Page 91 - 《精细化工》2022年第8期
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第 8 期                        温   翯，等:  燃烧后二氧化碳捕集技术与应用进展                                 ·1591·


                     表 6   典型碳捕集膜的性能对比         [55]            4   低温分离法
            Table 6    Performance comparison of typical carbon capture
                    membranes [55]
                                                                   低温分离法是在低温条件下，通过相分离（物
                                           CO 2 渗透   CO 2/N 2
               膜材料     国家     机构    温度/℃                       理）的手段将 CO 2 从烟气等混合气体中分离出来
                                           率/GPU    选择性
            FSC 膜      挪威  NTNU      45    74~230   80~300     的一种方法，该法已用于天然气净化等领域。其
                    ®
            PolyActive    德国 HZG     20    1062     43         优势在于分离过程无需化学试剂，无设备腐蚀风
                 ®
            Polaris    美国 MTR        30    1000     50         险，且 CO 2 能以液体形式回收，可极大地方便运
            FSC 膜      中国  天津大学      25    1013     96         输；此外，与其他分离技术相比，通过低温方法

                 近年来，膜分离技术在国内也得到了充分的                           捕获的 CO 2 可获得更高的纯度（超过 99.9%）。高
            研究，取得了阶段性进展。天津大学、中国石化                              纯度 CO 2 产品可以通过催化或生物反应有效地转
            南京化工研究院和中国科学院大连化学物理研究                              化为更有价值的化学品，也可用于工业食品、肥
            所设计并建造了一个多功能中试规模的两级膜装                              料等领域。因此，低温分离法捕集的 CO 2 产品可
            置，用于从不同的模拟烟气中捕获二氧化碳                       [55] 。   以免去额外的压缩处理。
            根据初始原料气中 CO 2 体积分数（分别为 14%、                            2003 年，CLODIC 等     [57] 开发了一种低温 CO 2
                                                               捕获工艺，其机制是将 CO 2 气体凝结到低温蒸发
            25%、35%）的不同，详细研究了不同条件下的
            捕集效率，CO 2 捕集率分别为 61.3%、60.7%、53.9%                 器表面，并通过制冷剂混合物逐步蒸发来捕获
            时，产品气体 CO 2 纯度分别可达 78.5%、87.2%和                    CO 2 。通过计算和实验测试，该工艺的能耗为
            96.3%。此外，由天津大学、山东九章膜技术有限                           541~1119 J/g CO 2，可以与其他的燃烧后碳捕集技
            公司等多家单位承担的“膜法捕集 CO 2 技术及工业                         术竞争。2010 年，TUINIER 等        [58] 基于动态操作填
            示范”项目，采用聚乙烯基胺膜材料对煤炭燃烧发                             充床开发了一种新的低温 CO 2 捕集工艺。该工艺
            电排出的烟道气进行二氧化碳的分离富集。目前，                             可在含有体积分数 10% CO 2 和 1% H 2O 的烟气中
            该示范装置正在南京建设，建成后将实现 CO 2 捕                          回收 99%以上的 CO 2，能耗为 1.8 MJ/kg CO 2。2012
            集率≥90%，产品纯度≥95%，日处理量达 50000                        年，SONG 等     [59] 开发了一种基于斯特林制冷机系
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            Nm ，年捕集量超 3000 t 的烟道气碳捕集目标。                        统的新型低温 CO 2 捕集工艺，并在实验室规模上
                 膜分离技术是一种可以在燃煤电厂、水泥和                           通过模拟烟气进行了验证。通过大量实验证明，
            钢铁厂等大型排放源中发挥重要作用的碳捕集技                              该系统可以在没有溶剂和压降的条件下实现二氧
            术，其在经济、安全、环境和技术方面具有一定                              化碳捕获。同时，可以从 3.4 MJ/kg 的烟气中捕获
            竞争力，近年来已经得到了较快的发展。然而，                              80%以上的二氧化碳。近年来，研究者们对低温
            膜分离技术依然存在较多的技术难题需要攻克，                              分离法的研究主要集中在新型低温填充床系统和
            如分离性能和成本等问题。尤其在较低的 CO 2 体                          工艺等的开发，以获得连续、高效且低能耗的低
            积分数（<20%）下，由于膜内传递缺乏连续驱动                            温二氧化碳捕获系统          [60-61] 。
            力，需将气体压缩、多级分离等操作才能满足分                                  目前，低温分离工艺在石油开采和天然气二
            离目标，增加了运行能耗，降低了捕集效率。                               氧化碳分离过程中应用较多，主要应用于高体积
            ROUSSANALY 等      [56] 的研究报告指出，当膜技术                分数（通常超过 50%）和高压气体中的 CO 2 分离。
            相对成熟（高渗透性兼顾高选择性）且成本控制                              但在燃烧后烟气的碳捕集中，低温分离法相比其
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            在 50 $/m 时，简单的多级膜分离工艺可与 MEA                        他分离技术的劣势在于，其处理过程是在低温高
            吸收工艺相竞争。此外，在目前的研究中还缺乏                              压的条件下进行，设备投资大、能耗高、成本高。
            关于膜材料在长期工业条件下（气体组成、温度                              据统计，分离 1 t 液态 CO 2 需要消耗高达 650 kW·h
            和压力）的有效性能参数信息，对 SO x、NO x、水、                       的能量；且该法在水蒸气存在时易形成冰或固体
            灰尘等常见气体杂质影响还未深入研究，限制了                              CO 2 笼形包合物，导致设备堵塞，因此，在分离
            其工业推广进程。因此，未来扩大膜分离技术在                              前应尽量除去原料中的水，带来了额外的成本和
            碳捕集中应用的重点研究方向应是开发具有更好                              能耗。然而，由于低温法可在压缩液体或固相中
            选择性和渗透性平衡，易于加工、成本较低的膜                              获得高纯度的二氧化碳产品，有利于运输、利用
            材料；提高工艺效率，研究工业运行条件下的工                              和存储，在环保方面又具有无化学试剂参与的优
            艺性能，以加快实现在工业中的实际应用。                                势，很多研究也建议与其他碳捕集方法结合形成
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