二氧化碳捕集技术研究进展

由于全球温室效应不断增强,全球温度上升引发冰川融化,使得海平面上升和海水酸化。二氧化碳(CO₂)是人为排放温室气体的主要组成部分,占比四分之三。随着碳中和碳达峰目标的提出,CO₂捕集与封存(CCS)技术作为具有前景的策略正在引起全球关注。本文介绍了燃料燃烧前、富氧燃烧和燃烧后烟气中CO₂捕集技术,以及吸收、吸附和膜分离等CO₂分离技术,提出固体吸附剂对CO₂进行吸附和分离是一种具有应用前景技术,从CO₂吸附剂方面展望二氧化碳捕集技术研究方向。     

直接空气捕碳固体多孔材料的研究进展

直接空气捕碳(DAC)技术属于一种负碳技术，作为碳捕集、存储和利用(CCUS)技术的有效补充，是助力实现“双碳”目标的重要技术之一。由于吸附能力强、再生能耗低、应用场景灵活以及结构可调性强，固体多孔材料在降低DAC经济成本和运行能耗方面具有不可替代的优势。本文从固体多孔材料的DAC原理出发，重点综述了包括沸石吸附剂、硅基吸附剂、炭基吸附剂、纳米氧化铝吸附剂、金属有机框架(MOF)材料吸附剂和多孔树脂材料吸附剂等DAC的研究现状，系统介绍和比较了固体多孔吸附材料的吸附容量、吸附选择性、水热稳定性、再生能耗以及循环稳定性方面的优缺点。本文着重分析了胺功能化改性和载体孔隙结构等因素对吸附CO₂性能的影响规律，对各类固体多孔材料在DAC应用中面临的挑战提出了具体的优化方向，并指出未来固体多孔吸附材料的设计开发应兼顾经济性和高效性，加快开展中试规模的DAC试验研究。     

Li4SiO4基CO2吸附材料研究进展与趋势

随着人类社会工业化进程的加快,温室气体排放量随之增加,导致温室效应加剧。在所有温室气体中,CO₂占比最多、贡献最大,被认为是引起全球变暖的主要因素。人为排放的CO₂主要来自工业生产过程中化石燃料的燃烧,为实现碳中和目标,除了推广清洁能源、提高能源利用效率和增加植物碳汇等措施外,对工业排放的CO₂进行捕集封存必不可少。目前限制CO₂捕集和分离工艺应用的主要因素是成本过高,为解决该问题,开发第2代低能耗固体CO₂吸附材料对推动工业源CO₂减排具有重要意义。Li₄SiO₄凭借较高的吸附容量、较低的再生能耗和成本在高温CO₂捕集领域具有良好的应用前景。为推进Li₄SiO₄材料在碳捕集、利用和封存(CCUS)工艺中的应用,综述了Li₄SiO₄基吸附材料的研究进展,介绍了不同合成方法及合成条件对Li₄     

低浓度CO2的捕集技术及吸附法在碳捕集中的应用

碳捕集是碳封存与利用的先要环节,但迄今针对混合气体中低浓度CO₂的捕集问题仍需深入研究。对比研究了吸收法、膜分离法、深冷分离法和吸附法在用于碳捕集时的可行性与优缺点,在综合考量工艺可实现性、工艺成熟度、能耗投资及设备成本等因素后,确定了吸附法在捕集低浓度CO₂方面存在的显著优势。在此基础上,对沸石分子筛、金属有机框架化合物、碳纳米管、石墨烯与氧化石墨烯、活性炭及活性炭纤维作为碳捕集吸附剂时的特点与优缺点进行深入剖析。论文研究成果为低浓度CO₂的捕集问题提供解决思路。     

烟气胺法CO2捕集技术进展与未来发展趋势

全球气候变化是目前世界面临的严峻问题之一,CO₂等温室气体的过量排放是导致全球气候变暖的主要原因。碳捕集、利用和封存(CCUS)是现阶段解决全球气候变暖的必要手段,基于有机胺的化学吸收法因捕集效率高、烟气适应性好,成为目前燃煤燃气电厂捕集CO₂的关键技术路径。本文详细介绍了胺法CO₂捕集技术的基本原理及胺法CO₂捕集技术工艺流程,分析了新型吸收剂的开发、节能技术的优化等降低胺法CO₂捕集技术再生能耗和成本的关键手段。结合研究现状以及烟气胺法CO₂捕集需求,对其未来的发展趋势进行展望。     

固废源CaO基CO2捕集材料的制备与捕集性能研究进展

CO₂捕集技术是当前应对全球气候变化、缓解温室效应的重要途径。利用含钙固体废弃物制备高效CaO基CO₂捕集材料有利于实现固废资源高值化利用、以废治废和清洁生产,具有重要的环境效益、经济效益和社会效益。基于固废源高效廉价CaO基CO₂捕集材料的良好应用前景,本文介绍了工业废渣、生物质和其他含钙固体废弃物的产生与资源化利用现状,综述了CaO基吸附剂的捕集原理、碳酸化动力学过程和CO₂捕集性能,对比了以不同含钙固体废弃物为前驱体制备CaO基吸附剂的吸附-脱附循环性能和不同改性方法对其吸附稳定性的影响,从经济角度分析了固废源CaO基吸附剂在钢铁厂、燃煤电厂和生物制氢中的应用潜力,展望了固废源CaO基CO₂捕集材料的应用前景和发展方向。该文旨在为固废源CaO基吸附剂前驱体的选择、吸附性能的提高和固废吸附材料的工业应用提供帮助。     

吸附法碳捕集固体胺吸附剂成型技术研究进展

吸附法碳捕集技术是实现工业过程或大气中CO₂分离与脱除的重要途径之一,高性能吸附剂的开发是该技术的关键。固体胺吸附剂由于其优异的CO₂吸附量、选择性以及较低的再生能耗,近年来受到了广泛的关注,但用于工业的成型吸附剂仍面临机械强度低、稳定性差和胺流失严重等关键难题,难以在工业中大范围的推广应用。本文分析了固体胺成型吸附剂制备面临的主要难题,重点总结了近年来国内外吸附剂成型技术的研发进展,并对固体胺工业吸附剂的发展方向进行了展望。未来固体胺吸附法碳捕集技术的研发重点在于立足吸附反应机理和工业烟气的特性,创新成型固体胺吸附剂制备技术,提升吸附剂的CO₂吸附量、胺效率、机械与循环稳定性,研发低能耗的配套吸附工艺和核心装置。     

集成供冷的燃煤电厂碳捕集、封存系统优化分析

利用碳捕集、封存系统(CCS)减排燃煤电厂CO₂是碳中和必经之路，但目前较高的碳捕集、封存成本限制了该技术的发展和应用。针对某300 MW燃煤机组，利用Aspen Plus模拟软件提出并搭建了基于碱金属基干法碳捕集、封存耦合供冷系统，利用凝结水循环进行深度耦合，达到回收CO₂压缩封存过程中冷量的目的，有效降低碳捕集成本。在不耦合供冷过程的情况下，通过回收CO₂吸附过程释放的反应热，降低碳捕集系统单位耗电量至413.79 kWh/t(以CO₂计，下同);此时CO₂压缩封存过程能耗仍巨大。为此，在上述碳捕集封存系统进一步耦合供冷机组。通过模拟计算可得集成后新系统降低了CO₂压缩程度，此时加压封存过程的单位耗电量降至247.54 kWh/t,降低了2.3%,CO₂捕集封存总运行成本进一步降低33.77%。此外，供冷机组的引入还会降低额外投资成本，如通过提高CO₂吸附床内的换热温差，减少受热面布置量和吸附剂装载量，从而减...     

水泥行业CO2排放特征及治理技术研究

本文系统梳理分析了水泥不同种类和各工序的CO₂排放特征，其中，工艺、燃料直接CO₂排放占比达90%，与物料中碳酸盐的含量正相关，与燃料发热量和利用率负相关，电力间接CO₂排放占比约10%，特种水泥由于减少了碳酸盐分解造成的碳排放，总体碳排放量较低。新型干法水泥生产过程可分为生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个阶段，工艺和燃料CO₂排放主要发生在熟料煅烧阶段，其尾气中CO₂浓度一般在11%～29%。研究分析了碳替代/碳捕集等控碳技术、CO₂资源化利用技术。水泥厂碳替代主要是原料替代、熟料或水泥替代、燃料替代等，可分别实现减碳10%、25%～50%和30%以上；碳捕集主要有富氧燃烧和烟气CO₂捕集，水泥窑富氧燃烧技术有全氧燃烧和分解炉全氧燃烧技术两种。捕集技术主要采用化学吸收法、固体吸附法；在CO₂综合利用方面，针对水泥厂的特殊应用场景，矿化具有较好的应用效果，如采用混凝土养护技术，制备高附加值的微纳米碳酸钙等。     

固废源固态胺吸附剂用于CO2捕集研究进展

固态胺吸附剂在CO₂捕集领域具有广阔应用前景，但其所用基体材料多为有序介孔材料，存在合成工艺复杂、成本昂贵、环境污染严重等问题，制约了固态胺吸附剂的工业化应用。近年来，固废源固态胺吸附剂因基体材料具有潜在的成本优势引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了近年来固废源基体材料在原料选取、基体材料合成和扩孔方面的研究进展，以及固废源固态胺的制备方式、用于CO₂捕集过程中吸附性能和循环稳定性的表现。最后，探讨了固废源固态胺吸附剂当前存在的挑战，并对其发展趋势进行了展望。     

有机胺功能化介孔固体吸附剂吸附分离CO2性能研究

针对当前固体胺CO₂吸附剂存在吸附容量小、循环稳定性差等问题,采用高比表面积、易嫁接胺的介孔SBA-15作为载体,研究分子筛模板剂脱除方法和有机胺改性方法对制备的固体吸附剂吸附性能的影响,并采用N₂物理吸附、X射线衍射、红外光谱、热失重分析等表征技术并对样品进行表征。实验结果表明,通过嫁接和浸渍能够合成出不同有机胺负载量的胺功能化吸附剂,其中混合胺嫁接法改性的APTES-SBA（U）-T60吸附剂其吸附容量最大,在75℃下的纯CO₂气氛中吸附量达到192.05 mg/g,优于溶剂萃取和煅烧法去除模板剂。此外,混合胺嫁接法制备的样品在多次的吸/脱附操作下,CO₂吸附稳定性良好,表明混合胺修饰的吸附剂具有很好的稳定性和再生性。     

Integrated adsorption and absorption process for post-combustion CO2 capture

This study explored the feasibility of integrating an adsorption and solvent scrubbing process for post-combustion CO₂ capture from a coal-fired power plant. This integrated process has two stages: the first is a vacuum swing adsorption (VSA) process using activated carbon as the adsorbent, and the second stage is a solvent scrubber/stripper system using monoethanolamine (30 wt-%) as the solvent. The results showed that the adsorption process could enrich CO₂ in the flue gas from 12 to 50 mol-% with a CO₂ recovery of >90%, and the concentrated CO₂ stream fed to the solvent scrubber had a significantly lower volumetric flowrate. The increased CO₂ concentration and reduced feed flow to the absorption section resulted in significant reduction in the diameter of the solvent absorber, bringing the size of the absorber from uneconomically large to readily achievable domain. In addition, the VSA process could also remove most of the oxygen initially existed in the feed gas, alleviating the downstream corrosion and degradation problems in the absorption section. The findings in this work will reduce the technical risks associated with the state-of-the art solvent absorption technology for CO₂ capture and thus accelerate the deployment of such technologies to reduce carbon emissions.     

Review of solvent based carbon-dioxide capture technologies

Currently, a large proportion of global fossil fuel emissions originate from large point sources such as power generation or industrial processes. This trend is expected to continue until the year 2030 and beyond. Carbon capture and storage (CCS), a straightforward and effective carbon reduction approach, will play a significant role in reducing emissions from these sources into the future if atmospheric carbon dioxide (CO₂) emissions are to be stabilized and global warming limited below a threshold of 2 °C. This review provides an update on the status of large scale integrated CCS technologies using solvent absorption for CO₂ capture and provides an insight into the development of new solvents, including advanced amine solvents, amino acid salts, carbonate systems, aqueous ammonia, immiscible liquids and ionic liquids. These proposed new solvents aim to reduce the overall cost CO₂ capture by improving the CO₂ absorption rate, CO₂ capture capacity, thereby reducing equipment size and decreasing the energy required for solvent regeneration.     

烟气CO2捕集热能梯级利用节能工艺耦合优化

醇胺法捕集CO₂技术是一种较成熟的CO₂捕集技术,具有吸收速度快、脱除效果好等显著优点,但其操作费用高、解吸能耗大。本文以降低醇胺法捕集烟气中CO₂系统再生能耗为出发点,对常规醇胺法捕集CO₂工艺统进行了节能优化研究。在常规工艺流程基础上引入压缩式热泵节能技术,并利用Aspen Plus软件建立了基于压缩式热泵技术的CO₂捕集工艺流程模型。研究了压缩式热泵与机械蒸汽压缩回收（MVR）热泵、分流解吸、分布式换热、级间冷却4种节能工艺耦合,通过模拟计算与优化,结果说明了最佳节能工艺组合为“解吸塔压缩式热泵+贫液MVR热泵+分流解吸+级间冷却”耦合的CO₂捕集工艺流程,当解吸塔顶气体分流比为0.25∶0.75、冷富液分流比为0.05∶0.95、级间冷却器位于吸收塔17块塔板位置、吸收塔输入冷量为-3.0GJ/h时,系统再生能耗最低,为2.533 GJ/tCO₂,相比常规有机胺工艺（再生能耗4.204GJ/tCO₂）节能率39.748%。     

黏土矿物的结构特征及其吸附二氧化碳的研究进展

天然黏土矿物资源丰富、成本低廉、具有丰富的孔隙结构和稳定的化学性质,是实现减排和碳循环的一类优良固体吸附剂基体材料。本文概述了黏土矿物适用于CO₂固体吸附剂制备的结构特征,对高岭石、埃洛石、蒙脱石、凹凸棒石、海泡石和蛭石等黏土矿物基CO₂固体吸附剂进行了综述。介绍了其在工业烟气捕集及沼气提纯技术中的应用,最后指出合成吸附容量高、选择性强、吸附温区大、适用于产业化应用的黏土矿物基CO₂固体吸附剂并建立理论吸附模型是今后的研究重点。     

低能耗化学吸收碳捕集技术展望

低能耗的CO₂捕集技术对“碳减排”有重要意义。化学吸收法是工业常用的CO₂捕集方法,过程能耗高、成本高,限制了大规模的工业应用。近年来,随着新型吸收剂的开发和吸收解吸装置的设计,过程能耗有所降低,在我国已有多套碳捕集示范装置。然而进一步降低捕集能耗,节约捕集成本是实现“碳中和”的不变追求。本文基于溶剂化学吸收CO₂研究,提出以下化学吸收法的研究方向：开发广泛的相变吸收理论,构建吸收体系数据库,建立定量预测模型,以实现吸收体系的分子设计;强化气液传质,设计液相传热部件和气液分离空间,研发高效吸收解吸设备,以提升碳捕集效率;耦合化学吸收和矿化,实现原位CO₂吸收固定,提升过程经济性。通过化学吸收技术的系统研发,以期促进低能耗的碳捕集,助力祖国实现“碳中和”。     

膜分离捕集燃煤电厂烟气CO2过程优化设计

全球CO₂的排放量不断升高,导致气候问题频发。“双碳”目标下,如何高效、低成本地捕集燃煤电厂烟气CO₂已经成为迫在眉睫的问题。传统的化学吸收法由于能耗高、成本高、溶剂易挥发等问题严重制约了其发展,而膜法碳捕集因为其操作简单、能耗低、环境污染小等优势被认为是最有前景的捕集方式。本文以PI中空纤维膜为分离膜,建立和求解了气体分离膜模型。并以燃煤电厂烟气CO₂为捕集目标,利用多岛遗传算法求解了膜分离捕集CO₂工艺的不同配置,并优化了分离过程中的关键参数(膜面积、操作压力)。结果显示：在二级膜分离工艺中,二级一段膜分离工艺的第一级膜和第二级膜操作压力分别为5.8 bar和7.1 bar,第一级膜和第二级膜的面积分别为448000 m²和180000 m²时,单位捕集成本为27.36 USD/t CO₂。与二级二段膜分离以及其他几种传统的CO₂捕集方法(MEA法、相变吸收法)相比,二级一段膜分离捕集CO₂的捕集成本和能耗均最小。本研究将为CO₂捕集实现低能耗和低成本化提供依据。     

N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液CO2吸收解吸性能的实验研究

胺法捕集回收二氧化碳工艺存在的最大缺陷是高吸收速率与低再生能耗不能共存,高效溶剂的开发是解决这一问题的有效途径之一。为筛选出吸收解吸综合性能良好的吸收剂,本文利用溶剂快速筛选实验装置对几种不同醇胺吸收剂进行了实验研究,主要从溶液吸收负载、吸收速率、解吸负载、解吸速率、循环容量及相对再生能耗等方面进行了分析比较,实验结果显示N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液表现出较好的CO₂捕获性能。此外,通过溶解度装置、填料吸收塔及再生塔分别对DEEA溶液的平衡溶解度、传质系数及再生能耗进行了实验研究与验证。实验结果表明:增加溶液浓度会降低其CO₂平衡溶解度;增加CO₂分压能增加其CO₂平衡溶解度;增大进料温度能增加溶液在填料塔中的传质系数;提高富液负载及贫液负载会降低溶液的再生能耗。因此,基于其较好的吸收解吸性能,DEEA是一种可以工业化应用的潜在吸收剂。