【能源人都在看|吸附法碳捕集技术的规模化应用前景( 四 ) 【能源人都在看

2吸附法在燃烧前碳捕集中的应用和挑战
燃烧前碳捕集是指从中高温合成气或重整气中分离CO2的过程.在进入碳捕集装置之前,合成气/重整气需要先经过WGS反应,将CO催化转化成CO2和H2,也可以将CO2吸附和WGS反应进行原位耦合从而提高CO的转化率.对温度较高的重整反应,同样可将CaO和Li2SiO3等高温吸附剂混入重整催化剂中来提高H2产率.由于在燃烧前碳捕集中原料气通常含有高浓度CO2(15%~60%),可以优先采用变压吸附(pressureswingadsorption,PSA)构建吸附/解吸循环.值得注意的是,虽然也可将变换气降温后再进行低温CO2分离,但是会额外增加碳捕集系统的设备复杂度和捕集能耗.得益于中温CO2吸附剂的快速发展,中温气体净化的概念得到越来越多的关注,即在不降低变换气温度的条件下直接进行碳捕集.燃烧前碳捕集一般工作在中温(200~450°C)和高压(2~7MPa)条件下,而当采用高温吸附剂时,系统可在500°C以上运行.应用于燃烧前碳捕集的吸附剂主要包括水滑石、氧化镁、碱式硅酸盐、氧化钙和碱式钛酸盐.
荷兰能源研究中心(EnergyResearchCentreoftheNetherlands,ECN)开发的吸附增强水气变换(sorptionenhancedwatergasshift,SEWGS)是一种典型的燃烧前中温气体净化技术,可以耦合CO转化、碳捕集和脱硫3个过程.在早期的SEWGS研究项目(CO2CaptureProject,CCP)中,把碳酸钾修饰的水滑石作为中温CO2吸附剂的技术可行性得到了验证.钾修饰水滑石在中温条件下具有良好的吸附量和动力学,并且水蒸气的存在会进一步提升其吸附和解吸性能.该项目提出了一个7塔10步的新型PSA过程,通过在传统PSA中引入同向高压CO2冲洗和逆向低压蒸汽吹扫两个步骤,大幅降低了捕集系统的H2损失.
然而,高压CO2冲洗的使用降低了捕集效率并且增加了压缩功耗,因此在随后的欧洲联盟FP6项目(CACHET)中,这一步被同向高压蒸汽冲洗替换.对于采用蒸汽冲洗和蒸汽吹扫的SEWGS系统,高温蒸汽成为主要的能耗来源,因此在欧洲联盟FP7项目(CAESAR)中,研究重点转为如何通过运行参数的优化来降低蒸汽耗量.模拟结果表明,通过合理利用吸附剂在吸附和蒸汽冲洗步骤中水蒸气的共吸附现象,SEWGS系统的蒸汽耗量可以得到大幅下降.在2013年,ECN宣布SEWGS技术已经具备中试放大的条件.由于SEWGS技术具有较低的加热/冷却需求,又可以在实现CO充分转化的前提下采用更小的前置WGS单元,因此具有较低的运行能耗.
当SEWGS应用于IGCC电站进行燃烧前碳捕集时,优化运行工况可以在86%~96%的CO2捕集率和99%的CO2纯度的条件下实现2.5GJth/tCO2的捕集能耗,低于Selexol法燃烧前碳捕集的3.7GJth/tCO2和燃烧后碳捕集的4.2GJth/tCO2.目前SEWGS技术被应用到STEPWISE项目(图4),目标是从高炉煤气中回收CO2,并将捕集能耗和成本分别降低60%和25%.近期的模拟结果表明,当CO2捕集率为80%时,STEPWISE的捕集能耗和运行成本分别是1.9GJth/tCO2和40.4$/tCO2.

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TDA在DOE(DepartmentofEnergy)项目的资助下开发了另一种中温气体净化技术,通过使用功能化介孔碳(AMS-19),在190~260°C区间构建PSA循环.图5显示了TDA在燃烧前中温碳捕集技术研发方面的布局.TDA早期在NCCC搭建了一个0.1MWe级别的4塔8步PSA样机,成功实现了11650个吸附/解吸循环的稳定运行.该样机采用蒸汽吹扫步骤来增加吸附剂利用比例,从而获得了更高的捕集产量.在最新的一项模拟工作中,TDA构建了一个8塔10步PSA循环,在实现CO2捕集率大于90%和CO2纯度大于99%的条件下,运行能耗可以低至0.34GJe/tCO2[44].TDA下一步将在中国石化扬子石油厂搭建中试PSA装置.在另一个项目中,TDA还构建了捕集规模为0.24TPD的低温WGS/PSA耦合装置,证明了复合系统可以提升0.5%的系统效率.