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【摘要】文章以变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展为中心话题，介绍了碳的捕获和存储、氧化碳的分离工艺、氧化碳的捕获系统，分析了氧化碳的变压吸附分离技术进展、国内外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展、变压吸附分离二氧化碳工艺中存在的问题等相关内容，并对变压吸附分离工业废气中二氧化碳工艺作了展望。希望能够引起人们对这一问题的进一步关注，能够对将来的实际工作发挥借鉴指导作用。
【关键词】变压吸附 工业废气 二氧化碳 研究进展
1 引言
自工业革命以来，石油、煤炭的用量急剧增加，它们在促进经济社会发展，提高人们生活水平等方面发挥了巨大的作用。但是，石油、煤炭的大量使用所带来的空气污染问题也越来越严重，由二氧化碳过量排放所引起的温室效应已经成为全球性的严重问题。因此，改变人类的生产方式、转变能源材料的利用方式，降低二氧化碳的排放量是摆在人类面前的重要课题。
2 碳的捕获和存储
碳的捕获和存储这一概念最早出现于1977年，它是指将二氧化碳从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并长期与大气隔绝的过程。它主要包括捕获、运输和封存三个阶段，在当今工业生产中都存在着这三个过程，其目的是为了减少二氧化碳排放量，减缓温室效益。碳的捕获和存储是减缓温室气体的一种合理方案，它能否广泛的得以运用取决于多方面的因素影响，比如技术成熟程度、成本、法律法规、环境问题等等。在整个捕获和存储过程中，捕获是最重要也是最昂贵的环节，其资金消耗站到总资金的85%左右。
3 二氧化碳的分离工艺及捕获系统
（1）分离工艺类型及特点。分离工艺主要包括四种类型：溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法、变压吸附法。在实际工作中，这些方法既可以单独使用，也可以组合使用。溶剂吸收法适用于气体中二氧化碳浓度较低的情形，浓缩之后二氧化碳的浓度可以达到99.99%，但是投资大，能耗较高，分离回收成本高。低温蒸馏法适用于二氧化碳高浓度的情形，投资大，能耗高，分离效果较差，运用得比较少。膜分离法操作简单，能耗较低，成本低廉，不过需要进行前处理、脱水和过滤，得到的二氧化碳的浓度不高，但仍然是一种良好的工艺，有着广泛的运用空间。变压吸附法能够从多种含二氧化碳的气源中捕获提纯二氧化碳，满足二氧化碳多种工业用途。该工艺的能耗低、工艺流程简单、无污染、环境效益好，但存在的缺点是，吸附剂容量有限，往往需要大量的吸附剂。
（2）捕获系统类型。当前，捕获系统类型主要包括：燃烧后捕获、燃烧前捕获、氧燃料燃烧，不同的系统类型具有不同的特点和运行方式，但不管是哪种类型，在捕获系统选择的时候，需要考虑燃气流中的二氧化碳的浓度、燃气流压力、燃料类型等因素。
4 二氧化碳的变压吸附分离技术进展
（1）二氧化碳分离工艺。变压吸附是通过周期性的压力变换来实现气体的分离或者提纯，1960年出现了变压吸附双塔结构，实现了变压吸附的循环操作，提高了产物的回收率，节省了均压步骤中的能量损失。此外，为了提高二氧化碳的回收率、纯度，减少操作过程中的能量损失，再加压、均压、顺流减压、回流等操作相继被提出来，这些操作提高了产品的回收率、纯度，降低了能耗，提高了变压吸附分离二氧化碳技术的经济性和可行性。
（2）吸附剂材料。吸附剂主要用来捕获二氧化碳，其选择往往决定了变压吸附的可行性。在变压吸附操作当中，将工作能力、选择性、平衡等温线类型、热效应作为衡量吸附剂好坏的标准。比较常用的捕获二氧化碳的有活性炭、沸石、活性氧化铝等。
5 国内外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展
（1）现代变压吸附技术得到了显著的提高。最初，人们认为变压吸附二氧化碳技术能耗大，成本高，回收率低，不可能实现工业化。随着人们的研究进一步深入，在吸附塔结构、循环设计、吸附剂等方面做了改进，促进了变压吸附捕获二氧化碳技术在工业上接受并得到广泛的投产运用。现代变压吸附技术在二氧化碳回收率、纯度、能耗、成本投资等方面都得到了显著的提高。
（2）国外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。自问世以来，变压吸附分离提纯二氧化碳技术经过不断的改进和完善，工艺流程变得更为简单，其操作也变得更为方便，其竞争力也日益提高。日本最先利用变压吸附技术分离二氧化碳，其应用主要集中在电厂和制造业当中。此外，日本也相当重视在这方面的科研投入，在过去几十年，日本政府已经累计投入5000万美元用于二氧化碳捕获和存储的科研活动，相关的科研成果也不断的涌现，例如，设计活塞驱动式超快速变压吸附来捕获二氧化碳，研发温度支持的固定塔系统来分离二氧化碳等等。
（3）国内变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。国内该技术最早由西南化工研究设计院开发出来，1987年，第一套从石灰窑气中提纯二氧化碳的装置在四川眉山县氮肥厂投入运行，1989年第一套从合成氨变换气中提纯二氧化碳的装置在广东江门氮肥厂投产。1995年宁波化肥厂建成一套从合成氨变换气中分离回收二氧化碳的变压吸附装置，1997年云南峨山化肥厂建成一套液体二氧化碳生产装置，2005年四川开元科技有限责任公司改进变压吸附脱碳技术工艺流程，优化工艺配置，并在自动控制系统方面取得了较大的进步。
6 变压吸附分离二氧化碳工艺中存在的问题
（1）需要改进变压吸附循环设计或研发亲二氧化碳的吸附剂材料。事实上，从工厂中排出的废气中，含有8%—10%的水蒸气，尽管进行前处理，但仍然有5%左右的饱和水蒸气不能除去。对于工业废气中含有水蒸气的情形，多数的吸附剂都会先吸附水蒸气，但是这样会大大的降低吸附剂吸附二氧化碳的能力。水蒸气在吸附剂上浓缩，还会与二氧化碳发生反应，生成碳酸，并腐蚀设备。所以，改进变压吸附循环设计，或者研发出亲二氧化碳的吸附剂材料具体重要的现实意义。
（2）压力降的存在对系统产生不利影响。吸附剂引起的压力降也会对系统产生不利影响，对加压、减压、冲洗等都会带来负面影响。为了减缓这种影响，不得不增加操作时间，降低系统压力，这样一来，不仅增加系统的能耗，增加设备的成本投入，还会降低二氧化碳的回收率。
（3）吸附剂的吸附性能和吸附效率受到多方面影响。在工业废气当中，还含有NOX和SOX等污染物质，它们会与吸附剂发生作用，对吸附剂的吸附性能产生严重的不利影响。此外，在吸附过程中，系统温度越低，吸附性能越强，但是在工业生产中，出口废气温度较高，这就必然降低了吸附剂对二氧化碳的吸附能力。
7 结束语
随着温室效应带来的危害越来越严重，减少二氧化碳排放量，减缓温室效应所带来的影响是摆在人类面前的迫切任务。变压吸附分离工业废气中二氧化碳工艺具有显著的优势和特点，它不仅能够节约能源，而且投资小，无污染，能够收到显著的经济社会环境效益，是将来人们研究二氧化碳分离技术的重要方向，在降低二氧化碳的排放量，减缓温室气体效应所带来的危害等方面必将发挥更大的作用。
参考文献
[1] 唐琳.吸附及变压吸附分离回收丙酮蒸气的数学模拟[D].湖南大学硕士学位论文，2007
[2] 徐冬.变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展[J].化工进展，2010（1）
[3] 邓丹.变压吸附法脱除烟气中二氧化碳的实验研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2008
[4] 李俊成.变压吸附提纯二氧化碳技术应用[J].大氮肥，2007（2）
[5] 简相坤.活性炭对 CO2的吸附与解吸研究进展[J].生物质化学工程，2012（3）
【关键词】变压吸附 工业废气 二氧化碳 研究进展
1 引言
自工业革命以来，石油、煤炭的用量急剧增加，它们在促进经济社会发展，提高人们生活水平等方面发挥了巨大的作用。但是，石油、煤炭的大量使用所带来的空气污染问题也越来越严重，由二氧化碳过量排放所引起的温室效应已经成为全球性的严重问题。因此，改变人类的生产方式、转变能源材料的利用方式，降低二氧化碳的排放量是摆在人类面前的重要课题。
2 碳的捕获和存储
碳的捕获和存储这一概念最早出现于1977年，它是指将二氧化碳从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并长期与大气隔绝的过程。它主要包括捕获、运输和封存三个阶段，在当今工业生产中都存在着这三个过程，其目的是为了减少二氧化碳排放量，减缓温室效益。碳的捕获和存储是减缓温室气体的一种合理方案，它能否广泛的得以运用取决于多方面的因素影响，比如技术成熟程度、成本、法律法规、环境问题等等。在整个捕获和存储过程中，捕获是最重要也是最昂贵的环节，其资金消耗站到总资金的85%左右。
3 二氧化碳的分离工艺及捕获系统
（1）分离工艺类型及特点。分离工艺主要包括四种类型：溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法、变压吸附法。在实际工作中，这些方法既可以单独使用，也可以组合使用。溶剂吸收法适用于气体中二氧化碳浓度较低的情形，浓缩之后二氧化碳的浓度可以达到99.99%，但是投资大，能耗较高，分离回收成本高。低温蒸馏法适用于二氧化碳高浓度的情形，投资大，能耗高，分离效果较差，运用得比较少。膜分离法操作简单，能耗较低，成本低廉，不过需要进行前处理、脱水和过滤，得到的二氧化碳的浓度不高，但仍然是一种良好的工艺，有着广泛的运用空间。变压吸附法能够从多种含二氧化碳的气源中捕获提纯二氧化碳，满足二氧化碳多种工业用途。该工艺的能耗低、工艺流程简单、无污染、环境效益好，但存在的缺点是，吸附剂容量有限，往往需要大量的吸附剂。
（2）捕获系统类型。当前，捕获系统类型主要包括：燃烧后捕获、燃烧前捕获、氧燃料燃烧，不同的系统类型具有不同的特点和运行方式，但不管是哪种类型，在捕获系统选择的时候，需要考虑燃气流中的二氧化碳的浓度、燃气流压力、燃料类型等因素。
4 二氧化碳的变压吸附分离技术进展
（1）二氧化碳分离工艺。变压吸附是通过周期性的压力变换来实现气体的分离或者提纯，1960年出现了变压吸附双塔结构，实现了变压吸附的循环操作，提高了产物的回收率，节省了均压步骤中的能量损失。此外，为了提高二氧化碳的回收率、纯度，减少操作过程中的能量损失，再加压、均压、顺流减压、回流等操作相继被提出来，这些操作提高了产品的回收率、纯度，降低了能耗，提高了变压吸附分离二氧化碳技术的经济性和可行性。
（2）吸附剂材料。吸附剂主要用来捕获二氧化碳，其选择往往决定了变压吸附的可行性。在变压吸附操作当中，将工作能力、选择性、平衡等温线类型、热效应作为衡量吸附剂好坏的标准。比较常用的捕获二氧化碳的有活性炭、沸石、活性氧化铝等。
5 国内外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展
（1）现代变压吸附技术得到了显著的提高。最初，人们认为变压吸附二氧化碳技术能耗大，成本高，回收率低，不可能实现工业化。随着人们的研究进一步深入，在吸附塔结构、循环设计、吸附剂等方面做了改进，促进了变压吸附捕获二氧化碳技术在工业上接受并得到广泛的投产运用。现代变压吸附技术在二氧化碳回收率、纯度、能耗、成本投资等方面都得到了显著的提高。
（2）国外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。自问世以来，变压吸附分离提纯二氧化碳技术经过不断的改进和完善，工艺流程变得更为简单，其操作也变得更为方便，其竞争力也日益提高。日本最先利用变压吸附技术分离二氧化碳，其应用主要集中在电厂和制造业当中。此外，日本也相当重视在这方面的科研投入，在过去几十年，日本政府已经累计投入5000万美元用于二氧化碳捕获和存储的科研活动，相关的科研成果也不断的涌现，例如，设计活塞驱动式超快速变压吸附来捕获二氧化碳，研发温度支持的固定塔系统来分离二氧化碳等等。
（3）国内变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。国内该技术最早由西南化工研究设计院开发出来，1987年，第一套从石灰窑气中提纯二氧化碳的装置在四川眉山县氮肥厂投入运行，1989年第一套从合成氨变换气中提纯二氧化碳的装置在广东江门氮肥厂投产。1995年宁波化肥厂建成一套从合成氨变换气中分离回收二氧化碳的变压吸附装置，1997年云南峨山化肥厂建成一套液体二氧化碳生产装置，2005年四川开元科技有限责任公司改进变压吸附脱碳技术工艺流程，优化工艺配置，并在自动控制系统方面取得了较大的进步。
6 变压吸附分离二氧化碳工艺中存在的问题
（1）需要改进变压吸附循环设计或研发亲二氧化碳的吸附剂材料。事实上，从工厂中排出的废气中，含有8%—10%的水蒸气，尽管进行前处理，但仍然有5%左右的饱和水蒸气不能除去。对于工业废气中含有水蒸气的情形，多数的吸附剂都会先吸附水蒸气，但是这样会大大的降低吸附剂吸附二氧化碳的能力。水蒸气在吸附剂上浓缩，还会与二氧化碳发生反应，生成碳酸，并腐蚀设备。所以，改进变压吸附循环设计，或者研发出亲二氧化碳的吸附剂材料具体重要的现实意义。
（2）压力降的存在对系统产生不利影响。吸附剂引起的压力降也会对系统产生不利影响，对加压、减压、冲洗等都会带来负面影响。为了减缓这种影响，不得不增加操作时间，降低系统压力，这样一来，不仅增加系统的能耗，增加设备的成本投入，还会降低二氧化碳的回收率。
（3）吸附剂的吸附性能和吸附效率受到多方面影响。在工业废气当中，还含有NOX和SOX等污染物质，它们会与吸附剂发生作用，对吸附剂的吸附性能产生严重的不利影响。此外，在吸附过程中，系统温度越低，吸附性能越强，但是在工业生产中，出口废气温度较高，这就必然降低了吸附剂对二氧化碳的吸附能力。
7 结束语
随着温室效应带来的危害越来越严重，减少二氧化碳排放量，减缓温室效应所带来的影响是摆在人类面前的迫切任务。变压吸附分离工业废气中二氧化碳工艺具有显著的优势和特点，它不仅能够节约能源，而且投资小，无污染，能够收到显著的经济社会环境效益，是将来人们研究二氧化碳分离技术的重要方向，在降低二氧化碳的排放量，减缓温室气体效应所带来的危害等方面必将发挥更大的作用。
参考文献
[1] 唐琳.吸附及变压吸附分离回收丙酮蒸气的数学模拟[D].湖南大学硕士学位论文，2007
[2] 徐冬.变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展[J].化工进展，2010（1）
[3] 邓丹.变压吸附法脱除烟气中二氧化碳的实验研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2008
[4] 李俊成.变压吸附提纯二氧化碳技术应用[J].大氮肥，2007（2）
[5] 简相坤.活性炭对 CO2的吸附与解吸研究进展[J].生物质化学工程，2012（3）