二氧化碳减排技术研究与探讨_樊昱楠

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二氧化碳减排技术研究与探讨

摘要：由于全球温室效应的不断加剧，发展二氧化碳减排技术变得十分必要。通过研究现有的二氧化碳减排技术，对比分析其二氧化碳减排技术的工作原理以及优缺点发现：对于燃煤电厂而言，传统减排方式会带来严重的能源损失；新型燃烧技术虽具有高效节能的优点，但其分离和回收成本较高，难以实现；而基于零排放理念的化学链燃烧技术是非常有前景的一项燃烧技术。关键词：CO 2减排；燃烧；化学链燃烧技术

中图分类号：X 321 文献标识码：A 文章编号：1002-1140（2011）08-0065-03

樊昱楠1，周涛1，王保文2

（1.华北电力大学核热工安全与标准化研究所，北京 102206；

2. 华北水利水电学院电力学院，河南 郑州 450046）

Study and Discussion on Carbon Dioxide Emission Reduction Technologies

FAN Yu-nan 1, ZHOU Tao 1, WANG Bao-wen 2

(1. Institute of Nuclear Thermal-hydraulic Safety and Standardization, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. School of Electric Power Engineering, North China University of Water Resources and Electric power,

Zhengzhou 450046, China)Abstract ： It is quite necessary to develop carbon emission reduction technology due to the increasingly intensified global greenhouse effect. Through the research of current carbon emission reduction technologies, analyzing the working principles and their advantages & disadvantages then the following items were found out: for coal-fired power plant, the traditional method of carbon emission reduction will bring serious energy loss; though the new type combustion technology has the advantages of effective engery-saving, the separation and recycling cost is too high and then it is hard to be realized; the chemical looping combustion technology based on principle of zero emission has a very good prospect.Key words ：carbon dioxide emission reduction; burning; chemical looping combustion

0 引言

我国能源以燃煤为主，具有耗能高、利用率低、浪费严重的缺点。占煤炭产量75%的原煤用于直接燃烧，燃烧过程中产生严重的污染，其中以产生CO 2的污染对全球的影响最为显著。随着人们环境意识的逐渐增强，减少污染源、净化大气、保护人类生存环境的问题，正逐步受到公众的关注和重视。寻求有效解决这一污染源的措施，已成为当代科技研究的重要课题，治理锅炉烟气中的CO 2是其中课题之一，具有重要意义。

1 CO 2的分离技术

目前，国内外已发展了许多CO 2的分离技术，包括吸收法、吸附法、膜分离法、低温分离法。

1.1 吸收分离法

吸收分离法是利用吸收剂溶液对混合气体进行洗涤来分离CO 2的方法，按照吸收剂的不同，可以分为化学吸收法和物理吸收法。

化学吸收法是CO 2与吸收剂在吸收塔内进行化学反应而形成一种弱联结的化合物，处理后的烟气直接排出，富CO 2的吸收液被通入还原塔内，加热后将CO 2释放，同时吸收剂得以再生。典型的吸收剂有甲基乙醇胺(MEA)，甲基二乙醇胺(MDEA)等，适合于中等或较低CO 2分压的烟气。

物理吸收法的过程跟化学吸收法的过程相似，只是吸收剂对CO 2的吸收是按照物理溶解的方法进行的。主要的吸收剂有甲醇等，此法较适合高CO 2分压的烟气[1]。1.2 吸附分离法

吸附分离是基于气体与吸附剂表面上活性点之间的分子间引力实现的。CO 2的吸附剂一般为一些

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特殊的固体材料，如沸石、活性碳、分子筛等。吸附过程又分为变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)[2]。1.3 膜分离法

膜分离法又分为气体分离膜技术和气体吸收膜技术两类。因为膜分离技术结构简单、操作方便，已成功应用于石油、天然气、化工、食品、海水淡化等，但在CO 2分离方面还处于试验阶段。1.4 低温分离法

在31℃和7.39 M P a 下，或在23~12℃和1 MPa~2.38 MPa 下，CO 2具有液化的特性[3]。低温法利用CO 2这一特性对烟气进行多级压和冷却。

使用各种物理或化学溶剂的吸收吸附法是较为成熟的方法，特别是使用甲基乙醇胺(MEA)为吸收剂的化学吸收法得到了广泛的研究与应用。但对于燃煤电厂而言，烟气量大、CO 2含量低，使用这些技术都会带来严重的能源损失，减少其净电能输出13%~37%。因此，降低CO 2分离技术的费用，发展新型的CO 2分离技术是面临的非常迫切的任务。

2 新型CO 2减排技术

2.1 高温空气燃烧技术

高温空气燃烧技术与常规燃烧技术的主要区别在于利用高效蓄热体最大限度地回收烟气余热，将燃烧空气加热到燃料着火温度以上，利用高速射流形成的卷吸降低氧浓度，使燃料在高温低氧气氛中燃烧。高温空气燃烧的关键是采用高效蓄热式燃烧系统。其燃烧系统原理如图1所示[4]。

2.2 烟气再循环O 2/CO 2燃烧技术

烟气再循环O 2/CO 2燃烧技术是从空气中分离的O 2与锅炉尾部再循环的烟气混合作为煤粉燃烧的氧化剂，使燃烧排气中的CO 2浓度达到70%以上，经脱水后可以达到95%。排气经冷凝脱水

后，气量的70%~75%循环使用，余下排气中的CO 2经压缩脱水后用管道送走，相比于传统的燃烧系统有较大区别，需增加空气分离装置和烟气再循环系统。锅炉尾部烟气的一部分排气经过再循环系统输送至炉前，与空气分离器装置制取的富氧空气按一定的比例混合，携带煤粉经燃烧器送入炉膛，在炉内组织与常规燃烧方式相类似的燃烧过程，并完成传热。

2.3 基于CaO碳酸化-煅烧循环CO 2的分离技术

此技术是使用CaO 与CO 2反应生成CaCO 3的煅烧循环过程来捕捉烟气中的CO 2，是一种有发展潜力的CO 2分离技术。通过CaO 与CO 2气体的反应生成CaCO 3来捕捉燃煤烟气中的CO 2，当CaO 与CO 2不再反应或反应速率变得很慢时，通过加热反应产物CaCO 3重新生成CaO 和CO 2，这样得到的CO 2气流具有极高的纯度，便于压缩后运输和封存。这种技术可以用于燃烧烟气中CO 2的分离，也可以用于气化过程中CO 2的分离。2.4 煤化学链燃烧技术

化学链燃烧方式是燃料与空气不直接接触的新型无火焰燃烧方式，与传统的燃烧方式有显著区别。其燃烧方式如图2所示[5]。

其原理是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧借助于氧载体的作用分解为两个气固反应，燃料与空气无需接触，由氧载体将空气中的氧传递到燃料中。化学链燃烧系统由空气反应器、燃料反应器和氧载体组成，其中，氧载体由金属氧化物与载体组成，金属氧化物是真正参与反应传递氧的物质，而载体是用来承载金属氧化物并提高化学反应特性的物质。

金属氧化物首先在燃料反应器内进行还原反应，燃料与金属氧化物中的氧反应生成H 2O 和CO 2，同时金属氧化物被还原成金属单质，然后被送入空气反应器，被空气中的氧气氧化，重新生成氧化物。

图1 高温空气燃烧技术系统原理图

图2 化学链燃烧方式示意图

3 新型减排技术的比较

对于以上几种新型CO2分离技术，表1给出了其基本原理，并对其优缺点进行比较。

传统的CO2减排方法、高温空气燃烧技术以及烟气再循环燃烧技术，其烟气中CO2常常被大量的氮气稀释，CO2的分离和回收成本较高，即使发达国家也难以实现。在燃烧过程中生成高浓度的CO2或便于CO

2

分离的气相混合物（如H2O+CO2）是一种有效途径，它具有CO2内分离性质，同时可消除其他污染物的生成排放（如NO X、SO X等）。化学链燃烧具有这样的环境友好性，目前引起了众多学者的关注。

4 结论

节能减排是一项重要工作，选择有效措施更是需要探索的工作，通过本文的比较，可得到以下结论：

(1) 传统的CO

2

减排方式没有改变其燃烧方式，而是在烟气中对CO2进行吸附吸收，因此，其方法简单，成本相对较低。但对于燃煤电厂而言，烟气量大、CO2含量低，使用这些技术会带来严重的能源损失，减少其净电能输出约13%~37%。

(2) 新型的燃烧技术降低了资源浪费，具有高效节能、显著降低污染物排放的优点。但烟气中的

CO

2

常常被大量的氮气稀释，CO2的分离和回收成本很高，即使发达国家也难以实现。

(3) 化学链燃烧技术在燃烧过程中生成高浓度的CO2或便于CO2分离的气相混合物，具有CO2内分离性质，同时消除其他污染物的生成排放。

参考文献：

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[J]. 动力工程，2006，26（4）：538-542.

收稿日期：2011-06-24

作者简介：

樊昱楠（1988—），女，汉族，陕西西安人，华北电力大学（北京）硕士在读，fanyn1118@126.com ；

周涛(1965—)，男，陕西商州人，华北电力大学教授，博士生导师，zhoutao@ncepu.edu.cn ；

王保文（1975—），男，陕西宝鸡人，华北水利水电学院讲师，工学博士。

（责任编辑 齐正平）

表1 新型燃烧技术的原理及优缺点比较

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