變壓吸附分離工業廢氣中二氧化碳的研究進展初探

    科技專論

    作者：張士玲　王法強

    【摘要】介紹了碳的捕獲和存儲，分析了二氧化碳分離工藝及捕獲係統，探討了二氧化碳變壓吸附分離技術的進展、國內外變壓吸附分離二氧化碳的工業應用進展。另外，還指出了變壓吸附分離二氧化碳工藝中存在的問題，並就這些問題提出相應的改進策略，希望能夠為實際工作提供指導與參考。

    【關鍵詞】變壓吸附；工業廢氣；碳捕獲；碳存儲；二氧化碳

    1.引言

    石油、煤炭的大量使用會導致排放到大氣中的二氧化碳量急劇上升，其帶來的溫室效應已經成為影響人類生產、生活各個領域的重要問題。為了降低二氧化碳的排放量，緩解溫室效應，人們嚐試運用各種方式方法來提高能源利用效率，尋找替代能源，實現人類社會的可持續發展。文章主要就利用變壓吸附分離工業廢氣中的二氧化碳進行探討與分析，並提出具體的工藝策略，希望對工業廢氣二氧化碳的分離工藝提供借鑒。

    2.碳的捕獲和存儲簡介

    碳的捕獲和存儲是隨著科研的深入和技術的更新發展而出現的新概念，其主要目的是采取相應的技術措施，減少向大氣的二氧化碳排放量。這兩個概念最早產生於1977年，具體是指采取相應的措施，將二氧化碳從工業或相關能源中分離出來，輸送到一個封存地點，並長期與大氣隔絕的過程，從而減少向大氣的二氧化碳排放量。程序包括捕獲、運輸、封存三個階段。實際應用中通過這三個流程實現對碳的捕獲和存儲，該概念的出現和工業生產的具體應用，主要目的是降低二氧化碳排放量，緩解溫室效應，保護人類生存環境。然而，碳的捕獲和存儲隻是降低二氧化碳排放量，緩解溫室氣體的一種方案，能否得到具體應用，以及應用效果如何，還受到技術成熟程度、成本、法律法規等的製約。隻有在所有這些因素都具備和完善的前提下，才有可能對該方案進行有效的應用，對其進行推廣和普及。在具體應用中，碳的捕獲最為困難，所需要耗費的資金也更多，占到整個工藝流程資金耗費的85%左右。因此，在實際工作中，關鍵是要采取有效的措施，實現對碳的有效捕獲。

    3.二氧化碳分離工藝及捕獲係統概述

    3.1分離工藝的類型與特征。就其類型來看，分離工藝包括溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法、變壓吸附法四種不同的工藝類型。這些工藝各有自身的特點和優勢，在具體的應用過程中，既可以根據具體情況單獨采用某種工藝，也可以根據實際需要，對幾種工藝進行組合，以提高工作效率。當氣體的二氧化碳濃度較低，一般適合采用溶劑吸收法，采用該工藝對二氧化碳進行濃縮之後，其濃度可以達到99.99%。盡管該工藝可以得到濃度較高的二氧化碳，但也存在著一些缺陷與不足，例如，工藝的投資較低，能源消耗巨大，分離回收成本較高，因而該工藝的推廣和應用受到較大程度的限製。低溫蒸餾法的能源消耗也十分巨大，投資較多，在二氧化碳濃度較高的情形比較適用，但該工藝的分離效果較差，在具體應用中難以推廣和普及。膜分離法的成本投入較少，能源消耗也相對降低，但得到的二氧化碳濃度不高，在模分離之前需要進行脫水、過濾等處理工作，盡管該方式存在不足之處，但綜合來看仍然是一種較為優良的工藝方式。變壓吸附法通過捕獲提純二氧化碳，能源消耗較低，操作簡單方便，對周圍環境沒有汙染，是較為理想的處理工藝。

    3.2捕獲係統的不同種類。在具體應用中，包括燃燒後捕獲、燃燒前捕獲、氧燃料燃燒三種不同的方式，不同的方式操作流程不一樣，具有各自的特點和優勢。需要注意的是，在具體應用中，不管采用何種方式，需要考慮燃氣流中的二氧化碳濃度、燃氣流壓力、燃料類型等因素，以達到更好的處理效果，促進捕獲和分離工藝的正常運行。

    4.二氧化碳變壓吸附分離技術的進展研究

    4.1二氧化碳分離工藝研究。在對氣體分離和提純的過程中，變壓吸附所采用的的方式是，通過周期性的壓力變換從而實現上述目的。為提高分離效果，在設備結構、工藝流程等方麵都取得了進步。例如，1960年出現了變壓吸附雙塔結構，使得變壓吸附循環操作得以實現，取得了良好的效果，不僅使產物的回收率得到了提高，還降低了均壓中的能量損失，給整個變壓吸附帶來重要的意義。另外，為了降低能量損耗，使二氧化碳的純度、回收率得以提高，再加壓、均壓、順流減壓、回流等工藝相繼出現，並在具體工作中得到應用，這些工藝的出現，不僅使得產品的回收率得到提高，還提高了產品的純度，使得工藝流程中的能源消耗不斷降低，對整個變壓吸附分離技術帶來積極的作用。