【儀表網 研發快訊】全球氣候變暖已經成為人類社會可持續發展的嚴重威脅，人類活動排放的溫室氣體占其誘導因素的90%，而CO2占溫室氣體總排放量的77%。隨著世界人口的不斷增長和對能源需求的不斷增加，人類排放的CO2與可持續發展的矛盾愈發尖銳。
 

　　碳捕集、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技術是CO2直接減排的有效手段，中國生態環境部發布的《中國二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報告(2021)》認為，CCUS技術是我國化石能源低碳利用的唯一技術選擇，而CO2捕集技術是前提和關鍵。CO2捕集是指將CO2從工業生產、能源利用或大氣中分離出來的過程，目前較為成熟的碳捕集方法主要有熱鉀堿法和多醇胺法，其工藝過程類似，如圖1所示。
 

圖1 傳統CO2捕集工藝流程圖
 

　　活化熱鉀堿法和多醇胺法具有吸收速度快、凈化度高、再生氣純度高等優點，但因存在大量溶劑蒸發(熱鉀堿法水蒸氣與CO2摩爾比為1.8~2.2；多醇胺法約0.5)、捕集能耗高(占CCUS總成本的60%～85%，再生溫度比吸收溫度高，現有技術的兩階段存在大量溶液的反復升降溫，導致再生能耗普遍≥2.4 GJ/(t CO2)，捕集總能耗≥3.1 GJ/(t CO2))、吸收劑濃度低(碳酸鉀濃度≤30%，否則易結晶堵塞管道)或吸收劑易蒸發降解等缺點，尤其是再生能耗和操作成本偏高，阻礙了其大規模工業推廣應用，開發吸收效率高、捕集成本低的工藝和技術，一直是國內外研究的熱點和難點。
 

　　近日，青島能源所黃青山研究員帶領的多相反應工程研究組在傳統熱鉀堿法的基礎上提出了一種基于相變吸收劑(碳酸鉀/碳酸氫鉀)、粒度可自由調控的反應分離一體化反應結晶器、微氣泡技術及蒸汽熱泵技術(Mechanical Vapor Recompression, MVR)的低能耗CO2捕集方法，其工藝流程如圖2所示。
 

圖2 基于碳酸鉀/碳酸氫鉀相變捕集低濃度CO2的工藝流程圖
 

　　本方法具有以下特點：
 

　　(1)吸收速率高：采用高濃度的碳酸鉀溶液(≥60 wt%)和特色微氣泡技術(平均直徑200~800 μm)，大大延長了氣泡在溶液中的停留時間，提高了氣液吸收速率；
 

　　(2)僅固相再生，再生能耗低：再生過程無需對溶劑進行加熱，可減少再生過程中因大量溶劑升降溫和蒸發導致的顯熱和潛熱損失；
 

　　(3)以水為媒介，采用蒸汽熱泵技術實現吸收階段熱量的充分再利用：根據水汽化潛熱分別是其氣相和液相比熱2000多倍和1000多倍性質，通過水的多次相變，采用蒸汽熱泵技術實現潛熱回收和熱量品位的提升，不僅可將CO2吸收階段的反應放熱全部用于其解吸階段的吸熱過程，還避免了傳統CO2捕集技術在吸收和解吸過程之間存在的大量且反復的升降溫過程而造成的大量能量消耗問題，提高了能量的利用效率；
 

　　(4)連續反應結晶及晶體粒徑可調控：生成物KHCO3晶體長大到一定尺寸后，利用反應結晶器內流體的定向流動實現顆粒自動分級和分離(小顆粒晶體返回結晶器中繼續長大，大顆粒被分離并被濃縮)，從而實現了晶體產物的節能分離及粒徑的精準調控；
 

　　(5)設備投資小：吸收塔中各種過程強化技術相結合實現了反應分離一體化，再加上高濃度CO2吸收劑和微氣泡技術，可提高捕集效率，減小設備尺寸。
 

　　該技術的理論再生能耗<0.8 GJ/(t CO2)、綜合捕集能耗≤1.5 GJ/(t CO2)，為解決傳統CO2捕集技術能耗高、成本高的問題提供了一種新的技術路徑，以期助力我國“雙碳”目標的實現。
 

　　上述工作發表在化工TOP期刊《Chemical Engineering Journal》上并申請了中國發明專利，通訊作者是青島能源所的張海東助理研究員。該工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金、所內合作基金、山東省合成生物學技術創新中心主任創新基金、中國科學院綠色過程制造創新研究院自主部署項目等項目的支持。(文/圖 肖航)