吸附法碳捕集技术的规模化应用前景( 二 ) 【能源人都在看

目前, 吸附法碳捕集技术处在示范阶段, 为了提高其技术成熟度, 仍然需要进一步的研究和探索. 例如, 针对现存的大量吸附剂, 亟须开发高通量计算方法实现吸附性能(吸附量、动力学、选择性、稳定性)和过程参数(CO2捕集率、CO2纯度、能耗、产率)的多目标优化. 实验室合成的吸附剂通常为粉末形态, 当应用于规模化碳捕集系统中时, 需要发展低成本粉末成型工艺.
为了构建更好的吸附/解吸循环, 需要对吸附床进行详细设计来实现更好的热集成以及气固传质和压降的优化. 在系统层面, 缺乏对吸附法应用于电厂和工业碳捕集的运行能耗和成本的详细技术经济性分析. 此外, 还应搭建更多的吸附法碳捕集示范装置来获得工程经验. 为此, 本文介绍了各种碳捕集规模化应用背景下的吸附循环过程, 并对现有吸附法碳捕集中试装置的技术特点、分离性能、运行能耗和成本进行了分析, 指出了其在未来发展中面临的机遇和挑战.
1 吸附法在燃烧后碳捕集中的应用和挑战
燃烧后碳捕集是指从化石燃料燃烧释放的烟气中捕集CO2的过程, 可应用于电厂或者炼焦、钢铁、水泥和炼油等工业. 燃烧后碳捕集一般运行在常压和低温(
基于沸石、活性炭等物理吸附剂的真空吸附(vacuum swing adsorption, VSA)或者真空变压吸附(vacuum pressure swing adsorption, VPSA)是相对成熟的燃烧后碳捕集技术. 以填有13X沸石的VSA单元为例, 为了实现高于95%的CO2纯度, 通常需要将再生压力降到10kPa以下. 通过使用MOF类新型吸附剂可以降低对真空度的需求, 但是这些吸附剂目前仍然无法量产. 因此, VSA系统通常需要使用分层填料或者多段配置来提高吸附剂填料和过程时序的灵活性. 最早的两段式VPSA碳捕集中试单元来自日本横须贺热电站, 烟气处理量为1000 Nm3/h. 在该装置中, 烟气首先使用氧化铝进行预干燥, 随后使用Ca-X沸石对CO2进行分离.
研究表明, 在经过第一段和第二段吸附单元后, CO2纯度可以分别达到40%~50%和99%. 韩国建立了第二个两段式VPSA中试单元用于家用锅炉碳捕集, 烟气中CO2浓度为10.5%, 气体处理量为110 Nm3/h. 在进入捕集单元前, 烟气需要依次进行冷却、除尘、脱硫、除水. 该装置最终可以实现99%的CO2纯度和80%的CO2捕集率. 日本静冈大学设计了一个分层填料的4塔8步VPSA中试单元, 在一个吸附塔中依次填入Na-X沸石和Na-A沸石. 该装置可以在不降低CO2捕集率的情况下实现更高的CO2纯度. 第4个3塔6步VSA中试单元安装在澳大利亚Hazelwood电站, 同样采用分层填料配置用于依次脱水、酸性气体(SOx和NOx)和CO2, 具有1 TPD的碳捕集能力.
华东理工大学对一段式和两段式VPSA中试系统进行了研究. 结果表明, 填有13X沸石的VPSA单元可以实现73%~82%的CO2纯度和85%~95%的CO2捕集率. 当采用填有活性炭的第二段VPSA单元时, 系统(图1)可以实现95.6%的CO2纯度和90.2%的CO2捕集率. 近期, 波兰先进能源技术研究所设计了基于活性炭的双回流结构VPSA中试系统(dual-reflux vacuum pressure swing adsorption, DR-VPSA), 具有100 Nm3/h的烟气处理能力. 为了避免物理吸附剂的性能衰减, VSA系统通常需要将烟气进行提前干燥, 因此增加了额外的捕集能耗. VSA过程的能耗约为1.5~3 GJe/tCO2, 相当于4.5~9 GJth/tCO2.
变温吸附(temperature swing adsorption, TSA)是另一种常见的燃烧后CO2分离过程. 基于化学吸附剂的TSA最显著的优势是可以避免烟气的预干燥, 从而减少约2~3 GJth/tCO2的能耗. 当吸附剂具有较好的抗水性时, 可以选择低压蒸汽吹扫对吸附剂进行再生. 流化床常被应用于TSA来提高升降温过程中的传热速率. 韩国能源研究所于2003年搭建了气体处理量为2 Nm3/h的小型连续TSA碳捕集装置, 随后经过几次规模放大, 最终于2010和2014年在Hadong燃煤电站分别搭建了烟气处理量为2000 Nm3/h(0.5 MWe级别)的TSA碳捕集中试装置和35000 Nm3/h(10 MWe级别)的示范系统KIERDARY?, 相当于200 TPD的捕集量. 该技术使用双流化床配置, 其中吸附剂KEP-CO2P2(K2CO3基材料)分别在40~80和140~200°C进行吸附和再生. 该示范系统共进行了3400h的累计运行和1000h的连续运行, 可以实现大于80%的CO2捕集率和95%的CO2纯度. 模拟结果表明, 该技术应用于500MW煤粉锅炉电站需要4~5 GJth/tCO2的再生能耗.