【能源人都在看|吸附法碳捕集技术的规模化应用前景( 八 ) 【能源人都在看

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变湿吸附(moistureswingadsorption,MSA)是另一种新型低温吸附法DAC技术.该技术最初由Wang等人[91]提出,通过采用阴离子交换树脂表面固定的季胺阳离子配合氢氧根、碳酸根、碳酸氢根阴离子进行吸附再生循环.在干燥条件下,CO2被吸附形成碳酸氢盐;而在湿润条件下,CO2实现解吸并形成碳酸盐.这一过程利用了水蒸发释放的能量,因此降低了再生能耗.实验结果表明,将空气中的湿度从0.5%提升到1.8%可以再生阴离子交换树脂一半的CO2吸附量,约0.86mmol/g.除了离子交换材料,近期的研究显示,诸如COF、沸石、二氧化硅、功能化炭黑、MOF、季胺化的氧化石墨烯等纳米多孔材料也可应用于MSA循环.目前基于MSA技术的DAC公司包括美国Infinitree和荷兰Skytree.关于这两家公司的公开信息非常有限,其缝隙市场主要是为都市农业提供温室所需的CO2.
4吸附法碳捕集技术展望
表2总结了吸附法碳捕集中试装置的研发现状.吸附法应用于燃烧后碳捕集是相对成熟的技术体系,并且可以应用于改造后的常规电站,但为了将其推向商业化仍需要投入大量的研发资源.基于固定床的VSA和VPSA技术由于受到物理吸附剂的竞争吸附和固定床尺寸、塔数、工艺复杂度等的限制,主要适用于低含水量工况和中小型点源排放.基于流化床的TSA技术具有更好的传热传质速率,并且工艺简单易于工业放大.基于移动床和转轮等新型吸附器为解决流化床均衡吸附问题提供了思路,特别是采用结构性吸附剂的转轮系统可以实现连续的R-TSA循环,极大地提升了碳捕集效率.吸附法燃烧后碳捕集技术的研究需要重点关注以下3方面:(1)具有优异的CO2工作量、动力学和稳定性的低温吸附剂;(2)具有低能耗的蒸汽吹扫循环;(3)低气固传质阻力的捕集器结构.
基于PSA的中温气体净化技术是燃烧前碳捕集的研究热点,不但通过在高CO2含量的原料气中进行吸附分离的方式极大降低了捕集成本,还可以方便地与催化剂耦合实现原位氢气提纯.目前国际上正在建设多个中试级别的中温气体净化装置,同时也发现了一些研发瓶颈.中高温吸附剂的CO2工作量仍然低于低温吸附剂.近期所报道的熔盐氧化镁可以通过体相的化学吸收实现极高的工作量[98],但是还需建立样机来验证其应用于燃烧前碳捕集的循环稳定性.中温气体净化技术为了实现纯度和回收率的双高需要消耗大量高温蒸汽.虽然通过多段PSA配置可以降低系统运行能耗,但也会增加操作复杂性和设备投资.除了CO2,还应考虑合成气/重整气中H2S、COS、HCl、重金属等杂质的中温脱除.基于高温吸附剂的Oxy-SER过程可以实现再生器中CO2的富集,但是目前关于该技术的中试系统较为缺乏,仍需要通过详细的技术经济分析来评估其捕集成本.
DAC目前仍然是一种概念较新的捕集技术,同时也在大规模商业应用的早期.由于空气中CO2含量远低于烟气,因此并不能期望DAC的捕集成本能低于燃烧后碳捕集.但是从长远的角度来看,DAC和传统碳捕集技术的协同作用可以帮助控制和减轻气候变化.DAC的技术研发需要特别关注捕集系统的压降问题,通过使用结构性吸附剂的新型气固接触器可以有效降低风机功耗.通过负压条件下的蒸汽吹扫可以降低DAC的再生温度,从而更好地耦合可再生能源或者工业废热进行再生.当采用蒸汽吹扫时,需要注意吸附剂的循环稳定性.例如,聚胺浸渍的吸附剂容易出现胺泄露以及吸附量下降的问题.因此,研发高水热稳定性的DAC吸附剂是重要的研究方向之一.
5总结
吸附法碳捕集技术自20世纪90年代被提出以来经历了迅速发展,特别是对碳基材料、沸石、MOF、水滑石、固态胺等固体吸附材料的研发进行了大量探索.与此同时,仍需要对吸附剂结构和性能之间的对应关系有更清楚的认识.另一方面,要将吸附剂的研发与实际分离工艺相结合,为了提高碳捕集的技术可行性亟须开发高效气固接触器.此外,有关吸附法碳捕集规模化应用还缺乏系统和深入的技术经济性分析.总之,虽然吸附法碳捕集技术在某些应用场合已经处于示范阶段,但是仍有很大的改进空间.为了实现吸附法碳捕集技术的快速部署以减缓全球气候变化,应加大对该领域的研发力度.