论文部分内容阅读
【摘要】介绍了碳的捕获和存储，分析了二氧化碳分离工艺及捕获系统，探讨了二氧化碳变压吸附分离技术的进展、国内外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。另外，还指出了变压吸附分离二氧化碳工艺中存在的问题，并就这些问题提出相应的改进策略，希望能够为实际工作提供指导与参考。
【关键词】变压吸附；工业废气；碳捕获；碳存储；二氧化碳
1.引言
石油、煤炭的大量使用会导致排放到大气中的二氧化碳量急剧上升，其带来的温室效应已经成为影响人类生产、生活各个领域的重要问题。为了降低二氧化碳的排放量，缓解温室效应，人们尝试运用各种方式方法来提高能源利用效率，寻找替代能源，实现人类社会的可持续发展。文章主要就利用变压吸附分离工业废气中的二氧化碳进行探讨与分析，并提出具体的工艺策略，希望对工业废气二氧化碳的分离工艺提供借鉴。
2.碳的捕获和存储简介
碳的捕获和存储是随着科研的深入和技术的更新发展而出现的新概念，其主要目的是采取相应的技术措施，减少向大气的二氧化碳排放量。这两个概念最早产生于1977年，具体是指采取相应的措施，将二氧化碳从工业或相关能源中分离出来，输送到一个封存地点，并长期与大气隔绝的过程，从而减少向大气的二氧化碳排放量。程序包括捕获、运输、封存三个阶段。实际应用中通过这三个流程实现对碳的捕获和存储，该概念的出现和工业生产的具体应用，主要目的是降低二氧化碳排放量，缓解温室效应，保护人类生存环境。然而，碳的捕获和存储只是降低二氧化碳排放量，缓解温室气体的一种方案，能否得到具体应用，以及应用效果如何，还受到技术成熟程度、成本、法律法规等的制约。只有在所有这些因素都具备和完善的前提下，才有可能对该方案进行有效的应用，对其进行推广和普及。在具体应用中，碳的捕获最为困难，所需要耗费的资金也更多，占到整个工艺流程资金耗费的85%左右。因此，在实际工作中，关键是要采取有效的措施，实现对碳的有效捕获。
3.二氧化碳分离工艺及捕获系统概述
3.1分离工艺的类型与特征。就其类型来看，分离工艺包括溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法、变压吸附法四种不同的工艺类型。这些工艺各有自身的特点和优势，在具体的应用过程中，既可以根据具体情况单独采用某种工艺，也可以根据实际需要，对几种工艺进行组合，以提高工作效率。当气体的二氧化碳浓度较低，一般适合采用溶剂吸收法，采用该工艺对二氧化碳进行浓缩之后，其浓度可以达到99.99%。尽管该工艺可以得到浓度较高的二氧化碳，但也存在着一些缺陷与不足，例如，工艺的投资较低，能源消耗巨大，分离回收成本较高，因而该工艺的推广和应用受到较大程度的限制。低温蒸馏法的能源消耗也十分巨大，投资较多，在二氧化碳浓度较高的情形比较适用，但该工艺的分离效果较差，在具体应用中难以推广和普及。膜分离法的成本投入较少，能源消耗也相对降低，但得到的二氧化碳浓度不高，在模分离之前需要进行脱水、过滤等处理工作，尽管该方式存在不足之处，但综合来看仍然是一种较为优良的工艺方式。变压吸附法通过捕获提纯二氧化碳，能源消耗较低，操作简单方便，对周围环境没有污染，是较为理想的处理工艺。
3.2捕获系统的不同种类。在具体应用中，包括燃烧后捕获、燃烧前捕获、氧燃料燃烧三种不同的方式，不同的方式操作流程不一样，具有各自的特点和优势。需要注意的是，在具体应用中，不管采用何种方式，需要考虑燃气流中的二氧化碳浓度、燃气流压力、燃料类型等因素，以达到更好的处理效果，促进捕获和分离工艺的正常运行。
4.二氧化碳变压吸附分离技术的进展研究
4.1二氧化碳分离工艺研究。在对气体分离和提纯的过程中，变压吸附所采用的的方式是，通过周期性的压力变换从而实现上述目的。为提高分离效果，在设备结构、工艺流程等方面都取得了进步。例如，1960年出现了变压吸附双塔结构，使得变压吸附循环操作得以实现，取得了良好的效果，不仅使产物的回收率得到了提高，还降低了均压中的能量损失，给整个变压吸附带来重要的意义。另外，为了降低能量损耗，使二氧化碳的纯度、回收率得以提高，再加压、均压、顺流减压、回流等工艺相继出现，并在具体工作中得到应用，这些工艺的出现，不仅使得产品的回收率得到提高，还提高了产品的纯度，使得工艺流程中的能源消耗不断降低，对整个变压吸附分离技术带来积极的作用。
4.2吸附剂材料分析。在具体应用中，吸附剂的主要作用是捕获二氧化碳，衡量吸附剂好坏的标准包括工作能力、选择性、平衡等温线类型、热效应等指标。较为常用的材料包括活性炭、沸石、活性氧化铝等，各有自身的特点和优势，应该根据具体需要合理选用。
5.国内外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展研究
5.1现代变压吸附技术取得了显著的进步。最先利用变压吸附二氧化碳技术的时候，人们普遍认为该技术缺乏发展前景，其成本较高，能源消耗较大，难以大规模的推广和应用。随着技术的改进和升级，吸附塔结构、循环设计、吸附剂等进行了不断的改进和提升，变压吸附分离技术得到了进一步广泛的应用。目前，该技术的二氧化碳回收率高、纯度高、能耗低、成本投入少，效益明显，是较为理想的二氧化碳吸附技术。
5.2国外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。在国外，该技术取得了不断的改进，其工艺流程变得更为简单，操作也更为方便，效益越来越明显。日本最先利用变压吸附技术分离二氧化碳，另外，美国、德国、英国等也重视该技术的应用。并且注重在这方面的投入，相应的研究成果不断出现并得到推广。以日本为例，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，并且，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，在科研方面取得了重要的突破，对具体工作也产生积极的影响。
5.3国内变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。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，优化设备配置，并在自动控制系统方面取得较大进步。今后随着科研的深入，该技术将会取得更大的进步，其应用效果也更为显著。
6.变压吸附分离二氧化碳工艺中存在的问题
6.1改进变压吸附循环设计或研发亲二氧化碳吸附剂材料。工厂排出的废气，经过处理后也会有5%左右的水蒸气无法清除，而吸附剂往往先吸附水蒸气，从而使得二氧化碳的吸附能力降低，今后有必要改进变压吸附循环设计，或研发亲二氧化碳吸附剂材料。
6.2压力降的存在对系统产生负面影响。压力降对加压、减压、冲洗产生负面作用，使得系统压力降低，增加系统能耗，降低成本投入，对提高二氧化碳回收率也带来负面影响。
7.结束语
综上所述，变压吸附分离工业废气的二氧化碳工艺能源消耗少，投资较少，不会带来污染问题，效益显著，对分离二氧化碳具有重要作用。今后在减少二氧化碳排放方面将会发挥更加重要的作用。
参考文献
[1]鱼惟铭.吸附法治理工业废气的探讨[J].资源节约与环保，2013（6）
[2]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）
[3]刘选金.变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展初探[J].中国石油和化工标准与质量，2013（5）
【关键词】变压吸附；工业废气；碳捕获；碳存储；二氧化碳
1.引言
石油、煤炭的大量使用会导致排放到大气中的二氧化碳量急剧上升，其带来的温室效应已经成为影响人类生产、生活各个领域的重要问题。为了降低二氧化碳的排放量，缓解温室效应，人们尝试运用各种方式方法来提高能源利用效率，寻找替代能源，实现人类社会的可持续发展。文章主要就利用变压吸附分离工业废气中的二氧化碳进行探讨与分析，并提出具体的工艺策略，希望对工业废气二氧化碳的分离工艺提供借鉴。
2.碳的捕获和存储简介
碳的捕获和存储是随着科研的深入和技术的更新发展而出现的新概念，其主要目的是采取相应的技术措施，减少向大气的二氧化碳排放量。这两个概念最早产生于1977年，具体是指采取相应的措施，将二氧化碳从工业或相关能源中分离出来，输送到一个封存地点，并长期与大气隔绝的过程，从而减少向大气的二氧化碳排放量。程序包括捕获、运输、封存三个阶段。实际应用中通过这三个流程实现对碳的捕获和存储，该概念的出现和工业生产的具体应用，主要目的是降低二氧化碳排放量，缓解温室效应，保护人类生存环境。然而，碳的捕获和存储只是降低二氧化碳排放量，缓解温室气体的一种方案，能否得到具体应用，以及应用效果如何，还受到技术成熟程度、成本、法律法规等的制约。只有在所有这些因素都具备和完善的前提下，才有可能对该方案进行有效的应用，对其进行推广和普及。在具体应用中，碳的捕获最为困难，所需要耗费的资金也更多，占到整个工艺流程资金耗费的85%左右。因此，在实际工作中，关键是要采取有效的措施，实现对碳的有效捕获。
3.二氧化碳分离工艺及捕获系统概述
3.1分离工艺的类型与特征。就其类型来看，分离工艺包括溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法、变压吸附法四种不同的工艺类型。这些工艺各有自身的特点和优势，在具体的应用过程中，既可以根据具体情况单独采用某种工艺，也可以根据实际需要，对几种工艺进行组合，以提高工作效率。当气体的二氧化碳浓度较低，一般适合采用溶剂吸收法，采用该工艺对二氧化碳进行浓缩之后，其浓度可以达到99.99%。尽管该工艺可以得到浓度较高的二氧化碳，但也存在着一些缺陷与不足，例如，工艺的投资较低，能源消耗巨大，分离回收成本较高，因而该工艺的推广和应用受到较大程度的限制。低温蒸馏法的能源消耗也十分巨大，投资较多，在二氧化碳浓度较高的情形比较适用，但该工艺的分离效果较差，在具体应用中难以推广和普及。膜分离法的成本投入较少，能源消耗也相对降低，但得到的二氧化碳浓度不高，在模分离之前需要进行脱水、过滤等处理工作，尽管该方式存在不足之处，但综合来看仍然是一种较为优良的工艺方式。变压吸附法通过捕获提纯二氧化碳，能源消耗较低，操作简单方便，对周围环境没有污染，是较为理想的处理工艺。
3.2捕获系统的不同种类。在具体应用中，包括燃烧后捕获、燃烧前捕获、氧燃料燃烧三种不同的方式，不同的方式操作流程不一样，具有各自的特点和优势。需要注意的是，在具体应用中，不管采用何种方式，需要考虑燃气流中的二氧化碳浓度、燃气流压力、燃料类型等因素，以达到更好的处理效果，促进捕获和分离工艺的正常运行。
4.二氧化碳变压吸附分离技术的进展研究
4.1二氧化碳分离工艺研究。在对气体分离和提纯的过程中，变压吸附所采用的的方式是，通过周期性的压力变换从而实现上述目的。为提高分离效果，在设备结构、工艺流程等方面都取得了进步。例如，1960年出现了变压吸附双塔结构，使得变压吸附循环操作得以实现，取得了良好的效果，不仅使产物的回收率得到了提高，还降低了均压中的能量损失，给整个变压吸附带来重要的意义。另外，为了降低能量损耗，使二氧化碳的纯度、回收率得以提高，再加压、均压、顺流减压、回流等工艺相继出现，并在具体工作中得到应用，这些工艺的出现，不仅使得产品的回收率得到提高，还提高了产品的纯度，使得工艺流程中的能源消耗不断降低，对整个变压吸附分离技术带来积极的作用。
4.2吸附剂材料分析。在具体应用中，吸附剂的主要作用是捕获二氧化碳，衡量吸附剂好坏的标准包括工作能力、选择性、平衡等温线类型、热效应等指标。较为常用的材料包括活性炭、沸石、活性氧化铝等，各有自身的特点和优势，应该根据具体需要合理选用。
5.国内外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展研究
5.1现代变压吸附技术取得了显著的进步。最先利用变压吸附二氧化碳技术的时候，人们普遍认为该技术缺乏发展前景，其成本较高，能源消耗较大，难以大规模的推广和应用。随着技术的改进和升级，吸附塔结构、循环设计、吸附剂等进行了不断的改进和提升，变压吸附分离技术得到了进一步广泛的应用。目前，该技术的二氧化碳回收率高、纯度高、能耗低、成本投入少，效益明显，是较为理想的二氧化碳吸附技术。
5.2国外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。在国外，该技术取得了不断的改进，其工艺流程变得更为简单，操作也更为方便，效益越来越明显。日本最先利用变压吸附技术分离二氧化碳，另外，美国、德国、英国等也重视该技术的应用。并且注重在这方面的投入，相应的研究成果不断出现并得到推广。以日本为例，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，并且，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，在科研方面取得了重要的突破，对具体工作也产生积极的影响。
5.3国内变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展。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，优化设备配置，并在自动控制系统方面取得较大进步。今后随着科研的深入，该技术将会取得更大的进步，其应用效果也更为显著。
6.变压吸附分离二氧化碳工艺中存在的问题
6.1改进变压吸附循环设计或研发亲二氧化碳吸附剂材料。工厂排出的废气，经过处理后也会有5%左右的水蒸气无法清除，而吸附剂往往先吸附水蒸气，从而使得二氧化碳的吸附能力降低，今后有必要改进变压吸附循环设计，或研发亲二氧化碳吸附剂材料。
6.2压力降的存在对系统产生负面影响。压力降对加压、减压、冲洗产生负面作用，使得系统压力降低，增加系统能耗，降低成本投入，对提高二氧化碳回收率也带来负面影响。
7.结束语
综上所述，变压吸附分离工业废气的二氧化碳工艺能源消耗少，投资较少，不会带来污染问题，效益显著，对分离二氧化碳具有重要作用。今后在减少二氧化碳排放方面将会发挥更加重要的作用。
参考文献
[1]鱼惟铭.吸附法治理工业废气的探讨[J].资源节约与环保，2013（6）
[2]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）
[3]刘选金.变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展初探[J].中国石油和化工标准与质量，2013（5）