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1、第六章 CO2的控制理论及技术,第一节 CO2分离理论及技术,一、吸收分离法 吸收法按照分离原理的不同，可分为化学吸收法和物理吸收法。,物理吸收法：溶剂对CO2按照物理溶解的方法进行， CO2在溶剂中的溶解服从亨利定律，适合CO2浓度较高的烟气； 化学吸收法：通过CO2与溶剂发生化学反应来实现的分离并借助其逆反应进行溶剂再生，常用吸收剂为热碳酸钾或醇胺类说溶液，具有较高的吸收率，回收CO2纯度高（可达99.99%），适合浓度较低的混合气体处理。,化学吸收法特点： 历史悠久、技术成熟、运行稳定； 气体回收率和纯度达99%以上； 会产生乳化、起泡、溢流、夹带等现象使系统复杂； 设备庞大，操作复杂，
2、不易维修保养； 溶剂降解、设备腐蚀和泡沫是最大的问题； 烟气进塔前必须降温，出口进入大气前必须重新加温。,二、吸附分离法,吸附法又分为变温吸附法(TSA)和变压吸附法(PSA)及变温变压吸附法（PTSA）。 吸附剂在高温(或高压)时吸附CO2，降温(或降压)后将CO2解析出来，通过周期性的温度(或压力)变化，从而使CO2分离出来。 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。,再生方式可分为： 加热再生（适用于低浓度） 压力再生（适用于高浓度）,吸附分离法特点： 原料适应性广； 无设备腐蚀和环境污染； 工艺过程简单； 低耗能； 压力适应范围广； 解吸媳妇频繁； 自动化要求高；
3、需要大量吸附剂，更适合浓度为20%80%的工业气。,三、膜分离法,分为气体分离膜法和气体吸收膜法两类。,1.气体分离膜法 依靠待分离混合气体与薄膜材料之间的化学或物理反应，使得一种组分快速溶解并穿过薄膜，从而将混合气体分成穿透气流和剩余气流。,分离能力取决于： 薄膜材料的选择性； 两个过程参数: 穿透气流对总气流的流鼙（ p ）比 穿透气流对总气流的压力比,常见分离机理： 气体通过多孔膜的微孔扩散机理； 气体通过非多孔膜的溶解扩散机理，如图：,分离膜按材料分为： 有机聚合物膜 无机膜,混和气,2.气体吸收膜法 在薄膜的另一侧有化学吸收液； 膜对气体没有选择性； 气体和吸收液不直接接触； 通过吸
4、收液选择达到分离的目的。,四、低温蒸馏法,通过低温冷凝分离CO2的物理过程，一般是将烟气经过多次压缩和冷却后引起相变从而分离CO2。比较典型的工艺是四塔的瑞安/赫尔姆斯流程。,主要用于分离回收油田伴生气中的CO2，本法设备庞大、能耗较高，分离效果较差，一般很少使用，只适用于油田开采现场，提高采油率。,五、石灰石法脱除燃煤烟气中的CO2,以石灰石为吸收剂采用碳化/煅烧的方式可脱除烟气中的CO2。,CaO在燃烧室中吸收CO2反应机理如下：,CaCO3在煅烧炉里高温煅烧后再生成CaO，循环利用。 煅烧室内放出的烟气近乎纯CO2易于回收处理，而且烟气中的硫化物也会得到脱除，本法非常适合流化床。,六、以
5、煤制氢为核心的近零排放技术,煤在该过程中的生成物只是高纯度的H2和CO2。该技术为煤的高效洁净利用提供了极大的发展空间，为减少煤利用过程中温室气体CO2的排放提供了一个崭新的途径，技术流程如图所示。,该技术中，能量与物质在系统中充分循环。 一样面，能够充分利用系统自身的能量维持各过程的进行，从而减小了系统的能量损失，提高效率； 另一方面，烟气循环使大量污染物在系统内循环，从而减小了污染物的排放量。 由于没有空气参与燃烧，避免了颗粒物和其他污染物的释放。,七、生物性回收CO2技术,微生物CO2回收固定技术可分为： 利用微生物固定CO2 ，利用微细藻类及光合成菌类固定CO2 ； 利用球石藻类等固定
6、CO2。,第二节 CO2减排理论及技术,一、电力生产中的CO2减排,电力生产中排放CO2占人类总排放量的30%。大型化工与化石联合企业均有电厂，其特点是单点固定排放源，我国煤电占80%（世界平均煤电为40%），常规电厂效率仅为32%35%。,为了大规模减排CO2 ，可采用： 燃煤预处理 增大机组容量 开发先进的燃烧循环 以LNG（液化天然气）代煤发电 采用大型高参数汽轮机和燃气轮机 将热力学循环与电化学联合 多联产系统 回收CO2新技术,2008年各国二氧化碳排放量,电力行业二氧化碳排放量,各国的CO2减排行动,碳减排技术,超（超）临界技术、循环流化床技术（CFB）、整体煤气化联合循环技术（I
7、GCC）、热电联产技术（CHP）、CCS技术,提高可再生能源及核能等技术的比重，优化电力结构减低碳排。,通过电力调度顺序、发电权交易和减少厂用电等措施减排。,采用清洁发展机制CDM进行国际合作，转让的资金和技术获得核证减排量。,达到大规模减排CO2的目的，其发展方向如下： （1）亚临界发电系统。发电效率h=38%。 （2）超临界发电系统。h=40%42%。 （3）超超临界发电系统（UDC）。h=50%55%。 （4）整体煤气化联合循环系统。h=42%，减排CO2为25%，预计今后可达h=50%，CO2减排50%。若采用天然气进行燃气轮机循环h=52%58%。 （5）化学链燃烧技术。 （6）整体
8、煤气化。 （7）多联产系统。,（5）化学链燃烧技术 燃料从MO（金属氧化物）获取氧，无需与空气直接接触，燃料侧的气体生成物为高浓度的CO2和水蒸气，而且也不会产生NOx，采用物理冷凝法即可分离回收CO2，可节省大量能耗。,化学链燃烧技术（Chemical-Looping Combustion，CLC）在20世纪80年代就被提出来作为常规燃料的替代。化学链燃烧技术原理如图。化学链燃烧技术的能量释放机理是通过燃料与空气不直接接触的无火焰化学反应，打破了自古以来的火焰燃烧概念。这种新的能力释放方法是新一代的能源环境系统，它开拓了根除NOx产生与回收CO2的新途径。日本、韩国、瑞典、挪威和中国等很多国
9、家和机构都在进行探索性的研究。,循环氧载体,无火焰燃烧,根除燃料型NOx 生成 控制热力型NOx 产生 CO2 富集,所示为2003年美国国家能源技术实验室与ALSTOM合作研制的煤气化的化学链燃烧动力系统的示意图。该系统采用CaS/CaSO4化学链对煤进行气化, 通过变换反应制得H2, CO2混合气体, CO2经CaO/CaCO3化学链吸收去除, 得到较纯净H2. CaO再生反应所需热量由作为传热媒介的矾土形成的热链循环提供. 这种煤基化学链燃烧动力系统为避免碳进入空气反应器和灰分对系统的影响, 必须进行氧载体颗粒与未燃碳粒和灰分的分离,（6）整体煤气化,燃料电池联合循环（IGMCFC）系统
10、。MCFC不用贵金属，可用CO为燃料h比IGCC高可达45%53%，预计2015年h可达60%。若用天然气重整（SRM）与MCFC联合，h=60%70%，接近CO2零排放目标。,MCFC的燃料气是H2，氧化剂是O2和CO2。当电池工作时，阳极上的H2与从阴极区迁移过来的CO32-反应，生成CO2和H2O，同时将电子输送到外电路。阴极上O2和CO2与从外电路输送过来的电子结合、生成CO32-。电池的反应原理如下：,（7）多联产系统,多联产是能源领域降低能耗、物耗和减排CO2的重要方向。有燃CH4的冷热电联产，生物质冷热电联产，燃煤冷热电三联产，化工产品与冷热电联产。如甲醇、合成气、热电联产，可使
11、能耗下降22.6%，CO2排放量也下降22.6%。,多联产（Polygeneration）概念图,较高的环保性：与传统的粉煤燃烧相比，氧化硫、氮氧化合物和颗粒物的排放量较低。 与传统的燃煤炉相比，气化过程产生的二氧化碳浓度更高、更容易环保地进行收集和分离。 更高的煤转化效率。 减少能源和原料进口不确定性的影响，特别是在产煤地区。 比传统的独立的发电和生产化工品具有更低的成本。,多联产: 具有发展前途的综合解决方案,目前各种发电方式的碳排放率g/(kW h)为：,可见，发展水电、核电和其他新能源将有助于大大减排CO2。,二、流动源CO2的减排,交通运输使用化石燃料排放的CO2约占CO2总排放量的
12、30%。我国民用汽车保有量已超过4300万辆。预计2020年将达到1.3亿辆，年需油量5亿吨，再加上农用车、火车、轮船、飞机用油，届时将达7亿吨，由于车辆与耗油数量成倍的增长， CO2也会成倍增加，现在CO2的排放量将十分惊人，且流动源CO2难以回收利用。减排方法如下：,（1）车辆轻型化、小型化，以塑代钢，可减少油耗。 （2）改进和设计新型发动机，提高能效。 （3）以柴油车取代汽油车。（柴油车比同类汽车经济性高20%，能源强度低10%，可减排CO2约10%。欧盟已计划将轿车CO2平均排放量由187g/km降至140g/km，约下降20%，2012年降至120g/km。） （4）开发和推广低耗油
13、的混合动力车（HV）。（它由驱动车轮电机、电池，以汽油、轻油、LPG液化石油气、CNG压缩天然气为燃料的发动机等动力装置组成动力源。1996年丰田公司推出3.0L/100km；1999年本田公司推出2.96L/100km概念车；最先进的是乙醇燃料电池与太阳能电池混合动力车，油耗为 0.78L/100km。）,（5）改变燃料结构，多用高H/C燃料，更多的利用生物质能。 1）使用高H/C清洁燃料 2）以氢为燃料，而氢是从非化石燃料中获得。 3）生物质能。（来源广，资源大，可再生）,三、低碳汽油技术,一种新型GX低碳汽油已由中国环保新能源研究院与环球瞭望石化产品有限公司联合成功研发，它可使CO2排放
14、降低5%8%，CO降低30%以上，NOx符合国家规定、硫排放同等条件减少20%，节省燃油3.2%以上，动力提高5%以上。这种GX低碳汽油已经在山东、北京、河北和内蒙等地试验推广，数据显示，使用新型GX低碳汽油每年可减少CO2排放3000万吨，将对我国节能减排发挥重要作用。 在对40多万辆车次、上万千米的测试中，新型GX低碳汽油主要性能指标均优于京标、国际和乙醇汽油、甲醇汽油的使用效果。,四、富氧燃烧技术,用比通常空气(含氧21%)含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，称为富氧燃烧（oxygen enriched combustion,OEC）。,富氧燃烧技术组织燃料在O2和CO2混合气体中燃烧，烟气经
15、过干燥后CO2浓度高达95%，压缩后即可进行下一步处理，同时还具备相当低的NOx排放和较高的脱硫效率功能，是一种能够综合控制燃煤污染排放的新一代燃烧技术。,富氧燃烧技术是针对燃煤电厂特点所发展的一种既能直接获得高浓度CO2，又能综合控制燃煤污染排放的新一代CO2减排技术。富氧燃烧技术也称为O2/CO2燃烧技术，或空气分离/烟气再循环技术。,富氧的助燃方法分类,富氧的助燃方法分类,富氧的助燃方法分类,富氧的助燃方法分类,富氧燃烧技术用空气分离获得的O2和一部分锅炉烟气循环气构成的混合气体代替空气作为化石燃料燃烧时的氧化剂，来保护炉膛中的温度低于可承受点，以提高燃烧烟气中CO2浓度。此燃烧反应发生
16、在O2/CO2混合气的环境中，其主要步骤为空气压缩分离燃烧、电力生产烟气压缩和脱水，如图：,特点,提高火焰温度,富氧浓度并不是越高越好,富氧助燃的最佳浓度为：26%30%,充分燃烧，合理燃烧 氧浓度提高，火焰温度上升，热效率大幅度提高 降低燃料的着火温度和减少燃尽时间 降低过量空气系数，减少燃烧后的排烟量,第三节 CO2的捕获与封存（CCS）,一、CCS概况 CO2捕获和封存（carbon dioxide capture and storage ,CCS），指在CO2排放之前将其捕获，并运送储放在合适地点的技术体系,近年来，由于人类过多使用高碳能源，导致气候变化恶劣，给人类生活带来严重灾害。为了实现人类与自然和谐共生的生存目标，我们必须改变现有的生活方式，节约能源，保护生态，迎接低碳时代的到来。,目前CCS技术被看做是解决全球气候变暖问题的最具发展前景的解决方案之一，不仅能有效减少碳排放，还可能更持久地更清洁的利用我国丰富的煤炭资源。但它作为一种新的技术有许多新的技术难点、风险评估、政策问题等需要进一步的研究CCS是一项巨大的工程，需要各个相关领域予以技术和
