碳捕集分类和真空变压吸附碳捕集技术介绍

碳捕集技术,是接下来近40年的热点领域,除了传统工艺之外,也会不断涌现出新的工艺,今天主要介绍两大传统工艺(MDEA湿法脱碳和VPSA真空变压吸附)之一的VPSA技术。

知识点:

  1. MDEA湿法脱碳(MDEA wet decarbonization technology):选用MDEA溶液(及添加剂)对原料气中的二氧化碳进行吸收,在高压低温下吸收,然后在低压高温下再生,得到纯度99%以上的二氧化碳;特点是:能耗高、投资大,但是二氧化碳去除率高;
  2. VPSA变压吸附技术(Carbon dioxide capture and utilization by VPSA,vacuum Pressure Swing Adsorption):选用多台吸附塔(内部装填吸附剂,如活性炭、分子筛等),在高压常温下对原料气中的二氧化碳进行吸附,再通过低压(抽真空)的形式,将吸附的二氧化碳解吸出来:特点是:能耗低,投资小,但是二氧化碳去处理低。
  3. 等温吸附曲线(Adsorption Isotherm)是指在恒定温度下,吸附剂对气体或溶液中吸附质的吸附量随压力(或浓度)变化的关系曲线。它直观反映了吸附平衡时吸附质在两相(如固-气或固-液界面)中的分布规律,是研究吸附机理、材料表面性质及孔结构的关键工具。

1. 背景

二氧化碳(CO₂)排放导致全球变暖效应,这是威胁地球宜居性的最紧迫问题之一。尽管政府法规和协议已限制排放量,但当前排放率仍居高不下,CO₂的累积已引发全球气候变化。为遏制温室气体(greenhouse gas,GHG)排放增加导致的气候进一步恶化,国际社会持续努力。政府间气候变化专门委员会(International Panel of Climate Change,IPCC)预测:到2100年,大气中CO₂浓度将达570 ppmv,海平面上升3.8米,全球平均气温升高2℃。持续的GHG排放将加剧气候系统各组成部分的长期变化,增加对人类和生态系统造成严重、普遍且不可逆转影响的风险。

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2015年12月,《巴黎协定》在联合国气候变化框架公约(UNFCCC)下由195个缔约方签署,中美两国政府做出历史性参与。该协定旨在将本世纪全球温升控制在工业化前水平2℃以内,并努力限制在1.5℃内。欧盟(EU)承诺到2030年实现较1990年至少减排40%、2050年至少减排80%的全经济领域目标,为全球控温(远低于2℃)做出贡献。中国也承诺2030年碳达峰,2060年碳中和。

2. 碳捕集技术分类

碳捕集概念分三大类,分别是燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后捕集,如下图所示:

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  1. 燃烧前捕集:比如,将煤气化成合成气,然后分离二氧化碳,净化后的气体,如氢气去做燃料,这样燃烧结果就只有水,没有二氧化碳;在前端就分离出去二氧化碳;不让煤直接和空气燃烧产生大量二氧化碳;
  2. 富氧燃烧,字面意思,采用富氧燃烧+烟气循环,提高热转化效率,减少碳排放;
  3. 燃烧后碳捕集,也就是我们目前比较常见的碳捕集技术,不管是湿法还是干法,都是基于此。燃烧后的烟气中含有大量二氧化碳,对此进行捕集。

3. 真空变压吸附技术

顾名思义,选用吸附的方式进行碳捕集,一般选择多台吸附塔,内部装填完全一样的吸附剂,如活性炭、分子筛等,具体吸附剂配比受吸附压力和原料气中的气体组分定。 一般需要对烟气继续预处理,如增压、去除原料中的氮氧化物、颗粒物等等,最后预处理之后的气体组分主要是二氧化碳、氮气、氧气等洁净气体,再进行增压,一般吸附压力高,有利于吸附,如压力>0.1MPaG,吸附塔吸附饱和后,需要切换到其他吸附塔进行工作,这样多态吸附塔连续工作;https://wxa.wxs.qq.com/tmpl/lw/base_tmpl.html

吸附饱和之后的吸附塔,通过减压、抽真空,将吸附的二氧化碳再生出来,这样就能很好的进行二氧化碳收集了,下游再去进行利用,如加压、液化或者食品级二氧化碳等等。

图片(From Allison) 

针对烟道气和烟气的CO₂富集,VPSA(真空变压吸附技术)被公认为更经济的CO₂捕集方案

4. 吸附剂

吸附剂决定了VPSA技术的整体CO₂捕集性能。化石燃料尾气中CO₂浓度较低(15-16%)而N₂含量高(73-77%),因此对CO₂的高选择性至关重要。

适用于碳捕集的材料必须考虑气体分子尺寸及其电子行为特性。由于气体分子的动力学直径差异微小(CO₂: 3.30 Å, N₂: 3.64 Å),仅靠分子尺寸难以实现CO₂分离。而四极矩和极化率等电子特性因气体间显著差异成为关键分离依据。

理想燃烧后烟气CO₂捕集吸附剂应具备:

  1. 对CO₂的高选择性(优于其他烟气组分)
  2. 高重量/体积CO₂吸附容量
  3. 再生能耗最低化
  4. 操作条件下的长期稳定性
  5. 气体在材料中的快速扩散能力

吸附过程依赖高孔隙率有机或无机材料,包括商用产品或材料科学研发中的新型材料。已开发的CO₂捕集吸附剂包括:

  • 活性炭(ACs)
  • 沸石分子筛
  • 金属有机框架(MOFs)
  • 硅胶/多孔聚合物
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不同吸附剂特性(比表面积、微孔容积等)使其适用于不同工况。吸附剂选择对装置效能至关重要,其性质是决定特定循环构型性能的核心因素。当前工业实践中,碳分子筛(CMS)和沸石分子筛是主流选择,MOFs和胺功能化材料虽具潜力但仍处研发阶段。MOFs需在化学/热稳定性及大规模制备工艺方面突破,而沸石这些特性已成熟。

沸石和MOFs等吸附剂的孔结构由分子尺度均匀通道规则排列构成,可实现尺寸选择性(分子筛)分离。 尺寸排阻原理直接:过大分子无法进入孔道被排除,理论上可实现高选择性分离。此时临界分子直径(分子平衡构象最小外接圆柱直径)是衡量分子尺寸的最适标准。

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(二氧化碳在活性炭吸附剂上的不同温度下的等温吸附曲线)

5. 结论

  1. 常规说的碳捕集一般集中在燃烧后碳捕集,燃烧后碳捕集技术分很多种,吸附和吸收只是其中2种;其他技术如微藻生物固碳、低温深冷、膜分离等技术,后续陆续介绍。
  2. VPSA碳捕集的吸附剂主要还是以沸石、活性炭、CMS等可批量采购的商用材料为主,尽管新型吸附剂研究激增,但仅有极少数能进入中试验证阶段,主因是大规模生产可行性不足——这在初期材料研究中常被忽视。
  3. 吸附剂对温度比较敏感,沸石吸附剂(如13X)的CO₂吸附容量随温度升高指数级下降(10℃→50℃时吸附量降低40-60%),温度>50℃将显著缩短吸附床穿透时间。
  4. 真空变压吸附比较有竞争力的数据是单位能耗,因为VPSA只有真空泵耗电,所以国际上比较先进的技术是电耗≤1.48 kWh/kg-CO。

本文转载自氢链2040,只做主题效果测试使用,本文观点不代表氢天下立场。

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