二氧化碳減排一種工藝介紹

摘 要： 全球溫室效應(yīng)不斷加劇，二氧化碳減排技術(shù)探討在全球都變得十分必要，各種技術(shù)路線也層出不窮。傳統(tǒng)碳捕集技術(shù)（CCS）因成本高，長期看存在風(fēng)險等因素越來越受到質(zhì)疑。這里介紹一種二氧化碳分解利用減排技術(shù)（CDUS）的中試平臺項目，對二氧化碳捕集和利用進行全新探討。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳捕集利用；平臺介紹

一.二氧化碳排放狀況

人類的生產(chǎn)勞動和工業(yè)化進程等活動會向環(huán)境中釋放包括燃用化石燃料釋放的二氧化碳在內(nèi)的大量溫室氣體，其中83%是來源于與能源供給有關(guān)的工業(yè)，如發(fā)電行業(yè)。

在中國，煤炭作為主要能源供給來源仍將被長期使用，據(jù)預(yù)測，到2035年由燃煤釋放的二氧化碳每年將達到172億噸。到目前為止，溫室氣體排放治理始終未能在全球范圍內(nèi)大規(guī)模開展起來，最重要的原因是目前所能采取的技術(shù)只能幫助參與其中的國家受益于環(huán)境改變帶來的社會效益，而不能從中獲得經(jīng)濟效益回報或者平衡為減排付出的巨大投入。持續(xù)可行的方案應(yīng)是減排措施在經(jīng)濟性上必須是可行而且是有回報的。

二.二氧化碳減排技術(shù)

1、碳捕集技術(shù)（CCS）

CCS是IPCC（政府間氣候變化專門委員會）倡導(dǎo)下的一項二氧化碳減排技術(shù)。CCS技術(shù)不改變二氧化碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)，直接通過物理方法加壓液化分離后被封存在地下。被被儲存在地表下的二氧化碳氣體在未來隨時有泄露到地表造成窒息的風(fēng)險，中國每年大約排放70億噸二氧化碳。如果使用CCS就預(yù)示著中國要將大多數(shù)二氧化碳氣體封存在一些特定區(qū)域和特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。試想，未來十年后，將會有超過700億噸的加壓二氧化碳儲存于我們腳下的某個區(qū)域，一旦泄露將會造成極為嚴重的災(zāi)難事件。除此之外，超高建設(shè)成本，運行成本以及運輸和儲存成本也是CCS面臨的問題。

2、二氧化碳分解利用減排技術(shù)（CDUS）

本項目二氧化碳分解利用減排技術(shù)是通過應(yīng)用美國一家公司（該技術(shù)處于保密狀態(tài)）自主開發(fā)的特定頻率的電磁催化技術(shù)，結(jié)合自主研制的具有高選擇性的催化劑，使得二氧化碳在極低能量輸入的情況下高效的分解。

通常情況下，二氧化碳的分子團極為穩(wěn)定，其分解反應(yīng)過程需要約200 kJ/mol的能量才可以實現(xiàn)，能耗高，轉(zhuǎn)化率低。經(jīng)實驗驗證，應(yīng)用自主研發(fā)技術(shù)，顯著降低二氧化碳分子團的穩(wěn)定性，只需要常規(guī)方法大約1/5的能量，即可激發(fā)和維持反應(yīng)過程。該技術(shù)在美國已經(jīng)完成實驗室階段的理論驗證，并通過小試測試平臺測試，實現(xiàn)二氧化碳單次轉(zhuǎn)化效率達70%，通過美國小試平臺的測試，目前每噸二氧化碳的直接轉(zhuǎn)化成本只需不到150千瓦小時的電能。這一過程完全改變了二氧化碳的分子結(jié)構(gòu)，使其失去溫室氣體特性，生成一氧化碳以及氧氣等產(chǎn)物，并且根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的特性，進一步使用該催化工藝，通過與其他反應(yīng)物合成，生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，通過不同的反應(yīng)條件，生成長鏈的烷烴或烯烴類產(chǎn)物如醇類或燃油類產(chǎn)品，以及有機酸等。整個過程不但實現(xiàn)了二氧化碳的減排，同時有效地利用了二氧化碳創(chuàng)造經(jīng)濟價值。

該技術(shù)使二氧化碳在轉(zhuǎn)化過程中更為節(jié)能和高效，并具有更好的選擇性、更高的轉(zhuǎn)化率、更低的活化能和更快的反應(yīng)速度等特點和優(yōu)點，并且流程簡單，無需使用二氧化碳加壓分離、運輸、封存等工藝過程，實現(xiàn)二氧化碳就地直接轉(zhuǎn)化并減排，最終產(chǎn)品對環(huán)境、健康無危害。

三.中試平臺方案規(guī)劃

1、CDUS基本技術(shù)流程（如下圖）

含有二氧化碳的鍋爐尾部煙氣經(jīng)過一系列復(fù)雜化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程，煙氣中的二氧化碳作為反應(yīng)物被催化裂解后，再經(jīng)其它系列催化反應(yīng)合成生產(chǎn)出定向性的產(chǎn)品，完成減排過程。反應(yīng)后煙氣中的無污染氣體，如氮氣等，經(jīng)煙囪直接排空；過程中產(chǎn)生的少量無污染固體廢物可直接隨鍋爐灰渣安全排放。整個過程使用自主開發(fā)的人工智能技術(shù)控制系統(tǒng)，對催化過程予以準確控制，實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、高效反應(yīng)。

2、主要系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可以靈活擴展至現(xiàn)場各種使用規(guī)模容量要求，同時，該模塊并可對電廠大規(guī)模應(yīng)用的不同技術(shù)路線進行針對性優(yōu)化，從而提供最優(yōu)化設(shè)計依據(jù).其基本布置方案路線設(shè)計如下。

3、模塊組成及基本功能：

系統(tǒng)采用標準化模塊，主要構(gòu)成有如下幾部分：氣源部分、供水、蒸汽和冷卻系統(tǒng)、氣體系統(tǒng)穩(wěn)壓部分、主反應(yīng)系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及信息處理系統(tǒng)等構(gòu)成。

3.1氣源部分

氣源采用工業(yè)雜氣，經(jīng)一定比例混配，模擬現(xiàn)場煙氣組成和狀態(tài)。氣體通過罐裝運輸至使用現(xiàn)場，經(jīng)調(diào)壓、混合、進入系統(tǒng)下一級。

3.2供水、蒸汽和冷卻系統(tǒng)：

供水采用民用自來水，冷卻水部分直接使用，蒸汽部分需經(jīng)過預(yù)先軟化后進入蒸汽鍋爐予以使用，冷卻水部分用于現(xiàn)場設(shè)備的冷卻以及調(diào)整反應(yīng)要求的溫度需求，確保反應(yīng)在制定的條件下連續(xù)發(fā)生，蒸汽部分將提供部分給混合氣模擬現(xiàn)場煙氣成份外，其余用于給系統(tǒng)提供所需的溫度和壓力需求條件。

3.3 穩(wěn)壓系統(tǒng)

經(jīng)壓力釋放和管道傳輸后的各種氣體，進入穩(wěn)壓系統(tǒng)，經(jīng)穩(wěn)壓系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)質(zhì)后，確保進入反應(yīng)系統(tǒng)的混合氣體的比例、壓力、溫度等參數(shù)按照設(shè)計的需求保持一致，并模擬電廠煙氣的狀態(tài)，確保測試具有代表性和示范作用。

3.4主反應(yīng)系統(tǒng)

3.4.1系統(tǒng)包括：主要由煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、反應(yīng)分離系統(tǒng)、穩(wěn)定系統(tǒng)組成。

3.4.2主要設(shè)備功能描述

預(yù)混合氣體導(dǎo)入主系統(tǒng)的煙氣預(yù)處理系統(tǒng)后，經(jīng)充分混合和預(yù)反應(yīng)后，經(jīng)穩(wěn)流系統(tǒng)進入下一級反應(yīng)分離系統(tǒng)，反應(yīng)分離系統(tǒng)系統(tǒng)將對大部分二氧化碳進行直接化學(xué)分解后進入氣體反應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)確保系統(tǒng)朝預(yù)置方向進行，生成預(yù)期產(chǎn)物，穩(wěn)定分離凈化效率和效果。并最終生成物有高經(jīng)濟附加值產(chǎn)物，被分離后最終實現(xiàn)減少二氧化碳排放的目的。

3.5排放系統(tǒng)

從主反應(yīng)系統(tǒng)排放的煙氣經(jīng)調(diào)整溫度后，直接排放，同時，如煙氣中仍然存在未能完全分離的產(chǎn)品，排放系統(tǒng)將對其進行凈化處理后，做到安全環(huán)保排放。

3.6系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及信息處理系統(tǒng)

整個系統(tǒng)依靠系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能，抓取系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)和信息，并反饋至系統(tǒng)控制中，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的連續(xù)控制，確保系統(tǒng)在設(shè)計的參數(shù)條件下安全高效運行；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將存儲所有系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和參數(shù)，并提供后期優(yōu)化方案所需的數(shù)據(jù)條件。

4、布置方案

本平臺煙氣處理能力為150m3/h，進一步驗證技術(shù)方案的可行性，主要組成部分如下：

4. 1方案概述

測試模塊如下圖所示，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓供氣、自動混合氣體、自動控制氣體參數(shù)、檢測報警、視頻監(jiān)視、循環(huán)、冷卻排放功能。能夠方便的更換反應(yīng)部件，方便的移動、連接、收納供氣系統(tǒng)，并能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場遮陽、圍欄防護功能。

控制系統(tǒng)能夠與各設(shè)備進行通訊并提供氣體計量、蒸汽狀態(tài)、供氣狀態(tài)、水蒸氣收集狀態(tài)和排氣狀態(tài)的檢查信號，同時對整個過程所有信息的采集工作，并通過中控系統(tǒng)進行有效控制，確保測試按預(yù)設(shè)流程連續(xù)進行。

氣源系統(tǒng)將模擬煙氣配氣經(jīng)傳輸管道傳輸至相關(guān)附屬設(shè)備，經(jīng)調(diào)壓及相關(guān)預(yù)處理過程，投入主系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過特定中轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的處理后，二氧化碳被分解后形成相應(yīng)設(shè)計的副產(chǎn)品，未參與反應(yīng)的氣體經(jīng)排煙系統(tǒng)進行排放，系統(tǒng)中同時配備的供水、冷卻對系統(tǒng)設(shè)備，同時信息處理系統(tǒng)將對整個過程的數(shù)據(jù)進行記錄存儲，待后期分析和進行優(yōu)化處理，整個過程在完整的控制系統(tǒng)的控制下，實現(xiàn)連續(xù)安全的處理過程。

4.2方案系統(tǒng)組成

本平臺主要有氣瓶站、供氣系統(tǒng)、氣體分配、給排水系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、電氣和控制系統(tǒng)等組成。

四、小結(jié)

二氧化碳捕集及利用CDUS技術(shù)已經(jīng)在美國一家公司實驗室成功完成1.5 m3/h的處理，本平臺正在建設(shè)當中，處理能力為150m3/h，如獲得成功，將為我國乃至世界減少碳排放技術(shù)發(fā)展提供一種重要嘗試。

作者簡介：邱祥民（1969--），男 高級工程師，長期從事環(huán)境保護工作。