目前,主要有四種不同類型的CO2收集與捕獲系統:

燃燒后分離(煙氣分離)、燃料前分離(富氫燃氣路線)、富氧燃燒和工業分離(化學循環燃燒),每種捕獲技術的技術特點及其成熟度見下表。

在選擇捕獲系統時,燃氣流中CO2濃度、燃氣流壓力以及燃料類型(固體還是氣體)都是需要考慮的重要因素。
 

對于大量分散型的CO2排放源是難于實現碳的收集,因此碳捕獲的主要目標是像化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2的集中排放源。

針對排放的CO2的捕獲分離系統主要有3類:燃燒后系統、富氧燃燒系統以及燃燒前系統。

燃燒后系統介紹

燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離。化學溶劑吸收法是當前最好的燃燒后CO2收集法,具有較高的捕集效率和選擇性,而能源消耗和收集成本較低。除了化學溶劑吸收法,還有吸附法、膜分離等方法。

化學吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之間的可逆化學反應。由于燃煤煙氣中不僅含有CO2、N2、O2和H2O,還含有SOx、NOx、塵埃、HCl、HF等污染物。雜質的存在會增加捕獲與分離的成本,因此煙氣進入吸收塔之前,需要進行預處理,包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等。

煙氣在預處理后,進入吸收塔,吸收塔溫度保持在40~60℃,CO2被吸收劑吸收,通常用的溶劑是胺吸收劑(如一乙醇胺MEA)。然后煙氣進入一個水洗容器以平衡系統中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與溶劑蒸汽,之后離開吸收塔。吸收了CO2的富溶劑經由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100~140℃和比大氣壓略高的壓力下得到再生。水蒸汽經過凝結器返回再生塔,而CO2離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運回吸收塔。

富氧燃燒系統介紹

富氧燃燒系統是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質。燃燒產物主要是CO2和水蒸氣,另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全,以及燃料中所有組成成分的氧化產物、燃料或泄漏進入系統的空氣中的惰性成分等。經過冷卻水蒸汽冷凝后,煙氣中CO2含量在80% ~98%之間。這樣高濃度的CO2經過壓縮、干燥和進一步的凈化可進入管道進行存儲。CO2在高密度超臨界下通過管道運輸,其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流,其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO2需要經過干燥以防止在管道中出現水凝結和腐蝕,并允許使用常規的炭鋼材料。

在富氧燃燒系統中,由于CO2濃度較高,因此捕獲分離的成本較低,但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產主要通過空氣分離方法,包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸餾。

燃燒前捕獲系統介紹

燃燒前捕獲系統主要有2個階段的反應。

首先，化石燃料先同氧氣或者蒸汽反應,產生以CO和H2為主的混合氣體(稱為合成氣),其中與蒸汽的反應稱為“蒸汽重整”,需在高溫下進行;對于液體或氣體燃料與O2的反應稱為“部分氧化”,而對于固體燃料與氧的反應稱為“氣化”。待合成氣冷卻后,再經過蒸汽轉化反應,使合成氣中的CO轉化為CO2,并產生更多的H2。最后,將H2從CO2與H2的混合氣中分離,干燥的混合氣中CO2的含量可達15%~60%,總壓力2~7MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲,H2被用作燃氣聯合循環的燃料送入燃氣輪機,進行燃氣輪機與蒸汽輪機聯合循環發電。

這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯合循環發電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離CO2的方法包括:變壓吸附、化學吸收(通過化學反應從混合氣中去除CO2,并在減壓與加熱情況下發生可逆反應,同從燃燒后煙道氣中分離CO2類似)、物理吸收(常用于具有高的CO2分壓或高的總壓的混合氣的分離)、膜分離(聚合物膜、陶瓷膜)等。