陸詩(shī)建，劉苗苗，劉玲，康國(guó)俊，毛松柏，王風(fēng)，張娟娟，貢玉萍

（1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碳中和研究院，江蘇 徐州 221116；2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3 中石化南京化工研究院有限公司，江蘇 南京 210044）

近年來(lái)，地球氣候顯著變暖，世界各地自然災(zāi)害頻發(fā)，其主要原因之一就是人類過(guò)多地使用化石（碳）能源，使大氣中以二氧化碳為主的溫室氣體濃度快速上升。各國(guó)紛紛出臺(tái)減碳政策，相繼提出碳中和目標(biāo)，以應(yīng)對(duì)全球氣候變暖。

據(jù)Jiang 等[1]基于全球升溫1.5℃情景下的預(yù)測(cè)，與2020年相比，2050年需減少近100億噸年均CO2排放量，采用的措施包括大幅削減煤炭等傳統(tǒng)能源使用，大力發(fā)展核能、風(fēng)能等清潔能源，同時(shí)加速化石燃料附加CCUS技術(shù)。其中，CCUS指的是CO2捕集、利用與封存技術(shù)，該技術(shù)具有減少人為CO2排放量，以及實(shí)現(xiàn)化石能源利用產(chǎn)生的CO2近零排放的潛力[2]，成為當(dāng)前碳減排主要途徑之一，也是2060實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底技術(shù)保障。

國(guó)際能源署（IEA）指出，CCUS 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)中唯一既能直接減少關(guān)鍵領(lǐng)域碳排放，又能降低已有CO2濃度以平衡無(wú)法避免的碳排放的技術(shù)[3]。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）根據(jù)不同情境預(yù)測(cè)，若2030年CO2減排量不能達(dá)到41%以上，則CCUS技術(shù)將成為保障全球升溫1.5℃的主要力量[4]。IEA 進(jìn)一步分析得到，在可持續(xù)發(fā)展情景下，到2070年，CCUS將占據(jù)二氧化碳年減排貢獻(xiàn)的19.2%，累積碳減排貢獻(xiàn)的15%[3]。大規(guī)模、低成本、商業(yè)化將是CCUS工程未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

煤炭是中國(guó)當(dāng)前最主要的能源類型，燃煤電廠是中國(guó)CO2的主要排放源，達(dá)到CO2排放總量的50%以上[5]。將燃煤電廠煙氣CO2進(jìn)行捕集回收與利用封存是國(guó)內(nèi)碳減排的關(guān)鍵，也是CCUS技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的必經(jīng)之路。其中CO2捕集技術(shù)是最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定氣源純度和成本，過(guò)程耗能占CCUS項(xiàng)目總能耗60%以上[6]。目前燃煤煙氣CO2捕集技術(shù)主要采用有機(jī)胺吸收法，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍不同程度地處于實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)示范階段，規(guī)模整體較小，對(duì)于大規(guī)模燃煤電廠CO2捕集工程（規(guī)?！?00 萬(wàn)噸/年），國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有工業(yè)運(yùn)行的先例，國(guó)外僅有2例。

1 煙氣胺法CO2捕集技術(shù)原理和工藝流程

1.1 胺法CO2捕集技術(shù)原理

胺法CO2捕集技術(shù)的基本原理是利用胺液和煙氣中CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中CO2的吸收，并通過(guò)熱解再生將CO2釋放出來(lái)[7]。作為CO2吸收劑的胺液通常具有氨基和羥基，氨基可以改變?nèi)芤旱膒H，增加胺液分解后溶液的堿度，從而增加CO2的吸收速度，是有機(jī)胺吸收煙氣中CO2的關(guān)鍵[8]。

1.1.1 伯胺、仲胺反應(yīng)原理

對(duì)于伯胺（一級(jí)胺）或仲胺（二級(jí)胺）吸收CO2，由于N 原子上連接活性氫，醇胺與CO2先反應(yīng)形成兩性離子，兩性離子再與醇胺反應(yīng)產(chǎn)生氨基甲酸酯，見(jiàn)式（1）、式（2）。總反應(yīng)見(jiàn)式（3）。

吸收反應(yīng)為放熱反應(yīng)，吸收后進(jìn)行加熱，可實(shí)現(xiàn)醇胺溶液再生。由總反應(yīng)可看出，對(duì)于含有1個(gè)氫原子的伯胺和仲胺，由于熱力學(xué)的限制，最大吸收負(fù)載為0.5mol/mol，見(jiàn)式（4）。

對(duì)于伯胺和仲胺，其反應(yīng)特征在于吸收速率快但吸收負(fù)載較低。

1.1.2 叔胺反應(yīng)原理

叔胺（三級(jí)胺）分子結(jié)構(gòu)上沒(méi)有活潑氫原子，因此不會(huì)形成氨基甲酸酯，其在吸收過(guò)程中可認(rèn)為CO2離解時(shí)的催化劑，與CO2離解產(chǎn)生的氫離子反應(yīng)生成碳酸氫鹽，見(jiàn)式（5）、式（6）。其總反應(yīng)見(jiàn)式（7）。

吸收反應(yīng)放熱，吸收后進(jìn)行加熱，可實(shí)現(xiàn)叔胺溶液可逆再生。從總反應(yīng)可得出，叔胺溶液對(duì)CO2的最大吸收負(fù)載可以達(dá)到1mol/mol；但是由于沒(méi)有活性氫，吸收速率較低。

1.1.3 空間位阻胺反應(yīng)原理

對(duì)于空間位阻胺，由于與其分子結(jié)構(gòu)中N原子相連的官能團(tuán)較大，它將阻礙胺上活潑H 原子與CO2的反應(yīng)，并且影響了生成的氨基甲酸酯的穩(wěn)定性，使其最終離解為碳酸氫根。位阻胺吸收CO2的負(fù)載與叔胺相當(dāng)，可達(dá)1mol/mol。

以AMP 為例，提出的一種反應(yīng)過(guò)程如式（8）、式（9)?？偡磻?yīng)見(jiàn)式（10）。

1.2 胺法CO2捕集技術(shù)工藝流程

煙氣胺法CO2捕集技術(shù)工藝流程如圖1 所示。該碳捕集工藝系統(tǒng)的主要設(shè)備有引風(fēng)機(jī)、水洗塔、吸收塔、解吸塔、閃蒸罐、再沸器、貧富液換熱器、貧液冷卻器以及輸送泵等。高溫?zé)煔膺M(jìn)入碳捕集裝置的水洗塔，在塔內(nèi)進(jìn)行降溫脫硫等預(yù)處理后由引風(fēng)機(jī)送入吸收塔。煙氣中的CO2進(jìn)入吸收塔后與有機(jī)胺吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入液相，經(jīng)洗滌降溫后的無(wú)碳煙氣從吸收塔頂部排出。吸收CO2的富液經(jīng)富液泵送入貧富液換熱器與貧液進(jìn)行換熱后送入解吸塔，在溫度和壓力的作用下發(fā)生逆向反應(yīng)解吸出CO2變成貧液，引入MVR 熱泵使貧液閃蒸增壓，增壓后的閃蒸氣進(jìn)入解吸塔與富液換熱放出大量熱量，和再沸器產(chǎn)生的熱量一起促進(jìn)富液解吸再生。解吸塔頂排出的氣體經(jīng)冷卻水分后得到較為純凈的CO2，隨后被送入后續(xù)壓縮工段用于封存和利用。解吸塔底的貧液通過(guò)貧富液換熱器降低溫度后泵吸到吸收塔塔頂，繼續(xù)進(jìn)行CO2吸收工作。

圖1 煙氣胺法CO2捕集技術(shù)工藝流程

2 國(guó)內(nèi)外胺法研究進(jìn)展

胺液化學(xué)吸收法因其CO2分離能力較強(qiáng)、蒸氣壓低、成本低且可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)[9]，成為目前燃煤/燃?xì)怆姀S燃燒后捕集CO2使用最為廣泛的技術(shù)。但是，胺液化學(xué)吸收法仍然存在一些不可忽視的缺陷，如捕集過(guò)程中由于蒸發(fā)和降解會(huì)造成大量溶劑損失；溶劑熱解再生過(guò)程中的能耗過(guò)高；設(shè)備腐蝕嚴(yán)重導(dǎo)致投資運(yùn)營(yíng)成本高等。為了克服這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大量研究在尋求吸收性能良好、再生能耗低、腐蝕性小、成本低廉的新型吸收劑，新型吸收劑包括混合胺、相變吸收劑、非水或少水胺、離子液體、納米流體、催化吸收劑以及氨基酸鹽類等。

（1）混合胺吸收劑 混合胺吸收劑的原理就是將具有互補(bǔ)特征的有機(jī)胺結(jié)合起來(lái)[10]，通過(guò)不同的胺液比例復(fù)配優(yōu)化，從而達(dá)到降低再生能耗的目的，是現(xiàn)階段燃燒后化學(xué)吸收法應(yīng)用最多的吸收劑。Zhang 等[11]研究了單乙醇胺（MEA）、N?甲基二乙醇胺（MDEA）和哌嗪（PZ）組成的三元混合吸收體的吸收解吸性能，研究發(fā)現(xiàn)，相較于5mol/L MEA 吸收體系，MEA?MDEA?PZ 吸收體系的CO2循環(huán)容量和CO2解吸率增加，再生能耗降低，降低了15.22%～49.92%。Dash 等[12]對(duì)由AMP 和1MPZ 復(fù)配而成的混合吸收劑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）AMP+20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）1MPZ混合胺吸收體系的CO2循環(huán)容量最高可達(dá)1.7mol/L，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的30%MEA水溶液。

（2）相變吸收劑 相變吸收劑吸收CO2后形成兩相，僅有富液相進(jìn)入解吸單元熱解再生，貧液相則直接循環(huán)至吸收塔，進(jìn)入解吸單元的溶劑體積減小，從而使水蒸發(fā)及顯熱能耗降低[13]，達(dá)到降低再生能耗的目的。Zhang等[14]研究了MEA/1?丙醇/H2O相變吸收系統(tǒng)的CO2捕集過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該吸收體系的CO2循環(huán)容量最高可達(dá)2.59mol/kg，相較于30% MEA水溶液增加了62%。呂碧洪等[15]研究了“氨基?唑基雙功能離子液體?乙醇?水”相變體系捕集CO2吸收?解吸性能，結(jié)果表明該相變吸收劑穩(wěn)定性和重復(fù)利用性良好，且吸收容量最高可達(dá)1.548mol/mol。周小斌[16]開(kāi)發(fā)了“DETA?AMP?PMDETA”相變吸收劑，研究了不同配比下吸收劑分相情況、循環(huán)負(fù)載量以及吸收劑的物理性質(zhì)，結(jié)果表明該吸收劑再生能耗最低可降至1.83GJ/t，相較于傳統(tǒng)MEA吸收劑降低了52%。Wang 等[17]以環(huán)丁砜為分相劑，改善了DETA?PMDETA 雙相吸收劑的節(jié)能再生能力，結(jié)果表明，DETA?PMDETA?環(huán)丁砜雙相吸收劑捕集CO2時(shí)再生熱耗最低可降至1.86GJ/t，比5mol/L MEA系統(tǒng)的再生能耗降低了53.4%。Wang等[18]提出一種1?丙醇代替部分水的單乙醇胺（MEA）基雙相吸收劑，以降低CO2捕集技術(shù)的再生能耗，結(jié)果表明，總再生能耗降至2.40GJ/t，比以30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）MEA作吸收劑時(shí)降低了39.85%。

（3）非水或少水吸收劑 非水或少水吸收劑用有機(jī)溶劑或功能化離子液體代替部分水或全部水，以減少再生能耗、吸收劑損失以及對(duì)設(shè)備的腐蝕[19?20]。郭暉[21]考察了MEA/EGME 非水吸收體系在CO2吸收解吸過(guò)程中的特性，發(fā)現(xiàn)MEA/EGME吸收體系的吸收容量約為2.1mol/mol，吸收解吸循環(huán)負(fù)載量為1.4～1.5mol/kg，且再生能耗約為MEA 水溶液的45%。Bougie等[22]將MEA分別溶于乙二醇、1?丙醇（EG/PrOH）、二乙二醇單乙醚（DEGMEE）以及N?甲基甲酰胺（NMF）并用于捕集CO2，研究發(fā)現(xiàn)MEA?DEGMEE 吸收體系的吸收解吸性能最佳，其再生能耗比30%MEA水溶液降低了78%。

（4）離子液體吸收劑 綠色溶劑離子液體因其熱穩(wěn)定性高以及可調(diào)控的分子結(jié)構(gòu)而受到特別關(guān)注[23]，其在CO2捕集過(guò)程中具有捕集效率高、再生能耗低等優(yōu)點(diǎn)。但離子液體黏度極高、制備成本極大，因此目前僅處于實(shí)驗(yàn)室階段。金羿等[24]研究了羥基吡啶型離子液體[P4444][3?Op]與DBU 復(fù)配對(duì)CO2的吸收性能，結(jié)果表明，制得的[P4444][3?Op]具有良好的吸收性能，吸收容量可達(dá)到1.06mol/mol。郭雨桐等[25]利用[TETAH]+[BF4]?和乙二醇（EG）復(fù)配吸收CO2，發(fā)現(xiàn)當(dāng)[TETAH]+[BF4]?質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、氣體流量為200mL/min、吸收溫度為15℃時(shí)，[TETAH]+[BF4]??EG體系的CO2吸收容量可高達(dá)1.50mol/mol。

（5）納米流體吸收劑 納米流體是通過(guò)將納米級(jí)材料（如納米顆粒、納米管、納米纖維等）均勻分散到基液中形成的一種新型吸收劑[26]，能夠強(qiáng)化CO2吸收過(guò)程中的氣液傳質(zhì)并降低吸收劑熱解再生時(shí)所需的能耗[27]，進(jìn)一步提升CO2吸收性能。Saidi[28]研究了碳納米管和SiO2納米流體對(duì)CO2吸收的強(qiáng)化作用，結(jié)果表明，碳納米管和SiO2納米顆粒顯著改善了基流體的傳質(zhì)性能，提高了CO2的吸收速率，且碳納米管比SiO2納米流體具有更好的吸收性能。趙子淇等[29]比較了不同納米流體（SiO2、TiO2、Al2O3）對(duì)CO2吸收的強(qiáng)化作用，結(jié)果表明，60nm的TiO2對(duì)TETA 吸收CO2的促進(jìn)作用最明顯，平均增強(qiáng)系數(shù)達(dá)到1.42。

（6）催化吸收劑 催化型吸收劑則是向有機(jī)胺吸收劑中加入催化劑，可以有效促進(jìn)解吸的進(jìn)行，可以在原吸收劑體系基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高循環(huán)容量、降低再生溫度從而減少再生能耗。Seo 等[30]研究了以鎳納米顆粒為催化劑的MEA 溶劑在工業(yè)反應(yīng)器填充柱中捕集CO2的吸收性能，研究表明在微反應(yīng)器中有限的混合條件下，CO2的平均吸收率提高了34%。Zain Ali Saleh 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，相較于未添加催化劑的MEA水溶液，在MEA中添加SO2?4/ZrO2/SiO2可使再生能耗降低36.48%，解吸率增加35.1%。

（7）氨基酸鹽類吸收劑 氨基酸鹽類具有與烷醇胺相似的官能團(tuán)[32]，因此其吸收速率和吸收容量與烷醇胺相當(dāng)。相較于傳統(tǒng)胺類吸收劑，氨基酸鹽類還具有毒性低、揮發(fā)性低、腐蝕性低以及抗降解能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[33]。目前的研究表明，肌氨酸鹽、甘氨酸鹽、脯氨酸鹽是眾多氨基酸鹽類吸收劑中CO2吸收速率較快的一類[34]。Gao等[35]對(duì)比研究了6種常見(jiàn)氨基酸鹽和MEA水溶液的CO2捕集性能，發(fā)現(xiàn)肌氨酸鉀的循環(huán)容量和MEA 水溶液相似，同時(shí)肌氨酸鉀的吸收熱最低為?75.79kJ/mol，顯熱最低為1.18GJ/t，分別比MEA水溶液低14.1%和23.2%。趙月[36]在模擬煙氣條件下比較了賴氨酸鉀和MEA水溶液吸收CO2的吸收速率、吸收熱以及循環(huán)容量，發(fā)現(xiàn)賴氨酸鉀和MEA 水溶液吸收速率和吸收容量相當(dāng)，但賴氨酸鉀循環(huán)負(fù)載量較高、耐熱和耐氧化能力較強(qiáng)。

總的來(lái)說(shuō)，雖然胺液化學(xué)吸收技術(shù)相對(duì)于其他碳捕集技術(shù)較為成熟，但由于胺液普遍存在能耗及運(yùn)行成本較高、穩(wěn)定性差、逃逸損耗嚴(yán)重等因素，限制了其快速應(yīng)用和推廣。因此，研究新一代的低能耗、低成本、穩(wěn)定高效、逃逸系數(shù)較小的二氧化碳捕集化學(xué)吸收法胺溶劑，大幅度降低其能耗水平及CO2捕集成本，仍是該技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

3 國(guó)內(nèi)外胺法節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)展

胺液吸收劑配合節(jié)能技術(shù)可在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低能耗。每種配方溶劑有其相適應(yīng)的節(jié)能技術(shù)。

Rehan等[37]研究了在安裝中間冷卻器對(duì)MEA法CO2捕集系統(tǒng)性能和節(jié)能效果的影響，結(jié)果表明，CO2捕集系統(tǒng)安裝中間冷卻器可以提高捕集效率、降低能耗和減少M(fèi)EA 溶劑用量，并且中間冷卻器的理想位置是靠近吸收塔的底部。

李景輝等[38]對(duì)比分析了酸氣直接壓縮式熱泵、半貧液循環(huán)以及富液壓力能回收3種節(jié)能技術(shù)對(duì)高酸性天然氣脫硫脫碳的節(jié)能效果，綜合裝置總能耗和有效能考慮，半貧液循環(huán)技術(shù)（圖2）對(duì)高酸性天然氣脫碳裝置的節(jié)能效果最優(yōu)。

圖2 半貧液循環(huán)高酸性天然氣脫硫脫碳工藝流程[38]

高麗娟[39]基于常規(guī)胺法CO2捕集系統(tǒng)引入壓縮式熱泵技術(shù)（圖3），結(jié)果表明，系統(tǒng)再生能耗最低可達(dá)3.651GJ/t，相較于常規(guī)胺法CO2捕集系統(tǒng)，節(jié)能率達(dá)到了13.15%。

圖3 基于壓縮式熱泵的CO2捕集工藝流程模型[39]

張金鑫[8]基于MEA法煙氣CO2捕集系統(tǒng)引入MVR熱泵供熱系統(tǒng)（圖4），結(jié)果表明，和傳統(tǒng)CO2捕集工藝相比，在保證CO2捕集率基本不變的情況下，MVR 熱泵供熱CO2捕集工藝最多可降低25.62%再生能耗。

圖4 基于MVR熱泵的CO2捕集工藝流程[8]

李小飛等[40]通過(guò)Aspen Plus 軟件對(duì)傳統(tǒng)胺法脫碳流程以及吸收塔中間冷卻流程、富液分流流程、貧液蒸汽再壓縮流程、分流流程、富液分流與貧液蒸汽再壓縮整合流程等優(yōu)化流程進(jìn)行模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)，富液分流與貧液蒸汽再壓縮整合流程（圖5）節(jié)能效果最好，相較于傳統(tǒng)胺法脫碳流程，再生能耗下降28.2%。

圖5 富液分流與貧液蒸汽再壓縮整合工藝流程[40]

Lu等[41]基于MEA法捕集CO2開(kāi)發(fā)了“吸收式熱泵+MVR 熱泵”耦合雙熱泵的低能耗CO2捕集工藝（圖6），結(jié)果表明系統(tǒng)能耗比常規(guī)MEA 工藝降低38.32%，節(jié)水率為63%。

圖6 雙熱泵耦合低能耗CO2捕集工藝流程[41]

4 國(guó)內(nèi)外胺法反應(yīng)器研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的反應(yīng)器（板式塔、填料塔以及噴霧塔）雖然具有成熟的技術(shù)和強(qiáng)有力的市場(chǎng)應(yīng)用，但其仍然存在設(shè)備體積大、運(yùn)行成本高、耗能大等問(wèn)題。因此，需要尋求小型化CO2捕集反應(yīng)器來(lái)替代傳統(tǒng)的塔式化學(xué)吸收法。目前，CO2捕集反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)研究主要集中于膜接觸器、微通道反應(yīng)器以及超重力反應(yīng)器等。

膜接觸器是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型氣體分離反應(yīng)器，充分耦合了化學(xué)吸收法和膜分離法，具有氣液接觸面積大、傳質(zhì)速率快、操作靈活、設(shè)備體積小等優(yōu)勢(shì)[42]。膜類型主要有中空纖維膜、平板膜以及螺旋纏繞膜等，其中中空纖維膜因比表面積大、占地面積小，且自身具有支撐結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)[43]，成為目前膜接觸器中研究最為廣泛，也是最具有發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

吳佳佳等[44]以中空纖維膜接觸器為吸收反應(yīng)器，考察了操作條件不同以及膜結(jié)構(gòu)尺寸不同對(duì)MEA、DEA、MDEA 和DMEA 4 種吸收體系吸收CO2性能的影響。結(jié)果表明，吸收劑濃度、流速增加，氣體流速降低有利于提升CO2脫除效率。

Magnone等[45]采用陶瓷中空纖維膜接觸器對(duì)5種單胺和16種混合胺吸收劑的CO2捕集性能進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，使用疏水改性陶瓷HFMC進(jìn)行CO2化學(xué)吸收的單胺基和混胺基吸收劑的CO2吸收性能高度依賴于其化學(xué)性質(zhì)和濃度。

微反應(yīng)器是微化工技術(shù)的核心部件，利用微尺寸效應(yīng)來(lái)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程，既有良好的傳質(zhì)和傳熱性能。由于其具有產(chǎn)品收率高、安全性好、停留時(shí)間可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[46]，被廣泛應(yīng)用于CO2吸收。

Aghel 等[47]在圓形微通道反應(yīng)器內(nèi)采用MEA 水溶液對(duì)CO2進(jìn)行吸收，結(jié)果表明，增加溶劑中MEA濃度和溶劑體積顯著提高了吸收效率和氣相體積傳質(zhì)；氣體流量的增加會(huì)導(dǎo)致吸收速率的降低，從而氣相傳質(zhì)系數(shù)增加；與其他傳質(zhì)裝置相比，微通道反應(yīng)器提高了吸收速率。

Janati 等[48]在T 形微通道中使用MEA+DEA 和MEA+TEA水溶液脫除CO2，結(jié)果表明，在最優(yōu)條件下，MEA+DEA和MEA+TEA水溶液對(duì)CO2的最大脫除率分別為97.9%和91.9%，體積總氣相傳質(zhì)系數(shù)最大分別為110kmol·h·kPa/m3和67.5kmol·h·kPa/m3，表明與其他傳質(zhì)裝置相比，采用微通道吸收CO2過(guò)程中體積總氣相傳質(zhì)系數(shù)得到顯著提升。

旋轉(zhuǎn)填充床（RPB）作為一種典型的過(guò)程強(qiáng)化裝備，對(duì)化工過(guò)程中的傳質(zhì)過(guò)程具有較好的強(qiáng)化作用[49]。RPB高效的傳質(zhì)效果有利于有效縮小設(shè)備尺寸，減少占地面積，降低CO2捕集系統(tǒng)的設(shè)備成本，同時(shí)RPB操作彈性較靈活便于移動(dòng)[50]。

盛淼蓬[51]以有機(jī)胺為吸收劑，研究了RPB 對(duì)CO2脫除過(guò)程的強(qiáng)化作用，研究發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)塔器，RPB能夠顯著提升CO2的脫除效果。

Yu 等[52]在RPB 中使用濃縮哌嗪（PZ）和PZ+二乙三胺混合水溶液作為吸收劑，從含10% CO2的氮?dú)鈿饬髦胁东@CO2。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)填充床相比，RPB具有更大的氣液接觸面積以及更高的傳質(zhì)速率。

5 國(guó)內(nèi)外胺法示范工程研究進(jìn)展

隨著CCS技術(shù)的興起，目前國(guó)內(nèi)外研究二氧化碳捕集的科研機(jī)構(gòu)和公司越來(lái)越多，碳捕集研究越來(lái)越受到關(guān)注，并逐步開(kāi)展試點(diǎn)和示范。

5.1 國(guó)內(nèi)胺法示范工程進(jìn)展

在國(guó)內(nèi)，胺液化學(xué)吸收法碳捕集技術(shù)能耗平均水平約為2.4～3.2GJ/t，達(dá)到了國(guó)際同類水平，但缺少大規(guī)模的工業(yè)或商業(yè)應(yīng)用，目前仍處于工業(yè)示范階段。我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)模較大的、主要的CCUS示范項(xiàng)目，如2009 年投運(yùn)的華能上海石洞口碳捕集示范項(xiàng)目（10 萬(wàn)噸/年）、2010 年投運(yùn)的勝利油田煙氣碳捕集工程（4 萬(wàn)噸/年）、2019 年投運(yùn)的華潤(rùn)電力海豐公司CCUS 測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目（2 萬(wàn)噸/年）以及2021 年投運(yùn)的國(guó)家能源集團(tuán)錦界碳捕集示范工程（15 萬(wàn)噸/年），均采用了相對(duì)成熟的復(fù)合胺液化學(xué)吸收技術(shù)。國(guó)內(nèi)相關(guān)胺法CO2捕集工程和示范見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)胺法示范工程進(jìn)展

5.2 國(guó)外胺法示范工程進(jìn)展

國(guó)際范圍內(nèi)，胺液化學(xué)吸收法成熟度較高，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的燃煤電廠等煙氣CO2捕集，在國(guó)際上已經(jīng)完成了工業(yè)示范和大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行階段。2014 年加拿大投運(yùn)了100 萬(wàn)噸/年的SaskPower 邊界大壩項(xiàng)目（圖7），2017 年美國(guó)投運(yùn)了世界最大規(guī)模的140 萬(wàn)噸/年的PetraNova 項(xiàng)目，2020 年日本投運(yùn)了Mikawa 生物質(zhì)燃燒電廠15 萬(wàn)噸/年碳捕集工程，均采用胺液化學(xué)吸收捕集技術(shù)。胺液再生能耗平均水平為2.6～3.0GJ/t。國(guó)外相關(guān)胺法CO2捕集工程和示范見(jiàn)表2。

圖7 SaskPower邊界大壩項(xiàng)目

表2 國(guó)外胺法示范工程進(jìn)展

6 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，從技術(shù)研發(fā)層面，煙氣碳捕集國(guó)內(nèi)技術(shù)與國(guó)外處于并跑階段，但是大規(guī)模CO2捕集工程技術(shù)研究較少；從工程示范與應(yīng)用層面，國(guó)內(nèi)外均建立了燃燒后CO2捕集工程，但國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)示范較少，無(wú)百萬(wàn)噸級(jí)示范；從運(yùn)行實(shí)踐層面，國(guó)內(nèi)燃燒后捕集工程運(yùn)行時(shí)間普遍較短；胺液開(kāi)發(fā)、節(jié)能技術(shù)、工藝裝備仍有較大提升空間。未來(lái)胺法CO2捕集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下方面。

（1）低能耗高碳容吸收劑。高吸收速率、高吸收容量以及低再生能耗是目前開(kāi)發(fā)新型吸收劑的主要研究方向。新型吸收劑包括混合胺吸收劑、相變吸收劑、非水吸收劑、離子液體吸收劑、納米流體吸收劑、氨基酸鹽類吸收劑等，但仍處在實(shí)驗(yàn)室階段，且對(duì)于新型吸收劑與CO2反應(yīng)機(jī)理以及過(guò)程變化的研究相對(duì)較少，此應(yīng)成為研發(fā)的重點(diǎn)。

（2）吸收劑防降解與逃逸控制技術(shù)。吸收劑降解會(huì)導(dǎo)致溶劑損失、CO2吸收能力退化、溶液發(fā)泡、設(shè)備腐蝕以及管道堵塞等一系列問(wèn)題，因此研究其降解特性（降解過(guò)程、降解產(chǎn)物）并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的抗降解劑至關(guān)重要。煙氣CO2化學(xué)吸收系統(tǒng)的污染物排放形態(tài)和成分復(fù)雜，會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題，因此開(kāi)展CO2化學(xué)吸收系統(tǒng)煙氣污染物排放與控制研究，對(duì)于化學(xué)吸收碳捕集大規(guī)模應(yīng)用與示范具有重要意義。

（3）節(jié)能工藝技術(shù)。加強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作彈性大的節(jié)能工藝開(kāi)發(fā)和多種節(jié)能工藝耦合技術(shù)的研究，進(jìn)行過(guò)程模擬優(yōu)化，以期得到最佳的節(jié)能效果。

（4）特大型CO2捕集反應(yīng)器開(kāi)發(fā)。加強(qiáng)捕集反應(yīng)設(shè)備強(qiáng)化方面的研究，胺法CO2捕集的過(guò)程強(qiáng)化多通過(guò)開(kāi)發(fā)高傳質(zhì)效率、高通量以及低壓降的塔設(shè)備以及傳質(zhì)內(nèi)構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)。