二氧化碳的捕集、封存与综合利用(编辑修改稿)

二氧化碳的捕集、封存与综合利用(编辑修改稿)内容摘要：

无 论采取何种捕集系统，其关键技术都是 CO2 的分离，即将 CO2 同其它物质相分离，以便于后续的工艺处理。 根据分离的原理、动力和载体， CO2分离技术主要有吸收法、吸附法、膜分离法和深冷法等。 吸收法 （ 1）化学吸收法 化学吸附法是利用 CO2 和吸附液之间的化学反应将 CO2 从排气中分离回收的方法。 典型的化学吸收剂有一乙醇氨（ MEA）、二乙醇氨（ DEA）和甲基二乙醇氨（ MDEA）等。 此法为湿式吸收法可与湿式脱硫装置联合使用。 其反 应式为 ： CO2+OH HCO3 此反应为一可逆反应，温度对反 应有很大的影响，反应一般在 38℃ 左右吸收 CO2，吸收 CO2，反应向右进行，当温度在 100℃ ，反应向左进行，放出 CO2。 [5] 化学吸收法目前存在的主要问题是： ① 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； ② 由于烟气中含有少量的 O CO、 SO2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 5 效率降低，另一方面会腐蚀再生塔，影响设备寿命。 ③ 处理高炉咽气时，由于反应的温度是在 100℃ 以下，就要对高温气体换热，处理的设备增多，加大了投资。 （ 2）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 CO2 在这些溶液中的溶解度随压力而改变的原理来吸 CO2 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 CO2气体分压较高的条件， CO2的去除率较低。 物理吸附 物理吸附法是利用天然存在的沸石等吸附剂 CO2 气体具有选择吸附的性质，对CO2气体进行分离的方法。 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（ PSA），变压吸附工艺 (PSA 法 )，工艺过程简单，能耗低，适应能力强，无腐蚀问题。 但 CO2 的回收率比较低，适用于 CO2 浓度比较高的情况。 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（ TSA）二者结合在一起的为PTSA 法。 膜法分离 利用高分子膜分离气体是基于混合气体中 CO2 气体与其他组分透过膜材料的速度 不同而实现 CO2 气体与其他组分的分离。 主要有气体分离膜技术和气体吸附膜技术，这两种膜分离技术在火电厂分离回收 CO2 过程中有较大的应用前景。 此外，膜分离技术还可用于从天然气中分离 CO2，从沼气中去除 CO2。 膜分离法 具有装置简单、操作方便、能耗较低等优点。 但是很难得到高纯度的 CO2。 低温分离法 低温分离法是通过低温冷凝分离 CO2 的一种物理过程， 一般是将烟气多次压缩和冷却后，引起 CO2的相变，从而达到从烟气中分离 CO2的目的。 [6] 日前降低大气中二氧化碳的方法包括对能源的合理和有效使用；用天然气代替煤做燃料；用风能、太阳能和核能代替化石能源；通过热带雨林、树木或农场等的陆地封存，海洋处置，矿物封存以及地质封存等。 其中，利用自然界光合作用等方式来吸收并贮存二氧化碳是最直接且副作用最 小的方法。 6 图 2 碳封存示意图 地质封存 地质封存是将二氧化碳加压灌注到合适的地层中，然后通过物理和化学俘获机理实现永久封存。 为把 CO2储存到地底下，作为地质结构条件必须具有储存层、密封层和密封结构。 作 为储存层，以多孔质、具有渗透性的岩石层为宜，这种岩石层相当于孔隙大的含水层。 CO2在地底下的储存深度通常也称为地下深部盐水层，这是因为地层水的盐分高，故而称之为地下深部盐水层。 作为密封层，有渗透率低的页岩和泥质岩等。 作为密封结构，必须是储存层的上部具有密封层的结构，如岩穹结构等。 因此，所谓的 CO2在地底下的储存，就是把超临界状态下的 CO2压入地底下 800m 深的含水层，利用防止气体和液体向储存层上部渗透的冠岩层，可将 CO2长期、稳定地密封在地底下。 与地质封存关联的另一种处理方式是 CO2的再利用。 即将 CO2注入 正接近枯竭的油田以提高石油采收这种方案比较具有吸引力，因其能够从额外开采的石油中部分补偿 CO2的储存成本，但缺点是这类油田的地理分布不均，且开采潜力有限。 如果二氧化碳从封存的地点泄漏到大气中，那么就可能引发显著的气候变化。 [7]如果泄漏到地层深处，就可能给人类、生态系统和地下水造成灾害。 此外，对地质封存二氧化碳效果进行测试的科学家发现，被注入地层深处的二氧化碳还会破坏储藏带的物质。 CO2在地底下的储存技术可应用于增加地底下储藏的天然气的开采量和石油增产 7 回收等，因此它被认为是一种实用、有效的方法。 海洋封存 海洋处置是指通过管道或船舶将二氧化碳运输到海洋封存的地点，将二氧化碳注入海洋的水柱体或海底。 目前 CO2 的海洋封存主要有 2 种方案：一种是通过船或管道将 CO2输送到封存地点井注入 1000m 以上深度的海中，使其自然溶解；另一种是将 CO2注入 3000m 以上深度的海里，由于 CO2的密度大于海水，因此会在海底形成固态的 CO2水化物或液态的 CO2“湖”，从而大大延缓了 CO2分解到环境中的过程。 在海洋封存二氧化碳的研究中，海洋生态环境是一个必须要慎重考虑的环节。 深海中的洋流运动以及密度差、温度差等引起的海水运动甚至包括还没有被我们发现的大型深海动物的出现都有可能影响到我们在海洋中封存二氧化碳的技术实施。 被溶解和消散的二氧化碳随后会成为全球碳循环的一部分。 这一方法存在许多问题。 一是海洋处置费用昂贵；二是二氧化碳进入海洋会对海洋生态系统产生危害。 研究表明，海水中如果溶解了过多的二氧化碳，海水的 PH 值就会下降，这可能对海洋生物的生长产生重要的影响。 三是海洋处置绝非一劳永逸之举，贮藏在海洋中的二氧化碳会 缓慢地逸出水面，回归大气。 因此，二氧化碳的海洋处置只能暂时缓解二氧化碳在大气中的积累，并非是一劳永逸的。 矿石碳化 二氧化碳的矿物封存主要是利用各种天然存在的矿石与二氧化碳进行碳酸化反应得到稳定的碳酸盐的方法来储存二氧化碳，与其他封存方式相比，具有许多优点：一是由于碳酸盐的热稳定性及其对环境无任何影响，因此二氧化碳矿物封存是一种最安全、最永恒的固定方式；二是用于二氧化碳矿物封存的原料来源丰富、储量巨大、价格低廉，因此具有大规模固定的潜力和经济效益。 由于碳酸盐的自由能比二氧化碳的要低，因此，矿物碳酸 化反应从理论上来讲是可行的。 以含有钙镁硅酸盐的矿石为例， CO2与钙镁硅酸盐反应的一般形式为 : MxSiyOx+2y+zH2z(s)+xCO2(g)—― xMCO3(s)+ySiO2(s)+zH2O(l/g)。