CCUS碳捕集装置和应用

化学吸收法

• 设备与流程 ：烟气先经脱硫、脱硝，由引风机从吸收塔底部进入，吸收液从吸收塔顶部喷淋而下，烟气和吸收液在塔内接触反应，吸收液吸收烟气中的 CO₂变成富液。富液经富液泵送至解吸塔，再沸器加热富液至 100℃-120℃，富液分解释放出 CO₂，实现 CO₂分离与回收，吸收液则循环再生。
• 吸收塔 ：是化学吸收法的核心设备之一，为气液两相提供充分的接触传质空间，使吸收剂能有效吸收烟气中的 CO₂。吸收塔的结构和操作条件，如塔径、塔高、填料或塔板的类型等，会影响吸收效率和压降。通常选用呈碱性的化学吸收液，如醇胺、钾碱和氨水等。
• 解析塔 ：又称再生塔，其作用是将富液中的 CO₂解析出来，使吸收剂得以再生并循环使用。解析塔内的温度、压力和气液比等条件对解析效果和能耗有重要影响。

物理吸收法

• 原理与流程 ：在加压条件下用有机溶剂吸收酸性气体中的 CO₂，溶剂的再生则通过降压来实现，所需再生能量相对较少。其流程与化学吸收法相似，也是先在吸收塔中进行吸收，再在解析塔中进行解析，但所用的吸收剂和操作条件有所不同。
• 吸收塔与解析塔 ：物理吸收法中的吸收塔和解析塔与化学吸收法中的类似，但其吸收和解析过程主要基于物理作用而非化学反应。物理吸收剂对 CO₂的溶解度随压力的变化而变化较大，因此在吸收塔内需要较高的压力以增加 CO₂的溶解度，而在解析塔内则通过降压使 CO₂从溶液中释放出来。

吸附法

• 流程 ：吸附法通常采用固体吸附剂来吸附 CO₂。含 CO₂的气体通过吸附塔，CO₂被吸附剂吸附，净化后的气体排出。吸附剂吸附饱和后，通过减压、加热或置换等方法使 CO₂脱附，恢复吸附剂的吸附能力，脱附出的 CO₂可进一步压缩、储存或利用。
• 吸附塔 ：是吸附法的关键设备，其结构和操作条件对吸附效果和吸附剂的使用寿命有重要影响。吸附塔内装有固体吸附剂，常见的吸附剂有活性炭、分子筛、活性炭纤维等。

膜分离法

• 流程 ：利用不同气体成分在膜中的溶解度和扩散速率的差异，通过膜的选择性渗透作用，将 CO₂与其他气体分离。混合气体在一定压力下通过膜分离塔，CO₂优先透过膜，富集在膜的透过侧，而其他气体则被截留在膜的非透过侧，从而实现分离。
• 膜分离塔 ：是膜分离过程的核心设备，其内部结构和膜的性能对分离效果和稳定性有重要影响。膜分离塔的操作压力、温度和气体流速等参数需要根据具体的膜材料和分离要求进行优化。

②CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage）即碳捕集、利用与封存，是应对全球气候变化、减少温室气体排放的一项关键技术创新，以下是对其的详细介绍：

基本原理

工作流程

• 碳捕集：这是 CCUS 的首要环节，主要有以下三种技术方法：
• 燃烧后捕集：通过化学吸收法等手段，从燃烧化石燃料后产生的烟气中分离出二氧化碳，这种方法技术成熟，可适用于多种燃烧设备，但会消耗一定能量并降低发电效率。
• 燃烧前捕集：先将化石燃料气化，转化为富含二氧化碳和氢气的合成气，再通过变换反应和低温分离等步骤捕集二氧化碳，其优势在于二氧化碳浓度高、易于分离，但对设备要求高且投资成本大。
• 富氧燃烧：在富氧环境下燃烧燃料，使燃烧产物主要为二氧化碳和水蒸气，经冷凝除水后可得到高浓度二氧化碳，不过需要额外的氧气制备系统，能耗成本较高。
• 碳运输：将捕集到的二氧化碳进行压缩、液化等处理后，选择合适的运输方式，如管道运输、船舶运输、铁路运输或公路运输等，其中管道运输是目前最为经济高效、技术成熟的方式，而船舶运输则适用于长距离、大运量的二氧化碳运输。
• 碳利用与封存：是 CCUS 的核心环节，具体如下：
• 地质封存：将二氧化碳注入地质构造中，如枯竭油气藏、深部盐水层、不可开采煤矿等，通过构造封存、水动力封存等机制实现长期封存，其中枯竭油气藏封存潜力大且安全性高，深部盐水层分布广但存在长期安全性验证等挑战，不可开采煤矿可同时实现二氧化碳封存和瓦斯减排。
• 强化采油：向部分枯竭的油藏中注入二氧化碳，降低原油密度，提高油藏压力，增加原油流动性，实现额外原油开采，目前约 80% 的捕获二氧化碳用于强化采油，但其效果受油藏条件影响较大，且存在一定环境风险。
• 工业利用：二氧化碳可用于工业生产，如生产化肥、碳酸饮料、塑料等，在一些情况下，还能作为化工原料生产甲醇、合成气等，实现二氧化碳的部分固定，但目前利用量相对较小。
• 食品级二氧化碳：经过处理提纯后的二氧化碳可作为食品工业中的制冷剂、保鲜剂等，如用于饮料的碳酸化、食品的冷藏和运输等，其纯度要求较高，一般需达到 99.9% 以上。

技术优势

• 降低碳排放：能够有效减少工业生产过程中二氧化碳的直接排放，对钢铁、水泥等难以减排行业实现深度脱碳具有重要意义，有助于达成全球气候目标。
• 创造经济效益：强化采油等利用方式可提高石油采收率，增加石油产量，带来经济收益，同时二氧化碳在工业和食品等领域的利用也能创造一定的经济价值。
• 保障能源安全：通过 CCUS 技术，可使传统化石能源行业在低碳转型中继续发挥作用，保障能源供应的稳定性和安全性，为可再生能源的大规模应用提供过渡时间。
• 提高资源利用效率：实现了二氧化碳从废气到资源的转变，提高资源的利用效率，促进循环经济的发展，减少对自然资源的依赖。

面临挑战

• 技术成熟度：尽管一些 CCUS 技术已取得进展，但仍面临技术难题，如燃烧前捕集技术的复杂性和高成本、富氧燃烧技术的氧气制备等，限制了其大规模推广。
• 成本问题：CCUS 项目投资成本高，包括设备购置、建设和运营等费用，同时运营成本也不容小觑，如碳捕集过程中的能耗成本、运输和封存的维护成本等，增加了企业的经济负担。
• 公众认知与接受度：公众对 CCUS 技术的安全性和环境影响存在疑虑，担心二氧化碳泄漏等风险，影响项目的选址和推进，需要加强科普宣传，提高公众的认知和接受度。
• 政策法规与标准体系：目前，CCUS 产业的政策法规和标准体系尚不完善，在项目审批、环境保护、安全管理等方面缺乏明确的规范，影响了产业的健康发展。
• 选址和监测：地质封存需要合适的地质构造，选址难度较大，且需要长期监测二氧化碳的迁移和潜在泄漏风险，监测技术和成本方面的挑战也不容忽视。

应用现状

截至 2024 年，全球已有多个 CCUS 项目在运营，分布在不同国家和地区。美国的 CCUS 项目数量较多，且在强化采油方面应用广泛，拥有超过 8000 公里。