吸附法碳捕集技术的规模化应用前景( 五 ) 【能源人都在看

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清华大学自2011年开始进行了应用于燃烧前碳捕集的中温变压吸附(elevated temperature pressure swing adsorption, ET-PSA)技术的研发, 围绕高性能中温吸附剂研发、吸附机理分析、吸附动力学模型构建、复合吸附器设计、吸附循环构建[54~56]和系统能耗分析开展了多尺度应用基础研究. 图6显示了ET-PSA的阶段性研究成果. 清华大学于2011~2013年搭建了固定床微反和双塔ET-PSA, 进行吸附剂合成、造粒和中温吸附性能评价. 于2014~2015年搭建了气体处理量为6 Nm3/h的4塔8步ET-PSA装置, 实现了合成气在400°C和3MPa下的中温硫碳共脱. 75h连续运行和1089h累计运行的结果显示, 系统可以实现95.7%~98.6%的CO2捕集率和99%的H2S脱除率. 将ET-PSA过程应用于IGCC系统, 估算得到中温CO2捕集能耗为2.32~2.52 GJth/tCO2, 相比传统的Selexol法降低了20.3%~26.6%. 自2016年以来, 研究重点转为使用原位CO2捕集从变换气中制取高纯氢. 于2016~2018年设计了8塔ET-PSA试验台, 运往合成氨厂进行现场调试; 2019~2020年, 气体处理量为5000 Nm3/h的ET-PSA示范系统在山西稷山搭建完成, 用于合成氨厂中的高纯氢制取. 近期的一项模拟结果显示, 带有回流结构的两段式ET-PSA可以实现99.999%的H2纯度和97.51%的H2回收率.

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使用高温CO2吸附剂的吸附增强重整(sorption enhanced reforming, SER)反应也是一种可以实现碳捕集和制氢的有效手段, 其碳源可以来自甲烷、生物质、甘油、生物油和乙醇等[60]. SER系统在重整反应产生CO2的同时对其进行吸附分离, 因此可以省去后续的WGS和H2纯化系统. 此外, 碳酸化过程的放热还可以为重整反应提供热量来源. SER通常使用双流化床吸附器构建循环, 吸附饱和的吸附剂在单独的流化床吸附器进行再生. 为了获得高浓度的CO2, 需要使用纯氧燃烧提供额外的再生热量(sorption enhanced reforming with oxy-fuel regeneration, Oxy-SER)并且采用烟气循环来控制再生温度. 近年来, 多个SER中试装置被陆续建成. 但是大部分SER装置主要是用于调整重整气的碳氢比, 因此再生器中并没有考虑CO2的富集问题. 斯图加特大学搭建了一个200 kWth的双流化床Oxy-SER实验系统, 采用木材气化提供碳源. 研究表明, 当再生反应的运行模式从空气供给调整到纯氧供给时, 烟气中的CO2浓度可以从26.7%提升到95%.
3 吸附法在直接空气碳捕集中的应用和挑战
虽然从传统电厂和工业烟气等点排放源中可以实现较低成本的碳捕集, 但是有些工厂因为过于老旧并不能实现这种技术改造. 此外, 电厂的平均CO2捕集率在50%~94%之间, 因此仍有一部分CO2排向大气. 另一方面, 交通领域中的移动式排放源几乎无法安装碳捕集装置, 而这部分排放量约占总排放量的50%. 因此, 有必要发展独立于排放源的碳捕集装置, 直接从空气中捕集CO2. 其实, 植物一直在进行着这种空气碳捕集的过程, 然而目前持续增长的碳排放已经超过了植物的净化能力. 通过生物质碳捕集与封存(bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)、造林、增强风化、生物炭、海洋富化、土壤固碳等负排放技术可以降低空气的CO2浓度, 但是这些技术本身都存在不同的风险. 例如, 大规模的BECCS和造林需要占用大量用地而会威胁到生物多样性, 增强风化有可能引起河流、海洋酸碱度和化学成分的改变.
直接空气碳捕集(direct air capture, DAC)是另一种可选的负排放技术. DAC的主要技术难点来自空气中极低的CO2分压(400ppm). 而另一方面, 相比于其他碳捕集技术, DAC具有诸多优势: (1) 可以用于处理分布式碳排放源; (2) 安装地点的选取相对灵活, 可以选择在风力资源丰富、可再生电力可得以及距离碳储存位置较近的地点以降低风机功耗和运输成本; (3) 无须考虑NOx和SOx等气体杂质的影响. DAC技术于2019年入选《麻省理工科技评论》的十大突破技术之一. 近期, 美国DOE宣布在“碳捕集、利用与封存”计划下提供2100万美元支持18个DAC技术的研发.