青岛能源所提出一种低能耗的二氧化碳捕集方法

全球气候变暖已经成为人类社会可持续发展的严重威胁，人类活动排放的温室气体占其诱导因素的90%，而CO2占温室气体总排放量的77%。随着世界人口的不断增长和对能源需求的不断增加，人类排放的CO2与可持续发展的矛盾愈发尖锐。
 
　　碳捕集、利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技术是CO2直接减排的有效手段，中国生态环境部发布的《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)》认为，CCUS技术是我国化石能源低碳利用的唯一技术选择，而CO2捕集技术是前提和关键。CO2捕集是指将CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程，目前较为成熟的碳捕集方法主要有热钾碱法和多醇胺法，其工艺过程类似，如图1所示。

                                                      图1 传统CO2捕集工艺流程图
 
　　活化热钾碱法和多醇胺法具有吸收速度快、净化度高、再生气纯度高等优点，但因存在大量溶剂蒸发(热钾碱法水蒸气与CO2摩尔比为1.8~2.2；多醇胺法约0.5)、捕集能耗高(占CCUS总成本的60%～85%，再生温度比吸收温度高，现有技术的两阶段存在大量溶液的反复升降温，导致再生能耗普遍≥2.4 GJ/(t CO2)，捕集总能耗≥3.1 GJ/(t CO2))、吸收剂浓度低(碳酸钾浓度≤30%，否则易结晶堵塞管道)或吸收剂易蒸发降解等缺点，尤其是再生能耗和操作成本偏高，阻碍了其大规模工业推广应用，开发吸收效率高、捕集成本低的工艺和技术，一直是国内外研究的热点和难点。
 
　　近日，青岛能源所黄青山研究员带领的多相反应工程研究组在传统热钾碱法的基础上提出了一种基于相变吸收剂(碳酸钾/碳酸氢钾)、粒度可自由调控的反应分离一体化反应结晶器、微气泡技术及蒸汽热泵技术(Mechanical Vapor Recompression, MVR)的低能耗CO2捕集方法，其工艺流程如图2所示。

                                       图2 基于碳酸钾/碳酸氢钾相变捕集低浓度CO2的工艺流程图
 
　　本方法具有以下特点：
 
　　(1)吸收速率高：采用高浓度的碳酸钾溶液(≥60 wt%)和特色微气泡技术(平均直径200~800 μm)，大大延长了气泡在溶液中的停留时间，提高了气液吸收速率；
 
　　(2)仅固相再生，再生能耗低：再生过程无需对溶剂进行加热，可减少再生过程中因大量溶剂升降温和蒸发导致的显热和潜热损失；
 
　　(3)以水为媒介，采用蒸汽热泵技术实现吸收阶段热量的充分再利用：根据水汽化潜热分别是其气相和液相比热2000多倍和1000多倍性质，通过水的多次相变，采用蒸汽热泵技术实现潜热回收和热量品位的提升，不仅可将CO2吸收阶段的反应放热全部用于其解吸阶段的吸热过程，还避免了传统CO2捕集技术在吸收和解吸过程之间存在的大量且反复的升降温过程而造成的大量能量消耗问题，提高了能量的利用效率；
 
　　(4)连续反应结晶及晶体粒径可调控：生成物KHCO3晶体长大到一定尺寸后，利用反应结晶器内流体的定向流动实现颗粒自动分级和分离(小颗粒晶体返回结晶器中继续长大，大颗粒被分离并被浓缩)，从而实现了晶体产物的节能分离及粒径的精准调控；
 
　　(5)设备投资小：吸收塔中各种过程强化技术相结合实现了反应分离一体化，再加上高浓度CO2吸收剂和微气泡技术，可提高捕集效率，减小设备尺寸。
 
　　该技术的理论再生能耗<0.8 GJ/(t CO2)、综合捕集能耗≤1.5 GJ/(t CO2)，为解决传统CO2捕集技术能耗高、成本高的问题提供了一种新的技术路径，以期助力我国“双碳”目标的实现。
 
　　上述工作发表在化工TOP期刊《Chemical Engineering Journal》上并申请了中国发明专利，通讯作者是青岛能源所的张海东助理研究员。该工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、所内合作基金、山东省合成生物学技术创新中心主任创新基金、中国科学院绿色过程制造创新研究院自主部署项目等项目的支持。