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[摘 要]随着现代社会工业的发展，二氧化碳导致的温室效应越来越受到人类的重视。火电厂作为二氧化碳排放大户，如何减少电厂二氧化碳的排放成为焦点。本文首先详细阐述了燃煤电厂二氧化碳捕集技术路线：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集和二氧化碳捕集方法：物理吸附法、物理吸收法、化学吸收法、膜分离法、低温蒸馏法等，随后介绍了二氧化碳运输技术以及二氧化碳的存储技术：地质储存、海洋储存、储液站储存、固态储存和矿物碳化储存技术，最后对现况进行分析，提出了制约该项技术发展的原因。
[关键词]碳减排、二氧化碳捕集、二氧化碳运输、二氧化碳储存
中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0342-02
一、 研究目的及意义
随着现代社会工业的发展，环境问题已经成为人类关注的焦点，由于大量排放二氧化碳导致的温室效应便是其中重要的一环，其带来的危害已经为各国政府高度关注。我国政府承诺到2020年碳排放强度比2005年降低40-45%，足可见我国对控制二氧化碳排放的决心之大。但当前我国的能源领域面临着多方挑战，能源消费增长迅速，且现阶段我国的能源结构仍以煤炭为主，世界一多半的煤炭为中国所用，中国60%多的煤炭用于发电，因此控制燃煤电厂二氧化碳的排放是我国碳减排的关键，研究电厂二氧化碳捕集运输和储存技术显得举足轻重。
二、 二氧化碳的捕集技术路线及方法分析
燃煤电厂对燃料燃烧不同阶段产生的二氧化碳的捕集分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集三条技术路线。现阶段捕集方法主要有物理吸附法、物理吸收法、化学吸收法、膜分离法、低温蒸馏法等，使用何种捕集方法取决于二氧化碳气体的浓度、压力、温度，不同类型发电机组以及不同技术路线会选用不同的捕集方法。
2.1 二氧化碳捕集技术路线现状分析
2.1.1 燃烧前捕集：燃烧前捕集技术主要应用在整体煤气化联合循环发电系统（IGCC），IGCC的工艺流程主要为：氮气作为动力气源带动燃煤进入气化炉，与空分系统分离送出的纯氧在气化炉内发生高压富氧反应，生成有效成分主要为一氧化碳和氢气的混合气体，随后，在催化转换器中经过水煤气变换后，促使一氧化碳转换为二氧化碳并进一步产生氢气，混合气体中二氧化碳被捕集分离，氢气经过净化作为清洁的气体燃料送入燃气轮机用于燃烧。燃烧前捕集技术的优点是由于混合气体的压力较高，可以生成浓缩的二氧化碳气流，不用加压便能满足压缩机对管道内输送气体压力的要求，减少能耗，同时高浓度的二氧化碳气体有利于捕集和利用，该技术还具有捕集系统小、捕集效率高以及对污染物的控制方面有很大潜力的优点，缺点是IGCC技术仍面临初期投资成本高、可靠性不高的问题，并且由于二氧化碳捕集系统需使用蒸汽以及压缩机需使用额外功率会导致IGCC面临发电成本增加40%、效率降低22%的问题。该技术常采用物理溶剂吸收方法和膜分离法来捕集二氧化碳。
2.1.2 燃烧后捕集：燃烧后捕集顾名思义是在燃料燃烧后产生的烟气中进行二氧化碳捕集的技术。由于电厂烟气中二氧化碳的浓度相对较低，该技术路线一般采用化学吸收法并需要使用强力溶剂。该技术的优点是只需对现有燃煤机组加以改造加装二氧化碳捕集装置即可，不需要对机组的结构进行大面积的调整，适合运行机组改造，并且该种技术是一种成熟的技术，缺点是由于烟气中二氧化碳的浓度较低，二氧化碳的捕集费用相对较高，同时还面临溶剂再生需要消耗大量能量的问题。燃烧后捕集技术还可使用物理吸附法、膜分离法和低温蒸馏法捕集二氧化碳。
2.1.3 富氧燃烧捕集：富氧燃烧捕集顾名思义就是化石燃料在燃烧的过程中助燃剂是纯氧而非空氣，这样燃料燃烧完毕烟气中主要含有二氧化碳和水蒸气，只有少量的二氧化硫、碳氧化物等杂质，把烟气进行脱硫、脱硝及除尘后进行冷却，除去其中的水蒸气便可得到高纯度的二氧化碳，纯度能够达到80%至98%，少量烟气再循环进入燃烧室，目的是控制火焰温度，防止燃料在纯氧中燃烧时温度过高，并且提高了烟气中二氧化碳的体积比。此种技术的优点是捕集成本低；由于没有氮气参与燃烧，烟气中氮氧化物的含量大大降低；由于是富氧燃烧，可以降低燃料的消耗量，提高热效率，缺点是燃烧需要在富氧的环境下进行，制备高纯度氧的能耗很高；燃烧室需要改造；该种技术面临的问题很多，如烟气再循环的参入量、氧量变化造成锅炉燃烧调节的改变等，该种技术尚不成熟，处于示范阶段。
综上所述，三种二氧化碳捕集技术路线各有特点，燃烧前捕集技术占用场地小、捕集效率高但初期投资成本高，适用于IGCC电厂；燃烧后捕集技术对已建电厂改造难度小、技术相对成熟但捕集成本高；富氧燃烧捕集成本低但制氧能耗高、技术不成熟，燃烧后捕集和富氧燃烧捕集技术路线主要适用于传统以化石能源为燃料的电厂，并适合老厂改造。现阶段，三种技术路线均未达到商业化的程度，只处于实验室阶段或有少量的示范项目。
2.2 二氧化碳捕集方法介绍
2.2.1 物理吸收法
物理吸收法是利用有机溶剂在高压下对二氧化碳的吸收量增大的机理实现的，通过对有机溶剂降压便可以释放二氧化碳，还原溶剂。此种方法能耗较低，要求有机溶剂具有对二氧化碳的溶解度随压力变大增速明显、沸点高、选择性好、无毒、稳定性好等特点。常用的物理吸收溶剂有聚乙二醇二甲醇、甲醚、环丁砜、三乙醇胺和碳酸丙烯酯。
2.2.2 化学吸收法
化学吸收法在化工行业是一种常见的方法，一般二氧化碳的吸收溶剂为有机胺的水溶液。研究发现水对乙醇胺吸收二氧化碳的能力有提升作用，没有水的存在，1mol乙醇胺只能吸收0.5mol二氧化碳，水存在的情况下，1mol乙醇胺能吸收1mol二氧化碳。醇胺类化学吸收法的优点为技术成熟、吸收量大、选择性高并能同时吸收硫化氢和氮氧化物等有害气体；缺点为吸收溶剂再生困难，需要消耗较高能量；对设备易腐蚀；在富氧的环境下，吸收性能大幅降低等。 2.2.3 物理吸附法
物理吸附法是利用固体吸附剂对二氧化碳进行选择性吸附的原理，脱除烟气中的二氧化碳，吸附法分为变温吸附法和变压吸附法。固体吸附剂表面的孔径大小、孔容和极性以及吸附材料分子量、分子大小、极性决定了该吸附剂的吸附能力，此种方法比吸收法具有吸附过程需要能量少的优点，并且由于吸附过程是放热过程，吸附剂需要通过加热还原再生。物理吸附法对二氧化碳的捕集成本与吸收法大致相当，但其对二氧化碳的吸附量和选择性要更好，并且吸附剂的还原需要的能量较低，操作简单，相比吸收法更具有市场价值，缺点是进行二氧化碳捕集前需要将混合气体冷却、干燥，以及除去易使吸附剂中毒的气体，并且存在二氧化碳回收率不高以及吸附剂选择性的问题。常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和活性炭等。
2.2.4 膜分离法
膜分离法是利用部分气体无法穿透薄膜的原理对气体进行分离，此法的驱动力是膜两侧的压差，当差压达到一定值时，能够穿透薄膜的气体会透过薄膜，捕集气体会留在膜内。薄膜的气体选择性、压力比、穿透气流和总气流的流量比决定了此薄膜的二氧化碳捕集能力。此方法在分离工业合成氨尾气、炼油尾气等领域已经广泛使用，但是由于电厂烟气流量大，需要膜的面积很大，投资成本高。用于捕集二氧化碳的薄膜有醋酸纤维膜、聚苯醚膜、乙基膜、聚砜膜、溴磺化聚环氧丙烷膜、沸石矿物膜等。
2.2.5 低温蒸馏法
低温蒸馏法是利用不同气体的冷凝点不同而进行气体分离的，系统一般由压缩机、焦耳汤普森阀、多级热交换器和膨胀机组成，系统中设有不同温度的冷阱，以此来捕集不同冷凝点的气体。由于低温蒸馏法是在液态的形态下捕集到的二氧化碳，为运输和储存提供便捷；该方法同时还能减少水的消耗、化学试剂的使用量以及有效解决设备腐蚀等问题，缺点是设备庞大、能耗大、烟气中的粉尘易阻塞设备等，此方法一般用于分离高浓度的二氧化碳，常用于分离油田伴生气中的二氧化碳。
2.2.6 二氧化碳捕集新方法
所谓的二氧化碳捕集新方法是指尚在实验室研究阶段，技术尚未成熟的方法，主要有化学循环捕集法和二氧化碳水合分离法。
上述几种二氧化碳的捕集方法各有千秋，需要根据捕集技术路线选择合适的捕集方法或几种捕集方法的集合，电厂的二氧化碳捕集方法大多尚在实验室或示范阶段，需要进一步研究论证。
三、 二氧化碳的运输与储存技术分析
3.1 二氧化碳运输技术
二氧化碳经捕集、压缩形成超临界流体或液体，通过铁路、船舶、管道等输送工具运至目的地的过程称为二氧化碳的运输。当运输距离较远时（大于1000千米）管道运输的成本最低，并且管道运输是一项成熟的商业化技术，其成本取决于管道的长度、直径、二氧化碳的压力和地质特点。
3.2 二氧化碳储存技术
二氧化碳的存储技术分为地质储存、海洋储存、储液站储存、固态储存和矿物碳化储存技术。
地质储存技术是把超临界状态的二氧化碳灌入油田、气田、无法开采的煤层、深盐水层进行储存，这些地层必须由岩石密封，并且相对二氧化碳来说是不可渗透的。把二氧化碳注入油田或气田存储二氧化碳的同时用以驅动采油或气，可以提高30%至60%的石油产量；注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气驱赶出来，增加煤层气采集率；深盐水层储存技术由于储存容量大具有最大的潜力，该方法已于1996年一家挪威的能源公司投入商业运行。
海洋储存技术是把二氧化碳输送到海洋600米深度以下的区域，在此深度由于水的压力能够把二氧化碳转换为液体，当储存深度达到3000米、温度低于10摄氏度时，液态二氧化碳的密度会大于水的密度，并在表面形成粘稠状薄膜，防止二氧化碳扩散。此种技术可能会改变海洋的PH值，其对环境的危害程度未知，此种技术还在探索阶段。
储液站储存技术是把捕集到的二氧化碳进行净化、干燥等处理后冷却形成高压、低温的液态二氧化碳，具有效率高、气体纯度高、储量大的特点。
固态存储技术是把二氧化碳先高压压缩形成液态二氧化碳，然后高压低温冷却形成干冰储存，由于其生产工艺困难且储存条件费用高，此项技术并不常用。
矿物碳化技术储存二氧化碳是一项新兴技术，技术原理是将二氧化碳矿物碳化固定与含方英石杂质的钙基膨润土深加工相结合，利用钙基膨润土容易通过离子交换形成碳酸钙以及碱法分离方英石过程中容易形成吸收二氧化碳溶液的特点，实现吸收固定二氧化碳，但其预期成本远高于其他存储方法，不适合开展利用。
四、 结束语
现阶段，制约二氧化碳捕集存储技术发展的关键在于技术不成熟和高昂成本问题，研究开发成熟、高效、低成本的二氧化碳捕集储存技术将是未来发展的方向。本文通过对现有的二氧化碳的捕集、运输及储存技术进行阐述，为未来该技术在电厂的成熟应用提供理论依据。
参考文献
[1] 魏义杭，二氧化碳的捕集与封存技术研究现状与发展[J]，应用能源技术，2015，12（36-39）.
[2] 刘书群，二氧化碳捕集技术研究进展[J]，广州化工，2014，2（10-12）.
[关键词]碳减排、二氧化碳捕集、二氧化碳运输、二氧化碳储存
中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0342-02
一、 研究目的及意义
随着现代社会工业的发展，环境问题已经成为人类关注的焦点，由于大量排放二氧化碳导致的温室效应便是其中重要的一环，其带来的危害已经为各国政府高度关注。我国政府承诺到2020年碳排放强度比2005年降低40-45%，足可见我国对控制二氧化碳排放的决心之大。但当前我国的能源领域面临着多方挑战，能源消费增长迅速，且现阶段我国的能源结构仍以煤炭为主，世界一多半的煤炭为中国所用，中国60%多的煤炭用于发电，因此控制燃煤电厂二氧化碳的排放是我国碳减排的关键，研究电厂二氧化碳捕集运输和储存技术显得举足轻重。
二、 二氧化碳的捕集技术路线及方法分析
燃煤电厂对燃料燃烧不同阶段产生的二氧化碳的捕集分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集三条技术路线。现阶段捕集方法主要有物理吸附法、物理吸收法、化学吸收法、膜分离法、低温蒸馏法等，使用何种捕集方法取决于二氧化碳气体的浓度、压力、温度，不同类型发电机组以及不同技术路线会选用不同的捕集方法。
2.1 二氧化碳捕集技术路线现状分析
2.1.1 燃烧前捕集：燃烧前捕集技术主要应用在整体煤气化联合循环发电系统（IGCC），IGCC的工艺流程主要为：氮气作为动力气源带动燃煤进入气化炉，与空分系统分离送出的纯氧在气化炉内发生高压富氧反应，生成有效成分主要为一氧化碳和氢气的混合气体，随后，在催化转换器中经过水煤气变换后，促使一氧化碳转换为二氧化碳并进一步产生氢气，混合气体中二氧化碳被捕集分离，氢气经过净化作为清洁的气体燃料送入燃气轮机用于燃烧。燃烧前捕集技术的优点是由于混合气体的压力较高，可以生成浓缩的二氧化碳气流，不用加压便能满足压缩机对管道内输送气体压力的要求，减少能耗，同时高浓度的二氧化碳气体有利于捕集和利用，该技术还具有捕集系统小、捕集效率高以及对污染物的控制方面有很大潜力的优点，缺点是IGCC技术仍面临初期投资成本高、可靠性不高的问题，并且由于二氧化碳捕集系统需使用蒸汽以及压缩机需使用额外功率会导致IGCC面临发电成本增加40%、效率降低22%的问题。该技术常采用物理溶剂吸收方法和膜分离法来捕集二氧化碳。
2.1.2 燃烧后捕集：燃烧后捕集顾名思义是在燃料燃烧后产生的烟气中进行二氧化碳捕集的技术。由于电厂烟气中二氧化碳的浓度相对较低，该技术路线一般采用化学吸收法并需要使用强力溶剂。该技术的优点是只需对现有燃煤机组加以改造加装二氧化碳捕集装置即可，不需要对机组的结构进行大面积的调整，适合运行机组改造，并且该种技术是一种成熟的技术，缺点是由于烟气中二氧化碳的浓度较低，二氧化碳的捕集费用相对较高，同时还面临溶剂再生需要消耗大量能量的问题。燃烧后捕集技术还可使用物理吸附法、膜分离法和低温蒸馏法捕集二氧化碳。
2.1.3 富氧燃烧捕集：富氧燃烧捕集顾名思义就是化石燃料在燃烧的过程中助燃剂是纯氧而非空氣，这样燃料燃烧完毕烟气中主要含有二氧化碳和水蒸气，只有少量的二氧化硫、碳氧化物等杂质，把烟气进行脱硫、脱硝及除尘后进行冷却，除去其中的水蒸气便可得到高纯度的二氧化碳，纯度能够达到80%至98%，少量烟气再循环进入燃烧室，目的是控制火焰温度，防止燃料在纯氧中燃烧时温度过高，并且提高了烟气中二氧化碳的体积比。此种技术的优点是捕集成本低；由于没有氮气参与燃烧，烟气中氮氧化物的含量大大降低；由于是富氧燃烧，可以降低燃料的消耗量，提高热效率，缺点是燃烧需要在富氧的环境下进行，制备高纯度氧的能耗很高；燃烧室需要改造；该种技术面临的问题很多，如烟气再循环的参入量、氧量变化造成锅炉燃烧调节的改变等，该种技术尚不成熟，处于示范阶段。
综上所述，三种二氧化碳捕集技术路线各有特点，燃烧前捕集技术占用场地小、捕集效率高但初期投资成本高，适用于IGCC电厂；燃烧后捕集技术对已建电厂改造难度小、技术相对成熟但捕集成本高；富氧燃烧捕集成本低但制氧能耗高、技术不成熟，燃烧后捕集和富氧燃烧捕集技术路线主要适用于传统以化石能源为燃料的电厂，并适合老厂改造。现阶段，三种技术路线均未达到商业化的程度，只处于实验室阶段或有少量的示范项目。
2.2 二氧化碳捕集方法介绍
2.2.1 物理吸收法
物理吸收法是利用有机溶剂在高压下对二氧化碳的吸收量增大的机理实现的，通过对有机溶剂降压便可以释放二氧化碳，还原溶剂。此种方法能耗较低，要求有机溶剂具有对二氧化碳的溶解度随压力变大增速明显、沸点高、选择性好、无毒、稳定性好等特点。常用的物理吸收溶剂有聚乙二醇二甲醇、甲醚、环丁砜、三乙醇胺和碳酸丙烯酯。
2.2.2 化学吸收法
化学吸收法在化工行业是一种常见的方法，一般二氧化碳的吸收溶剂为有机胺的水溶液。研究发现水对乙醇胺吸收二氧化碳的能力有提升作用，没有水的存在，1mol乙醇胺只能吸收0.5mol二氧化碳，水存在的情况下，1mol乙醇胺能吸收1mol二氧化碳。醇胺类化学吸收法的优点为技术成熟、吸收量大、选择性高并能同时吸收硫化氢和氮氧化物等有害气体；缺点为吸收溶剂再生困难，需要消耗较高能量；对设备易腐蚀；在富氧的环境下，吸收性能大幅降低等。 2.2.3 物理吸附法
物理吸附法是利用固体吸附剂对二氧化碳进行选择性吸附的原理，脱除烟气中的二氧化碳，吸附法分为变温吸附法和变压吸附法。固体吸附剂表面的孔径大小、孔容和极性以及吸附材料分子量、分子大小、极性决定了该吸附剂的吸附能力，此种方法比吸收法具有吸附过程需要能量少的优点，并且由于吸附过程是放热过程，吸附剂需要通过加热还原再生。物理吸附法对二氧化碳的捕集成本与吸收法大致相当，但其对二氧化碳的吸附量和选择性要更好，并且吸附剂的还原需要的能量较低，操作简单，相比吸收法更具有市场价值，缺点是进行二氧化碳捕集前需要将混合气体冷却、干燥，以及除去易使吸附剂中毒的气体，并且存在二氧化碳回收率不高以及吸附剂选择性的问题。常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和活性炭等。
2.2.4 膜分离法
膜分离法是利用部分气体无法穿透薄膜的原理对气体进行分离，此法的驱动力是膜两侧的压差，当差压达到一定值时，能够穿透薄膜的气体会透过薄膜，捕集气体会留在膜内。薄膜的气体选择性、压力比、穿透气流和总气流的流量比决定了此薄膜的二氧化碳捕集能力。此方法在分离工业合成氨尾气、炼油尾气等领域已经广泛使用，但是由于电厂烟气流量大，需要膜的面积很大，投资成本高。用于捕集二氧化碳的薄膜有醋酸纤维膜、聚苯醚膜、乙基膜、聚砜膜、溴磺化聚环氧丙烷膜、沸石矿物膜等。
2.2.5 低温蒸馏法
低温蒸馏法是利用不同气体的冷凝点不同而进行气体分离的，系统一般由压缩机、焦耳汤普森阀、多级热交换器和膨胀机组成，系统中设有不同温度的冷阱，以此来捕集不同冷凝点的气体。由于低温蒸馏法是在液态的形态下捕集到的二氧化碳，为运输和储存提供便捷；该方法同时还能减少水的消耗、化学试剂的使用量以及有效解决设备腐蚀等问题，缺点是设备庞大、能耗大、烟气中的粉尘易阻塞设备等，此方法一般用于分离高浓度的二氧化碳，常用于分离油田伴生气中的二氧化碳。
2.2.6 二氧化碳捕集新方法
所谓的二氧化碳捕集新方法是指尚在实验室研究阶段，技术尚未成熟的方法，主要有化学循环捕集法和二氧化碳水合分离法。
上述几种二氧化碳的捕集方法各有千秋，需要根据捕集技术路线选择合适的捕集方法或几种捕集方法的集合，电厂的二氧化碳捕集方法大多尚在实验室或示范阶段，需要进一步研究论证。
三、 二氧化碳的运输与储存技术分析
3.1 二氧化碳运输技术
二氧化碳经捕集、压缩形成超临界流体或液体，通过铁路、船舶、管道等输送工具运至目的地的过程称为二氧化碳的运输。当运输距离较远时（大于1000千米）管道运输的成本最低，并且管道运输是一项成熟的商业化技术，其成本取决于管道的长度、直径、二氧化碳的压力和地质特点。
3.2 二氧化碳储存技术
二氧化碳的存储技术分为地质储存、海洋储存、储液站储存、固态储存和矿物碳化储存技术。
地质储存技术是把超临界状态的二氧化碳灌入油田、气田、无法开采的煤层、深盐水层进行储存，这些地层必须由岩石密封，并且相对二氧化碳来说是不可渗透的。把二氧化碳注入油田或气田存储二氧化碳的同时用以驅动采油或气，可以提高30%至60%的石油产量；注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气驱赶出来，增加煤层气采集率；深盐水层储存技术由于储存容量大具有最大的潜力，该方法已于1996年一家挪威的能源公司投入商业运行。
海洋储存技术是把二氧化碳输送到海洋600米深度以下的区域，在此深度由于水的压力能够把二氧化碳转换为液体，当储存深度达到3000米、温度低于10摄氏度时，液态二氧化碳的密度会大于水的密度，并在表面形成粘稠状薄膜，防止二氧化碳扩散。此种技术可能会改变海洋的PH值，其对环境的危害程度未知，此种技术还在探索阶段。
储液站储存技术是把捕集到的二氧化碳进行净化、干燥等处理后冷却形成高压、低温的液态二氧化碳，具有效率高、气体纯度高、储量大的特点。
固态存储技术是把二氧化碳先高压压缩形成液态二氧化碳，然后高压低温冷却形成干冰储存，由于其生产工艺困难且储存条件费用高，此项技术并不常用。
矿物碳化技术储存二氧化碳是一项新兴技术，技术原理是将二氧化碳矿物碳化固定与含方英石杂质的钙基膨润土深加工相结合，利用钙基膨润土容易通过离子交换形成碳酸钙以及碱法分离方英石过程中容易形成吸收二氧化碳溶液的特点，实现吸收固定二氧化碳，但其预期成本远高于其他存储方法，不适合开展利用。
四、 结束语
现阶段，制约二氧化碳捕集存储技术发展的关键在于技术不成熟和高昂成本问题，研究开发成熟、高效、低成本的二氧化碳捕集储存技术将是未来发展的方向。本文通过对现有的二氧化碳的捕集、运输及储存技术进行阐述，为未来该技术在电厂的成熟应用提供理论依据。
参考文献
[1] 魏义杭，二氧化碳的捕集与封存技术研究现状与发展[J]，应用能源技术，2015，12（36-39）.
[2] 刘书群，二氧化碳捕集技术研究进展[J]，广州化工，2014，2（10-12）.