燃烧后CO2捕集材料研究进展

简要阐述全球和我国的化石能源及CO2排放现状,针对燃烧后捕集化石燃料电厂烟道气中的CO2气体,以溶液吸收、吸附、膜分离、生物固定4种捕集方法为线索,讨论了各类CO2燃烧后捕集材料的最新进展。     

CO2捕集及工业应用研究进展

碳捕集纯化技术中吸收剂和吸收工艺的开发以及二氧化碳(CO₂)的高效利用是该领域的研究热点。本文从CO₂捕集吸收剂、吸收工艺、工业应用及生产市场方面进行了详细综述和分析,总结了我国当前CO₂产业的发展情况和研究进展,探讨了CO₂吸收剂研制、工艺开发以及CO₂利用技术开发的发展方向,并对我国CO₂市场进行了展望。     

热电厂CO2捕集与利用技术进展

2020年全球二氧化碳排放量约为320亿吨,大气中CO₂含量正在以每年1 ppm的速度上升,CO₂的捕集利用技术正受到越来越多的关注。本文全面介绍了CO₂捕集和利用技术,重点对燃烧后捕集技术进行了详细综述和客观评价。认为膜吸收CO₂捕集方法具有装填密度高、气液接触面积大,操作弹性大,运行成本低优势,具有良好的发展前景;CO₂的生物转化利用因具有反应条件温和、过程碳排放极小等优点,使其在CO₂资源化利用方面表现出优异的应用前景。     

CO2捕集与合成甲醇利用技术的研究进展

二氧化碳(CO₂)是主要的人为产生的温室气体之一,其排放量的不断增加,引起了社会各界的广泛关注。近年来,科学家不断尝试从源头上减少CO₂的排放,但没有取得明显的效果。实际上, CO₂既是温室气体的主要来源,也是有用的碳源。因此,如何捕集和有效利用CO₂也是近年来许多学者一直在探索的研究方向。本文综述了吸收法、吸附法、膜分离法等主要的CO₂捕集方法;从CO₂的利用、H2的来源、CO₂加氢合成甲醇工艺等方面介绍了CO₂加氢合成甲醇的研究进展,为缓解CO₂排放提供参考思路。     

新型相变有机胺吸收捕集CO2技术研究进展

CO₂捕集、利用与封存(CCUS)技术是实现碳减排的关键技术之一,有机胺吸收技术是目前研究最广泛、最成熟的CO₂捕集技术,已有少数工业应用案例。吸收剂是吸收技术的核心,吸收剂的研发创新是该领域的热点方向。相比于单一相的有机胺吸收剂,相变吸收剂在吸收CO₂后产生相变行为,仅需对富相进行再生,可大幅减少再生体积,降低再生能耗。本文介绍了传统混合胺相变吸收体系的典型工艺、吸收机理和吸收剂研究进展,分析了吸收剂吸收CO₂后富相黏度高、富相体积占比大及其导致的再生能耗增加的问题。本文系统梳理了为解决上述问题而研发的四种新型的相变吸收体系,分别为空间位阻胺混合型相变吸收剂、物理溶剂混合型相变吸收剂、醇胺混合型相变吸收剂、催化剂-有机胺复合型相变吸收剂,对各类新型相变吸收体系的设计构建原理及性能强化机制进行了分析。最后,基于对研究进展的深入分析,提出了相变吸收剂的未来研究方向。     

高温熔盐法捕集转化CO2技术的研究进展

高温熔盐法具有电化学窗口宽、良好的离子与热传导能力等特点,是实现CO₂捕集和高附加值转化的潜在技术之一。总结了近年来关于高温熔盐法捕集和转化CO₂技术的相关研究,从捕集和转化原理、惰性阳极、阴极产物、能耗等方面展开论述,并讨论了该技术的发展前景。     

空气中直接捕集CO2技术研究进展

减少碳排放并推动碳中和是应对气候变化、促进经济社会绿色转型的重要途径之一,碳中和技术已成为工业界和学术界的关注焦点。目前碳捕集与封存主要对工业固定源排放的CO₂进行处置捕集,而对占CO₂总排放近50%的分布源CO₂关注度不高。直接空气捕集(direct air capture,DAC)技术不仅可对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO₂进行捕集处理,还可有效降低大气中CO₂浓度。介绍了DAC的发展历史、研究现状以及发展趋势,综述了已有DAC技术的工艺流程以及反应装置,对DAC现行工艺中涉及的空气捕捉模块、吸收剂或吸附剂再生模块、CO₂储存模块进行了叙述,对比了几种工艺的优缺点以及吸附剂类型和再生方式,指出DAC技术发展的关键在于研发高效低成本的吸收/吸附材料和设备。分析了DAC吸收/吸附材料的作用原理以及吸附效果,碱性溶液原料成本相对低廉,但再生过程中能耗较高。分子筛及金属有机框架吸附剂虽然再生能耗较低,但对空气中CO₂的吸附容量和吸附选择性表现一般。胺类吸附剂具有较好的吸附能力,由于其再生温度较低,可使用工业废热或少量热能为系统供能;使用胺类吸附剂时吸附和解吸在一个单元中逐步发生,具有更高的效率和操作时间,有望降低DAC系统成本。对比了DAC与其他碳捕集技术的成本并进行了技术经济性分析,DAC成本主要包含运营和维护成本(N_Q&M)、吸附剂材料成本(N_S)和工厂设备的净成本(N_bop);指出目前限制DAC工业化应用的主要因素之一在于吸收/吸附材料和相关工艺成本过高,随着阴离子交换树脂等新型吸附剂的出现和工艺的发展,DAC成本逐年下降。全面探究吸收/吸附材料稳定性、动力学、吸附容量、选择性、再生能量损失等综合性能,研发利于快速装载和卸载吸附剂的相关装置,开发成本低廉的工艺系统是目前DAC领域的发展方向和迫切需求。DAC技术将为减少全球碳排放、实现碳中和提供重要技术支撑。     

混合有机胺溶液吸收CO2的研究进展

为了探究有机胺溶液吸收二氧化碳的发展潜力和应用前景,本文综述了有机胺溶液对于CO₂的吸收效果,其中单组分有机胺法存在一定的局限性,使用混合胺体系可以弥补存在的问题,着重讨论了乙醇胺(MEA)/2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、三乙烯四胺(TETA)/氨乙基哌嗪(AEP)和三乙醇胺(TEA)/N-氨乙基哌嗪(AEP)的混合胺复配吸收剂对CO₂的吸收效果,同时讨论了金属离子对复合胺溶液捕集CO2过程的强化作用。     

(NH4)2SO4对氨水法捕集水泥厂CO2影响的试验研究

水泥厂CO2排放浓度高达30%,是CO2第二大排放源,由于水泥厂普遍没有安装脱硫装置,利用氨水法脱除水泥厂CO2必然会生成硫酸铵,本文研究硫酸铵对氨水法吸收CO2的影响规律,并探讨影响机理。吸收试验结果表明,当硫酸铵浓度增加到1 mol/L以上,硫酸铵的存在对CO2吸收有抑制作用,会降低CO2的脱除效率;解吸试验结果表明,硫酸铵促进了CO2的释放速度,当硫酸铵浓度累计达到2 mol/L时,CO2最大解吸浓度可以提高5.6%。     

失活石灰石自活化增强循环捕集CO2特性

钙循环工艺是一种低成本高效率捕集CO₂技术,运行过程需不断补充新鲜吸收剂并排出失活吸收剂,实现失活钙基吸收剂原位资源化利用具有重要意义。为研究颗粒状石灰石失活后自活化特性,运用双固定床反应器制备了失活石灰石,分析了自活化后石灰石碳酸化转化率随循环次数的变化规律,采用XRD、SEM、N₂吸附等分析测试手段探究了自活化提高失活石灰石循环捕集CO₂性能机理。结果表明,失活石灰石置于环境中可吸收空气中水分生成Ca(OH)₂,吸水率φ达100%后,继续吸水生成氢氧化钙水合物,极限吸水率为130%。不同程度自活化后的石灰石循环捕集CO₂性能均有不同程度提高,随吸水率变化呈线性升高趋势。与分析纯CaCO₃相比,失活石灰石对吸水率变化更敏感,随吸水率升高其循环捕集CO₂性能提高更快。吸水率为130%时,自活化后石灰石循环捕集CO₂性能甚至优于新鲜石灰石。微观结构分析结果显示：新鲜石灰石因高温烧结而失活过程中,CaO晶粒尺寸由41...     

相变吸收捕集烟气中CO2技术的发展现状

化学吸收法作为目前最有效的CO₂捕集技术,吸收剂常用有机胺,但过高的再生能耗和成本限制了其在工业中的应用。基于传统有机胺溶剂开发出来的相变吸收剂被认为可以大幅减少解吸能耗,成为近几年研究的热点。本文详细介绍了相变吸收剂的常见类型、分相机理,并根据其具体组成进行了种类划分,对比分析了常用相变吸收剂和传统乙醇胺（MEA）吸收液的再生能耗,并指出温度、CO₂负荷以及相分离等因素对相变吸收剂的工艺流程长期运行稳定性的影响。在制备相变吸收剂的过程中,可加入活化剂来降低CO₂富液黏度,加入助溶剂来提高传质特性。本文阐述了现有相变吸收剂的挥发、降解和腐蚀等特性的研究现状。最后,结合研究现状和烟气捕集需求对相变吸收剂今后的研究方向给出了建议。     

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%。     

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。     

胺基CO2固体吸附剂脱碳特性及SO2的影响

燃煤电厂烟气中存在的微量SO₂对胺基CO₂固体吸附剂的碳酸化反应及循环特性有不利影响。利用固定床反应器,针对采用溶胶凝胶法制备的胺基CO₂固体吸附剂的碳酸化特性及其在含SO₂气氛下的失效规律进行了实验研究,并结合红外光谱、有机元素分析、BET等测试手段,研究其失效机理。结果表明,所制备的胺基CO₂固体吸附剂在反应温度50℃时具有较好的碳酸化反应特性和循环特性。当反应气氛中存在SO₂时,由于生成了不可再生的亚硫酸/硫酸盐类物质而导致胺基活性位损失,孔隙结构发生变化,影响了吸附剂的脱碳性能,但适当提高反应温度可提高吸附剂的碳酸化反应竞争性。     

膜吸收法回收烟气中CO_2的过程研究

对膜吸收法回收CO2技术进行了研究,针对膜吸收CO2的特点,筛选出了适合的膜组件和有机胺配方溶液,建立了1套用于连续吸收和解吸试验的模拟装置,并进行了连续试验。研究了气体流量、溶液流量、吸收温度等操作条件对吸收效果的影响,考察了配方溶液在降低碳回收过程能耗方面的优势,在CO2捕集率达到80%时,新配方溶液再生能耗较相同浓度的乙醇胺溶液降低了29.7%。     

燃煤烟气中SO2对氨法脱碳的影响

利用湿壁塔实验台对燃煤烟气中SO₂对氨水溶液［1%～7%(质量）］吸收CO₂的影响进行了实验研究,具体分析了不同反应温度（20～80℃）和CO₂体积分数（5%～20%）条件下,CO₂传质通量及传质系数随SO₂浓度和SO₂负载量的变化规律。结果表明, SO₂浓度由0增至11428 mg·m^-3,CO₂传质通量及传质系数均有一半左右降幅,而SO₂负载量［0.1～0.4 mol SO₂·（mol NH₃）^-1］的增加,同样导致CO₂传质通量及传质系数明显减小。氨水浓度及反应温度增加可有效提高CO₂传质通量和传质系数,相对降低SO₂对CO₂传质的影响。CO₂浓度的增加可明显提高其传质通量,但是CO₂的传质系数有所降低。     

Antioxidative degradation mechanism of 2-mercaptobenzimidazole modified TEPA-MCM-41 adsorbents for carbon capture from flue gas

Solid amine adsorbents can efficiently adsorb CO₂, but a significant problem is that amine groups are oxidized. In this research, tetraethylenepentamine-impregnated MCM-41 adsorbents (TEPA-MCM-41) were functionally modified with sulphur-containing antioxidant 2-mercaptobenzimidazole (described as antioxidant MB) and tns-(2.4-di-tert-butyl)-phosphite (defined as antioxidant 168), respectively. The antioxidative degradation mechanism of 8% MB–50% TEPA-MCM-41 was analyzed by in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform (in situ DRIFT) spectrum and high-performance liquid chromatography/mass spectrometry (HPLC/mass). The CO₂ adsorption capacity of 50% TEPA-MCM-41 was 4.30 mmol/g under 15% CO₂/85% N₂, but decreased to 1.38 mmol/g after oxidation at 100°C for 42 h under 95% N₂/5% O₂ certain condition. The CO₂ capacity of 8% MB–50% TEPA-MCM-41 reduced from 3.90 to 2.86 mmol/g. After 30 adsorption cycles under 5% O₂/15% CO₂/80% N₂, the capacity of 8% MB–50% TEPA-MCM-41 also only decreased by 16.8%, while 50% TEPA-MCM-41 decreased by 63.2%. The reason for the excellent antioxidant stability of 8% MB–50% TEPA-MCM-41 is that MB scavenged free radicals from amine oxidation and decomposed the hydroperoxides produced by free radical reactions. The hydroperoxides were decomposed into alcohols (non-radical products), which were eventually oxidized to sulphonic compounds. The MB modification inhibited the oxidative degradation of solid amine adsorbents guided for the production of antioxidant-efficient adsorbents.     

胺法脱碳系统流程改进及优化模拟

采用一乙醇胺(MEA)进行燃煤电厂烟气脱碳是目前比较成熟和可行的技术,但是存在再生能耗高的严重缺陷。胺法脱碳系统流程改进及优化能有效降低再生能耗。应用Aspen Plus软件基于速率模型对传统胺法脱碳流程及其改进流程进行模拟研究。这些改进的流程包括吸收塔中间冷却流程、富液分流流程、贫液蒸汽再压缩流程、分流流程及富液分流与贫液蒸汽再压缩整合流程。研究结果表明:富液分流与贫液蒸汽再压缩整合流程节能效果最好,和传统流程相比再生能耗及等量功分别下降28.2%和11.9%。节能效果其次的是富液分流流程,再生能耗和等量功分别下降19.3%和11.8%。贫液蒸汽再压缩流程使再生能耗下降了14.1%,而等量功只下降了4.1%。吸收塔中间冷却流程和分流流程节能效果比较有限。     

利用固态胺连续捕集二氧化碳的双流化床实验研究

低温固态胺吸收剂分离CO₂是一种非常有潜力的CO₂分离技术,利用双流化床反应器实现连续高效CO₂分离是此技术走向应用的关键。以商业硅胶颗粒为载体,以聚乙烯亚胺(PEI)为活性成分,通过浸渍法制备固态胺吸收剂,采用双流化床作为反应器,连续分离气体中的CO₂。实验结果表明,所采用的双流化床反应器能够实现两反应器间固态胺颗粒的连续稳定循环,长期连续分离CO₂的效率为84.4%;吸收反应器通入约1%的水蒸气后,捕集效率提高到约97%。     

Efficient capture of CO2 from flue gas at high temperature by tunable polyamine-based hybrid ionic liquids

For an ideal absorbent for CO₂ capture from flue gas, there are some key features including easy preparation, high stability, low absorption enthalpy, high capacity at high temperature and excellent reversibility. Herein, several polyamine-functionalized ionic liquids (ILs) were easily prepared from cheap polyamines and lithium salts, which exhibited significantly improved stability due to the presence of multisite coordinating interactions. The viscosity was reduced by introducing polyalcohol-based ILs, leading to polyamine-based hybrid ILs. Interestingly, these polyamine-based hybrid ILs exhibited high CO₂ capacity (4.09 mmol/g, 0.1 bar) at high temperature (80°C) and excellent reversibility in the presence of H₂O and O₂, which is superior to many other good absorbents. Moreover, these ILs also showed good performance for CO₂ capture from stimulated air (2.10 mmol/g, 380 ppm). We believe that this method with easy preparation, low cost, high efficiency and excellent reversibility has a great potential in the industrial capture of CO₂ from flue gas.