温室气体CO2的回收技术

!""#$%&’()*%+ ,#-.($/&/012 !""%#$%#-#!""%#$%#-# 图 ! 世界各国 "#$排放发展趋势 作者简介!张卫风!!"#$%"#男#浙江大学热能工程研究所博士生#主要从事 &’(控制技术研究$ % 概述 随着科学技术的发展!特别是工业革命以后!化石燃料 的燃烧量不断增加! 使得大气中温室气体的含量不断增加! 其中以 "#&尤为明显" 仅煤和石油的燃烧每年就约有 ’(亿) "#&气体进入大气!并且大多集中在 &(*+ 以下的大气层中" 近 %个世纪以来!全球 "#$含量增加了近 %’(+,-+." 现在仍 以每年 ./&0 +,-+.的平均速度上升"由于温室气体的过量排 放!破坏了自然生态平衡!导致全球气候变暖!降水量发生改 变!冰川冻土消融!海平面上升!这些现象正在成为地球生命 生存的严重威胁" 图 %是国际能源署 &((.年公布的世界各国 "#&排放发 展趋势"可见!世界 "#&排放量在 &(%(年后将会以更快的速 度增长"目前我国是位于美国之后的世界上第 &大 "#&排放 国!随着经济的快速发展!我国能源消耗和 "#&排放量将更 加快速地增长!&((% 年我国的 "#& 排放占全世界的 %&!! &(&’ 年将增至 %1!! 这样势必会给我国乃至全球带来更加 严重的气候和生态负面效应! 因此必须采取有效措施控制 "#&的排放!减缓#温室效应$的加剧% 火电厂是 "#&的集中排放源 2.3!其 "#$排放量约占人类 活动引起的 "#$总排放量的 .(4"电厂排放的 "#&量是巨大 的!% 个 5((67 的电厂每小时排放的 "#$量可达 ’(()" 因 此!为了实现 "#$的减排!首先考虑的措施就是对现有电厂 采取措施!对其排放的烟道气中的 "#$进行分离&回收" $ "#$的分离技术 "#$的排放控制! 无非是控制 "#$的产生和对主要 "#$ 排放源排出的 "#$进行分离回收两方面"可以通过如下措施 控制 "#$的产生’提高国家总体能源效率!降低煤耗量!采用 节能技术!调整能源布局!发展可再生能源和新能源等措施 可控制 "#$的大量排放2$803(对主要 "#&排放源排出的 "#&进 行分离回收和利用!这是在能源结构难以发生根本变化情况 下的一种现实的方法!分离回收可分为从燃烧排气中分离处 理和从大气中分离固定两方面2%3% 从燃烧排气中分离回收 "#&的技术主要有吸收分离法& 膜分离法&吸附分离法&富氧燃烧技术&低温分离法&复合分 离法等% &/% 吸收法 &/%/% 化学吸收法 化学吸收分离法是利用可与 "#&发生反应并且具有吸 收性质的吸收液!对 "#&进行吸收&分离的方法%典型的化学 吸收法过程如图 & 所示% 烟气在吸收塔内与吸收液逆向流 动!其中的 "#&与吸收剂进行化学反应而形成一种弱联结的 化合物% 处理后的烟气直接排出!富 "#&的吸收液被通入还 原塔内!加热后将 "#&释放!同时吸收剂得以再生%典型的化 学吸收剂有一乙醇氨)69:*&二乙醇氨);9:*和甲基二乙醇 氨)6;9:*等% 此法为湿式吸收法!可与现在湿式脱硫装置 联合使用% 其中反应方程如下’ 温度变化对该可逆反应影响很大!一般在 .<"左右形成 盐!"#$被吸收!反应向右进行!在 %(("左右时!反应向左进 张卫风 ! 俞光明 ( 方梦祥 ! !! 浙江大学热能工程研究所 ( 杭州江南监理公司 浙江杭州 !!))))" 摘要!我国作为世界上 "#$的主要排放国#对全球气候变暖有不可推卸的责任$总结 "#$的主要回收方法#介绍采用中空纤维 膜接触器的膜吸收法工艺#为 "#$污染的控制提供一些帮助$ 关键词!温室气体 "#$ 回收 中空纤维膜 中图分类号%3&45 文献标识码%6 文章编号%5%&’7)4%+8/44%94-744’%74- 温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温温室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体体 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"""""""""""""""""""""""""""""""""################################# 的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回回收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收收技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技技术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术 环 保 技 术 33222 CONHRCOOHNHR -Û++- ’% 万方数据 !""#$%&’()*%+ ,#-.($/&/012 !""%#$%#-#!""%#$%#-# 图 ! 中空纤维膜气体吸收原理 行!放出 !"#" 化学吸收法中!吸收液直接和烟气接触对 !"#进行吸收 分离!因此其选择性很高!但是其吸收能力受化学反应平衡 的限制!主要用于中等或较低 !"#分压的烟气" 化学吸收法目前存在的主要问是#!由于在吸收塔内 有起泡$夹带等现象!使烟气净化系统复杂!能量消耗和投资 都很大%"由于烟气中含有少量的 "#$!"$$"#等气体!在再 生塔的高温条件下!一方面会与吸收液反应!使吸收液浓度 下降!吸收效率降低!另一方面会腐蚀再生塔!影响设备寿 命" #%&%# 物理吸收法 物理吸收法主要是利用水$甲醇$碳酸丙稀脂等作为吸 收剂!利用 !"#在这些溶液中的溶解度随压力而改变的原理 来吸收 !"#气体" 这种方法主要在低温高压下进行!吸收能 力大!吸收利用量少!吸收剂再生不需要加热!溶剂不起泡! 不腐蚀设备" 但只能适用于 !"#气体分压较高的条件!!"# 的去除率较低" #%# 物理吸附法 物理吸附法是利用天然存在的沸石等吸附剂对 !"#气 体具有选择吸附的性质!对 !"#气体进行分离的方法!也有 使用活性炭对 !"#进行吸附的" 利用吸附量随压力变化而使某种气体分离回收的方法 称为变压吸附法&’$(’!利用吸附量随温度变化而分离回收 某种气体的方法称为变温吸附法&)$(’!二者结合在一起的 为 ’)$(法" 用 ’$( 法分离回收 !"# 是加压吸附过程和减压脱附 &!"#回收’过程反复进行实现的!因此!为了连续的分离回 收 !"#! 系统至少应该设置两个吸收 塔!以构成交叉进行吸附和脱附" !"#的分离性能与所用吸附剂关 系密切! 应选择性能最佳的吸附剂! ’$( 法是干法体系!可以不考虑腐蚀 问题!操作简单!易实现自动化!但是 !"# 的回收率低 ! 一般只有 *+!, -+!" #%. 低温分离法 这个方法是通过低温冷凝分离 !"#的一种物理过程"一 般是将烟气多次压缩和冷却后!引起 !"#的相变!从而达到 从烟气中分离 !"#的目的"为了避免烟气中水蒸气在冷却过 程中形成冰块!对系统造成阻塞!有时还要在分离 !"#之前! 将烟气进行干燥以除去水分" 低温分离包括直接蒸馏$双柱 蒸馏$添加添加剂和控制冻结等" 美国 /012 34544 公司设计了 6#7 !"#低温蒸馏分离方 法!除尘后的烟气脱水并压缩到 .+089!压缩的烟气在热交 换器中和出口烟气与蒸发的 !"#进行热交换后被冷却!约有 一半的 !"#被液化分离!气体被送到下一个吸收塔中被溶液 吸收" 此法使用的溶剂是芳香族化合物的混合物" !"#的回 收率可达 :+!以上!纯度可达 :;!" #%< 膜分离法 利用高分子膜分离气体是基于混合气体中 !"#气体与 其他组分透过膜的速度不同而实现 !"#气体与其他组 分的分离" 主要有两种膜技术#气体分离膜技术&=0> >4?0" @08ABC 949D@0C4’ 和气体吸收膜技术 &=0> 0D>B@?8ABC 949" D@0C4’" 这两种技术在火电厂烟气分离回收 !"#气体过程中 有较大的应用前景" 气体分离膜技术是基于气体在膜中溶解和扩散而实现 的"分离过程的动力是在膜两侧上气体分压的差别"膜材料对 膜中气体的渗透性以及征 #个二组分气体混合物分离程度 的选择性!决定了膜的分离性能"膜分离技术已经用于从天然 气中分离 !"#!从 .次采油&E"F法’中回收 !"#!从沼气中除 去 !"#等" . 中空纤维膜技术 近年来!气体吸收膜技术发展很迅速!这种技术结合了 化学吸收技术&高选择性’和分离膜分离技术的特点&设备紧 凑’" 其主要元件是一种微孔疏水膜" 与气体分离膜技术相 比!气体吸收膜技术中的微孔薄膜材料只是起到隔离气体与 吸收液的作用!混合气体沿膜的一侧流入!在薄膜的另一侧 有化学吸收液的存在!待分离组分&如 "#!’通过膜的微孔向 另一侧扩散!被吸收液&如$%&’吸收"微孔膜上的微孔足够 大!理论上可以允许膜一侧被分离的气体的分子不需要很高 的压力就可以穿过微孔膜到另一侧!主要依靠膜一侧吸收液 与另一侧的被分离组分进行化学反应的原理来达到分离的 目的" 其基本原理如图 #所示" 采用中空微孔膜接触器分离烟气中 !"#!由于吸收液不 和烟气直接接触!因此不存在化学吸收法中烟气夹带吸收液 和烟气中杂质对再生塔的腐蚀问题!而且该工艺还可以提供 更大的传质比表面积!使得这类工艺较之常规的分散相反应 器&喷淋塔或填料塔’更具有优越性!同时!该技术满足了锅 炉烟气大$压力小的特点!非常适合于烟气中 !"#的分离与 回收!是一种很有前途的分离 !"#的技术" &::- 年起! 浙江大学等研究单位就开始着手研制中空 纤维微孔膜接触器!并取得了一定的进展!浙江大学所采用 环 保 技 术 /& 万方数据 !""#$%&’()*%+ ,#-.($/&/012 !""%#$%#-#!""%#$%#-# 图 ! 不同吸收液对脱除率的影响 的纤维膜是聚丙烯中空纤维膜!这种膜有以下特点"!有较 强的疏水性#"有高透气性##有较高的抗张强度和破裂强 度#$耐酸碱腐蚀并具有一定的耐热性能$ 中空纤维膜 !"#吸收工艺如图 $ 所示! 混合气体 经过风机送入中空纤维微孔膜接触器!膜接触器的结构与管 壳式热交换器类似!烟气在中空纤维膜元件间流动!在膜内 腔中的吸收液与烟气中的 !"%在 &’()’!条件下进行化学 反应!形成一种弱连接的化合物将 !"%脱除$ 处理后的烟气 经过脱硫装置的再热器加热后排出!富含 !"%的吸收液在再 生塔中加热到 *+’(,,-!后将 !"#释放再生!再生后的吸收 液经过冷却器冷却后循环利用$ 浙江大学热能所采用 ./"0%123 和 423 作为吸收液 进行了中空纤维膜吸收 !"%的实验! 结果如图 )(5 所示"& 种吸收液中!123的吸收效果要明显好于 423 和 ./"0#随 着混和气体中 !"%含量的降低!吸收效果明显变好#采用正 向流程!在膜面积为 +678%膜接触器中!采用 ./"0 溶液为 吸收液流程为 *5+9:; 时! 可以将流量为 +6%-8&:; 的混和气 体中 !"%&,-"’的浓度降到 ,"以下!脱除率达到 <-"以上! 如果采用 123溶液为吸收剂!在同样的处理效果下!气体流 量可以达到 +65%8&:;$ ) 小结 温室效应给全球环境带来的严重后果日益引起人们的 重视! 从燃烧排气中分离回收 !"%的技术主要有吸收分离 法%膜分离法%吸附分离法%富氧燃烧技术%低温分离法%复合 分离法和化学链燃烧技术等$研究表明对烟道气脱 !"%最有 前途的是膜基气体吸收法和化学吸收法$其中采用中空微孔 膜接触器分离烟气中 !"%满足了锅炉烟气大% 压力小的特 点!非常适合于烟气中 !"%的分离与回收!是一种很有前途 的分离 !"%的技术$ 参考文献 ,6 岳丽宏!陈宝智!王黎#温室气体的环境影响及控制技术的研究现状# 环境保护!$%%&"&$#’&()&* $# 吴克明!黄松荣! +#,-./01 #温室气体 ,2$的分离回收及其资源化#武 汉科技大学学报"自然科学版$!$%%&!$*%*$’(34)(35 (# 周泽兴#火电厂排放 ,2$的分离回收和固定技术的研究开发现状#环 境科学进展!&55(!&"$$’43)6( *# 岳进#二氧化碳的回收利用#扬子石油化工!&554!&%"&$’44)45 4# 7# 890:;190:! <= 1>#! ?-@A B-C C1.= B>K< @19 ;A =0< H0A9:/1> 1F9-CH=:-. 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