【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】全球氣候變暖已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重威脅，人類(lèi)活動(dòng)排放的溫室氣體占其誘導(dǎo)因素的90%，而CO2占溫室氣體總排放量的77%。隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)和對(duì)能源需求的不斷增加，人類(lèi)排放的CO2與可持續(xù)發(fā)展的矛盾愈發(fā)尖銳。
碳捕集、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技術(shù)是CO2直接減排的有效手段，中國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國(guó)二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報(bào)告(2021)》認(rèn)為，CCUS技術(shù)是我國(guó)化石能源低碳利用的唯一技術(shù)選擇，而CO2捕集技術(shù)是前提和關(guān)鍵。CO2捕集是指將CO2從工業(yè)生產(chǎn)、能源利用或大氣中分離出來(lái)的過(guò)程，目前較為成熟的碳捕集方法主要有熱鉀堿法和多醇胺法，其工藝過(guò)程類(lèi)似，如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)CO2捕集工藝流程圖
活化熱鉀堿法和多醇胺法具有吸收速度快、凈化度高、再生氣純度高等優(yōu)點(diǎn)，但因存在大量溶劑蒸發(fā)(熱鉀堿法水蒸氣與CO2摩爾比為1.8~2.2；多醇胺法約0.5)、捕集能耗高(占CCUS總成本的60%～85%，再生溫度比吸收溫度高，現(xiàn)有技術(shù)的兩階段存在大量溶液的反復(fù)升降溫，導(dǎo)致再生能耗普遍≥2.4 GJ/(t CO2)，捕集總能耗≥3.1 GJ/(t CO2))、吸收劑濃度低(碳酸鉀濃度≤30%，否則易結(jié)晶堵塞管道)或吸收劑易蒸發(fā)降解等缺點(diǎn)，尤其是再生能耗和操作成本偏高，阻礙了其大規(guī)模工業(yè)推廣應(yīng)用，開(kāi)發(fā)吸收效率高、捕集成本低的工藝和技術(shù)，一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
近日，青島能源所黃青山研究員帶領(lǐng)的多相反應(yīng)工程研究組在傳統(tǒng)熱鉀堿法的基礎(chǔ)上提出了一種基于相變吸收劑(碳酸鉀/碳酸氫鉀)、粒度可自由調(diào)控的反應(yīng)分離一體化反應(yīng)結(jié)晶器、微氣泡技術(shù)及蒸汽熱泵技術(shù)(Mechanical Vapor Recompression, MVR)的低能耗CO2捕集方法，其工藝流程如圖2所示。
圖2 基于碳酸鉀/碳酸氫鉀相變捕集低濃度CO2的工藝流程圖
本方法具有以下特點(diǎn)：
(1)吸收速率高：采用高濃度的碳酸鉀溶液(≥60 wt%)和特色微氣泡技術(shù)(平均直徑200~800 μm)，大大延長(zhǎng)了氣泡在溶液中的停留時(shí)間，提高了氣液吸收速率；
(2)僅固相再生，再生能耗低：再生過(guò)程無(wú)需對(duì)溶劑進(jìn)行加熱，可減少再生過(guò)程中因大量溶劑升降溫和蒸發(fā)導(dǎo)致的顯熱和潛熱損失；
(3)以水為媒介，采用蒸汽熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)吸收階段熱量的充分再利用：根據(jù)水汽化潛熱分別是其氣相和液相比熱2000多倍和1000多倍性質(zhì)，通過(guò)水的多次相變，采用蒸汽熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)潛熱回收和熱量品位的提升，不僅可將CO2吸收階段的反應(yīng)放熱全部用于其解吸階段的吸熱過(guò)程，還避免了傳統(tǒng)CO2捕集技術(shù)在吸收和解吸過(guò)程之間存在的大量且反復(fù)的升降溫過(guò)程而造成的大量能量消耗問(wèn)題，提高了能量的利用效率；
(4)連續(xù)反應(yīng)結(jié)晶及晶體粒徑可調(diào)控：生成物KHCO3晶體長(zhǎng)大到一定尺寸后，利用反應(yīng)結(jié)晶器內(nèi)流體的定向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)顆粒自動(dòng)分級(jí)和分離(小顆粒晶體返回結(jié)晶器中繼續(xù)長(zhǎng)大，大顆粒被分離并被濃縮)，從而實(shí)現(xiàn)了晶體產(chǎn)物的節(jié)能分離及粒徑的精準(zhǔn)調(diào)控；
(5)設(shè)備投資小：吸收塔中各種過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)分離一體化，再加上高濃度CO2吸收劑和微氣泡技術(shù)，可提高捕集效率，減小設(shè)備尺寸。
該技術(shù)的理論再生能耗<0.8 GJ/(t CO2)、綜合捕集能耗≤1.5 GJ/(t CO2)，為解決傳統(tǒng)CO2捕集技術(shù)能耗高、成本高的問(wèn)題提供了一種新的技術(shù)路徑，以期助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
上述工作發(fā)表在化工TOP期刊《Chemical Engineering Journal》上并申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，通訊作者是青島能源所的張海東助理研究員。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、所內(nèi)合作基金、山東省合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)新中心主任創(chuàng)新基金、中國(guó)科學(xué)院綠色過(guò)程制造創(chuàng)新研究院自主部署項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。(文/圖 肖航)
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