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。

图片

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:

图片
图片
  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
https://wxa.wxs.qq.com/tmpl/lw/base_tmpl.html

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。

图片

(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,本文观点不代表氢头条立场。

(0)
xhbeijing的头像xhbeijing
2025年第十届中国国际氢能与燃料电池设备技术展览会
上一篇 2025年6月14日 11:58
燃料电池汽车骤降,前部长再提及
下一篇 2025年7月14日 10:29

相关推荐

  • 国家能源局总结“十四五”成绩单!2024年我国氢能生产消费规模位列世界第一

    氢能人都关注的 CIHC国际氢能展2025年08月26日 14:40北京 国务院新闻办公室今天上午举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会,国家发展改革委党组成员、国家能源局局长王宏志介绍了“十四五”时期能源高质量发展成就,并答记者问。 图来源:中国发布 位列世界第一 2024年我国氢能生产消费规模超3600万吨 “十四五”期间,我国统筹…

    2025年8月27日
    17000
  • 日本拟在15年内投入3万亿日元推动氢能源普及 目前面临诸多难题

     氢能源除了能够实现零排放、减少污染外,还具有发热值高、燃烧性能好以及损耗少等特点,但如何有效推动这一新能源的普及,仍然面临着诸多难题。目前主要的瓶颈是氢能源生产成本高,与传统能源相比,价格差异明显。以天然气为例,氢能目前的成本比天然气高10倍。日本政府计划发行一种被称为绿色转型债的国债,筹得的资金中,部分将用来推进氢能普及。

    上市企业 2023年12月18日
    36300
  • 天能氢电与格润时代战略合作取得标志性成果

    1月8日,距上次浙江天能氢能源科技有限公司与山西格润时代工程机械有限公司签约战略框架协议不到3个月,双方再次签订118台氢燃料发动机采购战略合作协议。 天能控股集团副董事长周建中,新绛经济技术开发区党工委委员、管委会副主任赵珉等领导和相关应用企业代表出席签约仪式并见证签约。天能氢能源事业部副总裁陈亚明与格润时代董事长尚斌代表双方签约。 周建中表示,作为为国家…

    2023年1月9日
    34400
  • 汉丞科技亿元融资启示录:融入全球氢能产业链,拿订单融资金

    澳洲产业资本入局,汉丞科技完成超亿元人民币融资 8月30日,汉丞科技完成超亿元人民币B轮融资,融资由福德士河(Fortescue)与高瓴创投共同领投。资金将用于汉丞科技战略扩张,包括部署年产能达1000吨的全氟磺酸树脂生产线、建立阴离子交换树脂(AEM)生产线及在原有180万平离子交换膜基础上的继续扩展,在强化供应链的同时提升产能。 香橙会研究院点评:汉丞科…

    2024年9月2日
    36700
  • 传思德智能科技取得一种燃料电池氢能蓄电池固定支架专利,使设备能更高效地进行两组蓄电池本体设备切换使用操作

    金融界2025年4月2日消息,国家知识产权局信息显示,传思德(深圳)智能科技有限公司取得一项名为“一种燃料电池氢能蓄电池固定支架”的专利,授权公告号CN 222698453 U,申请日期为2024年6月。 专利摘要显示,本实用新型涉及氢能蓄电池固定技术领域,具体为一种燃料电池氢能蓄电池固定支架,包括转动盘,所述转动盘的侧面四边固定连接有限位罩,左右两侧所述限…

    投融资 2025年4月2日
    23500

发表回复

登录后才能评论

联系我们

400-800-8888

在线咨询: QQ交谈

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息