提出, 例如中空纤维、整体式吸附器、径向床、流化床和移动床. (4) 将吸附过程和其他分离或者反应过程进行耦合的复合吸附技术得到了广泛关注. (5) 吸附法碳捕集技术的应用领域也从电厂燃烧前和燃烧后碳捕集向工业碳捕集和直接空气碳捕集(direct air capture, DAC)拓展.
吸附法应用于碳捕集系统中存在着诸多技术优势: 吸附剂的工作条件覆盖了较宽的温度和压力范围, 因此可以应用于大部分捕集工况; 根据应用场景的不同, 吸附塔可以灵活地进行结构优化; 通过采用工业废料合成吸附剂可以提升吸附过程的可持续性; 吸附法相比于溶剂吸收法和富氧燃烧具有更低的运行成本, 相比于膜分离法和化学链燃烧具有更高的技术成熟度; 吸附法还可避免胺类溶剂在使用过程中产生的有毒和腐蚀性物质; 此外, 吸附法特别适用于极稀浓度(
表1列出了吸附法可以应用的主要碳排放源. 传统的燃烧后碳捕集是从燃料和空气燃烧后形成的烟气中分离CO2的过程. 其中, 燃料的种类和过量空气系数决定了烟气的总气量和干基CO2浓度, 从天然气联合循环(natural gas combined cycle, NGCC)的3%~4%到煤粉锅炉电站和整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle, IGCC)的14%不等. 燃烧前碳捕集需要将燃料(煤、重油、残炭等)通过蒸汽重整或者部分氧化转化成合成气或重整气, 脱碳后在燃气轮机中燃烧发电, 或者将CO通过水气变换(water gas shift, WGS)反应转化成CO2和H2, 随后进行脱碳. 对后一种情况, 变换气中的CO2浓度可以高达60%, 因此较易分离CO2并同时得到高纯H2作为能源载体或化工原料. 但需要注意的是, 最初的燃料气化/重整过程运行成本较高. 除了以上两种典型的捕集技术, 吸附法还可应用于炼钢厂、水泥厂、生物燃气、火炬气等排放源的碳捕集. 近期, 基于吸附法的DAC作为一种极具潜力的负排放技术也得到了越来越多的关注.