吸附法碳捕集技术的规模化应用前景( 三 ) 【能源人都在看

美国ADA环境解决方案公司(ADA-ES-Inc.)于2010~2015年在ADAsorb项目中设计了一个基于胺基离子交换聚合物吸附剂的1 MWe级别三段式流化床吸附器, 并配置了单独的流化床再生器(图2), 用于阿拉巴马州一个燃煤电站的碳捕集. 该中试装置在测试中遇到了一些技术问题, 导致CO2捕集率只能在较低烟气流速(0.24 MWe级别)下才能达到90%, 并且CO2纯度低于预期. 该项目所用的吸附剂为固态胺的一种, 即通过浸渍、嫁接或原位聚合的方式将胺分子固定在介/微孔载体上. 值得注意的是, 当采用固态胺类吸附剂时, 水的存在会使CO2吸附生成物从原有的氨基甲酸铵转变成碳酸氢盐, 因此大幅提升吸附量. 除了电站方面的应用, 美国RTI公司(RTI International)还研发了基于流化床的TSA过程用于Brevik水泥厂碳捕集[26]. 该技术采用聚胺类固体吸附材料, 吸附和再生温度分别是60~70和110~120°C. 根据获得的废热总量不同, 估算得到TSA应用于水泥厂碳捕集的运行成本和能耗分别为46~56 $/tCO2和2.4 GJth/tCO2(无热集成).
移动床吸附器也可以应用于TSA过程. 相比于固定床, 移动床可以避免使用大量吸附塔的组合, 因此更容易进行工业放大; 而相比于流化床, 移动床可以有效防止吸附剂的均衡吸附, 从而提高CO2工作量. 日本川崎重工业株式会社研发的碳捕集系统(Kawasaki CO2 capture, KCC)是典型的基于移动床吸附器的燃烧后碳捕集中试装置. 吸附剂颗粒自移动床吸附器顶部流入, 依次经过吸附区、再生区和干燥区, 最终在底部回收并由循环输送机返回. 该系统采用的聚胺浸渍介孔二氧化硅泡沫吸附剂由日本地球创新技术研究所(Research Institute of Innovative Technology for the Earth, RITE)提供, 其特点是可以使用60°C的蒸汽进行再生. 前期的小试试验实现了从CO2含量为13%的烟气中捕集5.5 TPD的CO2, 其中CO2捕集率和CO2纯度分别达到了91.7%和95%. KCC的下一个目标是将捕集规模放大到40 TPD.
在另一个移动床案例中, 美国斯坦福国际研究院(SRI International)联合林德公司(Linde LLC)、ATMI公司(American Textile Manufacturers Institute)和美国电力研究院(Electric Power Research Institute, EPRI)开发了基于碳珠吸附剂的先进碳吸附剂(advanced carbon sorbent, ACS)技术, 在美国国家碳捕集中心(National Carbon Capture Center, NCCC)建立了0.5 MWe级别的烟气碳捕集单元. 中试试验结果表明, 该装置在250h的运行过程中达到了67%的CO2捕集率和93%的CO2纯度, 捕集成本约为45 $/tCO2. 由于移动床颗粒传输系统较为昂贵, 美国TDA公司(TDA Research, Inc.)在NCCC搭建了0.5 MWe级别的模拟移动床过程用于燃烧后碳捕集, 利用多个固定床配合来实现吸附和再生的连续运行, 运行成本可低于40 $/tCO2. 该过程所采用的吸附剂为碱性氧化铝, 使用120~140°C的蒸汽进行再生.
移动床的主要技术挑战来自需要使用较低的烟气流速来避免固体颗粒被流化, 因此设备尺寸一般较大, 例如KCC示范装置的移动床尺寸已经达到了14.5m × 7.5m × 39.5m. 较大的设备尺寸导致吸附剂输运难度的增加. 这个问题可以通过采用结构性吸附剂得到解决, 其中的一个案例是加拿大Svante公司的转轮式碳捕集技术(VeloxoThermTM). 如图3所示, 该捕集循环包括烟气吸附、蒸汽吹扫、烟气驱替和空气冷却4个步骤, 通过采用涂有胺嫁接二氧化硅吸附剂的薄片间隔排列组成转轮主体. 这种设计可以实现极低的压降和较高的传热传质效率, 从而构建了快速TSA(rapid temperature swing adsorption, R-TSA)循环, 吸附再生循环能够在60s之内完成.
此外, 通过采用这种结构性吸附剂, 还能在保证强度的同时避免常规干法压缩成型和湿法挤条成型对吸附剂比表面积的影响. Svante公司在萨斯喀彻温省搭建了一个30 TPD的碳捕集装置用于天然气蒸汽锅炉电站的碳捕集, 下一步计划在NCCC和挪威蒙斯塔德碳捕集技术测试中心(Technology Centre Mongstad, TCM)搭建规模为0.1~0.5 TPD的样机, 用于新型吸附材料(如MOF)在转轮捕集器中的应用研究.