张亚萍

(山西铁道职业技术学院，山西 太原 030000)

近年来，温室效应的加剧引起了世界各国对CO2排放问题的广泛关注，人类也逐渐意识到环境破坏对自身经济发展的制约影响。我国在2021年国务院政府工作报告中指出，要优化产业结构和能源结构，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。在此基础上，我国还积极开展对燃后CO2的捕集工作，在现有电站基础上建立烟气捕获系统，切断CO2排放路径。

1 CO2的回收和利用技术

CO2的集中排放源主要有化石燃料电厂、水泥厂、钢铁厂等工业生产系统，从CO2捕获的技术性与适用性可将回收CO2的方法分为燃烧后捕集、富氧燃烧捕集及燃烧前捕集[1]。

1.1 燃烧后捕集

燃烧后捕集的主要目标是燃煤烟气中CO2的脱除，可用的方法有物理吸收法、化学吸收法、吸附法、膜分离法等[2]，近年来，还有诸多学者研究开发了电化学法、催化吸收法等新方法。由于烟气系统流量大，CO2含量低，目前比较常用的分离方法是化学吸收法。

物理吸收法是通过物理溶解作用对酸性气体进行吸收，可在加压作用下完成，降压后即可实现溶剂的再生。由于物理吸收并不发生化学反应，是一种较弱的溶解作用，所以再生所需能耗也较少，该法的关键是选择对CO2溶解度大、选择性好的吸收剂。物理溶解服从亨利定律，适用于CO2分压较高的气体的吸收，而烟气中CO2含量较低，约为15%左右，需要化学吸收的强结合力才能有效脱除CO2。

化学吸收法是利用化学试剂与CO2发生化学反应来捕获CO2的，常用的化学吸收剂有碳酸钾或有机胺类水溶液，该法由于对CO2吸收速率快，净化度高，在工业生产中得到广泛应用。日本关西电力公司在Nanko电站建立的化学吸收法富集CO2装置处理量可达240 t CO2/d[3，4]，关西公司与三菱重工共同研制的KS-1系列吸收剂和用于塔设备的KP-1系列填料均可增强CO2脱除效果；近年来，氨水捕集烟气CO2技术也逐渐成熟，美国Powerspan公司成功建设了氨水富集CO2的ECO2捕集工艺，能有效脱除烟气中95%以上的CO2[5]。

吸附分离法是利用吸附剂选择吸附原料气中CO2，从而达到脱除CO2的目的。在升高温度或增大压强的条件下，吸附剂能较容易地吸附目标气体，降温降压后吸附剂与吸附质又能得到再生[6]。常用的吸附剂有活性炭、分子筛、硅胶和天然沸石等。

膜分离法是利用混合气体通过一些膜材料时，表现出的溶解扩散差异来净化气体的，这种分离方法具有能耗低，污染少，结构简单等优点[7]。

1.2 富氧燃烧捕集

富氧燃烧捕集是用含氧量较高的气体代替空气做燃烧介质，这样化石燃料的燃烧产物主要是CO2与水蒸气，只要分离CO2与H2O便可实现CO2的富集。富氧燃烧系统产生的CO2浓度较高，因此可降低捕获分离费用，但纯氧的供给要通过分离空气而得，成本较高。

1.3 燃烧前捕集

燃烧前捕集系统基于煤气化联合循环技术(IGCC)，先将碳燃料气化成煤气，煤气经重整成为CO2与H2，这时CO2含量较高，容易从H2中分离出来，然后直接燃烧H2，从而CO2不进入燃烧过程，而是在燃烧前就分离出来[8]。燃烧前捕集系统是目前运行成本最低的CO2捕获技术，但需对传统电站进行改造，建成专门的IGCC电站，电站改造成本是制约这项技术大规模应用的主要原因之一。

2 CO2化学吸收剂

燃煤烟气中CO2分压低，适宜采用化学吸收法捕集CO2。CO2化学吸收剂主要有有机胺类、氨水、热钾碱、强碱、以及氨基酸盐等，化学吸收法能够快速吸收低浓度的CO2，但化学作用的强结合力也使吸收剂再生困难，在循环过程中吸收剂损失严重。目前在吸收剂的研究上，应重点开发兼具高吸收能力、低再生能耗的新型吸收剂。

2.1 氨水吸收剂

国内外众多学者通过实验研究了氨水法捕集燃煤CO2的性能，Yeh A C[9]等实验发现，氨水捕集CO2脱除效率可达95%～99%，James[10]等对氨水与常规的乙醇胺(MEA)脱碳效果进行比较，发现相同含量的氨水CO2吸收能力是MEA溶液的两倍。氨水捕集CO2成本较低，理论上还能对烟气中的氮氧化物及硫氧化物联合脱除，从而降低捕获前的脱硫、脱硝等投资费用。

氨水与CO2的反应如下：

但氨水法要得到大规模工程应用还应解决氨水的高挥发性、防漏、防爆等问题。

2.2 有机胺吸收剂

有机胺溶液是目前烟气捕集系统中最高效的化学吸收剂，已广泛应用于工业工程中。有机胺溶液吸收CO2主要靠分子中的N原子，N原子水解使溶液呈碱性，能够与酸性气体CO2等反应[11]。有机胺法捕获CO2技术在1930年左右就已经出现，之后便大规模应用于电厂、合成氨厂等体系CO2的脱除，有机胺溶液吸收CO2的优点是吸收速率与吸收量大、脱除效率高、溶剂再生后可重新利用。用于捕集烟气CO2的有机胺分为：伯胺、仲胺、叔胺、空间位阻胺、烯胺、脂环胺等。常见的伯胺有MEA(乙醇胺)，仲胺有DEA(二乙醇胺)[12]，叔胺有MDEA (N-甲基二乙醇胺)，空间位阻胺有AMP(2-氨基-2-甲基-1-丙醇)，烯胺有DETA (二乙烯三胺)，脂环胺有哌嗪(PZ)等。

2.3 热钾碱

热钾碱法主要是用碳酸钾来吸收CO2，可在其中添加活化剂提高反应速率，称为改良的热钾碱工艺。改良热钾碱最早研究的是G-V法[13]，添加三氧化二砷做活化剂，活化效果好，但有剧毒，之后逐渐被有机胺类所代替，如无毒G-V法，活化剂为氨基乙酸；苯菲尔法，活化剂为二乙醇胺；还有以二乙烯三胺、位阻胺等作为活化剂，活化剂参与吸收反应可改变反应历程，提高吸收速率[14]。

2.4 强碱

强碱法捕获CO2是用碱性很强的溶剂，如苛性钠和苛性钾等，与CO2发生酸碱中和反应，在强的化学作用下能做到对烟气彻底地净化。苛性钾溶液比苛性钠碱性强，但苛性钠价格相对低廉。强碱与CO2的反应是不可逆的，因此溶液再生较为困难，只适用于微量CO2的吸收[15]。

3 结语

世界各国都十分重视CO2的回收和利用问题，并且随着现代工业的发展，CO2排放量的逐年增加，回收烟气中CO2具有很好的经济和环境效益。目前化学吸收法捕获CO2的主要问题在于吸收剂再生困难，操作费用高，对设备存在腐蚀，循环过程中溶液损失严重等，因此开发低成本、低能耗的CO2捕获技术迫在眉睫。