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实现碳中和目标的重要技术——CCUS

2021-2-14 11:34

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中国提出要力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和的这一承诺被媒体评价称为是“过去10年最大的一条气候新闻”。从2020年能源与气候智库发布的全球实现零碳排放国家竞赛中,包括英国、法国、德国、新西兰、丹麦在内的发达国家普遍承诺在2050年实现零碳排放。这些国家大多在1990年左右就实现了二氧化碳达峰,这中间有超过60年的时间实现从减排到零排,而我国将用短短30年实现这一目标。日本甚至提出,将在2070年实现零碳排放,比中国提出的计划还要晚十年。可见我国作为碳排放大国对于改善全球气候问题的决心和担当。

已经实现和正在实现二氧化碳零排放的国家 [1]

截止至2020年底,世界197个国家中已有126个提出了本世纪“碳中和”的计划,以温室气体排出和消耗相等为目标,积极应对全球变暖所带来的环境问题[2]。早在2018年,世界气象组织(WMO)就已经对世界发出了预警,按照当今的二氧化碳排放量趋势,全球气温将在2030年至2052年之间上升1.5°C,而这1.5℃将足以对人类生活、生态系统和可持续发展造成危险。政府间气候变化专门委员会也专门在《全球升温 1.5°C 特别报告》中提出,要想限制全球变暖在1.5°C以内,则需要去除1000–10000亿吨数量级的二氧化碳。二氧化碳的捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage,CCUS)则是实现这一目标的重要技术路径之一。
CCUS技术包括从燃料燃烧或工业生产过程中捕获二氧化碳,通过船舶或管道运输,将其用做原材料创造有价值的产品,或将其永久存储在地下深层。当二氧化碳来自生物过程或直接来自大气时,CCUS技术还为除碳或“负排放”奠定了基础[3]。
捕集后的二氧化碳储存与利用路径对比 [4]

01


捕集 Capture


最常见的碳捕集来源是发电厂或化工厂的废气。从这些废气中捕获的二氧化碳浓度各不相同。一个典型的燃煤发电厂排放的烟气二氧化碳浓度为10-12%。生物燃料精炼厂可产生高纯度(99%)的二氧化碳,并带有少量杂质,例如水和乙醇[4]。
碳捕集类型通常被分为后处理(post-combustion carbon capture),燃烧前碳捕集(pre-combustion carbon capture)和氧气燃烧系统(oxy-fuel combustion systems)三大类[5]。
后处理碳捕集是将CO2从燃烧后的废气中分离出来,其分离过程可以通过化学吸收,变压吸附或膜分离等方式进行。目前已经市面上已经存在一些商业上可行的后处理方案,化学吸收技术是现阶段固定碳源脱碳采用最为广泛的技术,其基本过程为:烟气在脱硫、脱硝后,经引风机从底部进入吸收塔,同时吸收液从吸收塔的顶部喷淋而下,烟气和吸收液在吸收塔内接触后发生反应,吸收液吸收烟气中的CO2,变成含有大量CO2的富液,富液经过富液泵到达解吸塔,在解吸塔由再沸器加热至100 ~120 ℃,使得富液分解而释放出在烟气中吸收的CO2,最终达到二氧化碳的分离与回收[6]。化学吸收液通常为胺类溶剂,如一乙醇胺,二乙醇胺等。美国陶氏在20世纪80年代开发的MEA工艺,现在应用于ShadyPoint电厂,每天的二氧化碳的回收量可达200吨,并且其回收的二氧化碳纯度为食品级,可用于饮料工业[7]。
对于发电厂而言,燃烧前碳捕集仍处于一个比较早期的研究阶段。该技术涉及将燃料气化并分离出其中的CO2。它可能比其他技术成本更加低廉,但是需要对现有的燃烧设备进行改造,而这个改造成本则是非常昂贵的,并且工程量巨大。含氧燃料燃烧系统,是将燃料在接近纯氧的环境中燃烧,而不是在空气中燃烧,这会导致更集中的CO2排放,从而更易于捕获[5]。

常规的化学吸收法在实际应用中基本趋于成熟,但它同时也是能源密集型技术,且需要大量基础设施的建设,可能会导致巨大的前期投入成本,并且其排放的化学废料也会造成对环境的破坏。膜分离技术由于其能量利用效率高,基建成本低,化学污染物更少,低维护和低运营成本等优点近年来广泛受到绿色化学界的关注。膜在碳捕集中的应用繁多,根据其物理和化学性质既包括用于燃烧前捕集的的H2 / CO2分离,也有用于燃烧后处理的的CO2 / N2分离和用于氧燃料燃烧的O2 / N2分离(空气分离)[10]。常用的膜材料如聚合物膜,微孔有机聚合物(MOP),FSC膜,混合基质膜(MMM),碳分子筛膜(CMSM)和无机(陶瓷,金属,沸石)膜等[9]。每种膜材料都具有自己的分离特性,热和化学稳定性以及不同的机械强度。无机膜相对于聚合物膜在高温高压环境下有更好的稳定性,但由于其对配套组件的承温承压能力以及对密封的要求,从而使得其生产成本也要高的多。膜分离性能的局限性(大多数聚合物膜需要在气体渗透性和选择性间进行权衡取舍)以及膜暴露于含有酸性气体(如SO2,NOx)杂质气流中时的使用寿命是这项技术亟待解决的难题。目前也有一些厂家,如美国MTR Polaris™膜和挪威科技大学专利的FSC膜已经在中试规模上取得了成功。未来能不能成为一项可以代替其他方法的商业化技术仍需要更多的努力和试验[9]。


02


封存 Stroage

二氧化碳封存是指将大型排放源产生的二氧化碳捕获、压缩后运输到选定的地点长期保存,而不是释放到大气中[8]。目前普遍认可的封存形式包括将气态的二氧化碳储存在深层的地质构造中(包括盐层和废弃气田),以及将二氧化碳与金属氧化物生成稳定的碳酸盐进行固态储存。海洋封存由于被认为会加剧海洋酸化,现在已经不再认为是一个可行的方案[11]。

03


利用 Utilization


与CCS不同的是,CCU更侧重对二氧化碳的利用,从而对当前全球的目标:实现"碳中和"更有帮助。捕获的二氧化碳可以转化为多种有经济价值的产品:一种是碳氢化合物,例如甲醇或甲烷,可用作生物燃料以及替代其他可再生能源。其他商业产品包括塑料,混凝土和用于各种化学合成的反应物[4]。
在气候与能源解决方案中心(C2ES)发布的“Carbon Utilization: A Vital and Effective Pathway for Decarbonization[12] 总结报告中详细介绍了关于二氧化碳的一些应用场景(1)食品工业(如碳酸饮料);(2)通过生物转换过程如海藻,生物质生产燃料和食品;(3)医药添加剂;(4)矿化生成碳酸盐用于建筑材料;(5)作为生产甲烷,甲醇,尿素,一氧化碳等的化工原料(6)香精萃取剂;(7)干冰;(8)聚碳酸酯聚合物原材料;(9)强化采油;(10)灭火;(11)惰性保护气;(12)气溶胶罐推进剂等等。

二氧化碳利用路径

报告中还发布了根据全球二氧化碳排放分析市场趋势和潜在的温室气体减排能力倡议的路线图[12],图中表明,随着政策的倾斜,包括混凝土,低碳燃料,聚合物,商业化学用品在内的各个行业都有着不断上升的的市场和减排的潜力。

全球二氧化碳排放分析市场趋势和潜在的温室气体减排能力
建筑材料是当前碳利用的一个重要领域,目前全球的混凝土市场约为300亿吨,估计在2030年将增长至400亿吨,如果将碳用作碳酸钙的替代物,全球二氧化碳在建筑材料行业的减排潜力到2030年将达到10亿至100亿吨。将二氧化碳利用在建筑材料中的一种方法是在小的固体材料上形成碳酸盐涂层;另一种方式为直接利用,在固化过程中向混凝土中添加二氧化碳,不仅减少了生产同等强度混凝土所需的水泥量,还减少了水泥生产过程中的二氧化碳排放。

将二氧化碳转化为燃料、化工原料等同样是一个非常有潜力的市场,通常有直接和间接,即需要一氧化碳等作为中间体和不需要中间体直接加氢两种路径,如下图所示:

利用二氧化碳产生燃料的路径

实现这种转变的方法可以是热催化,电化学法,光催化,生物化学以及这些方法的结合。通过电化学方法将二氧化碳转化为燃料和化学物质已经在实验室及中试规模取得成功,包括甲酸,甲醇,甲烷和乙烯等。电化学主要面临的问题是转化过程中的电荷转移选择性低(法拉第效率);低电流密度限制了反应速率;电极稳定性差等等。需要进一步研发用于实际工业化的电极材料。间接途径需要将二氧化碳优先转化为一氧化碳,这是因为一氧化碳相对于二氧化碳具有更高的活性。一个典型的例子便是费托合成,需要高温高压来提供能量使二氧化碳与氢气发生反应。我公司正在利用等离激元效应实现对二氧化碳在光照和废热条件下的的直接转化,无需电解产生氢气,而是通过水对二氧化碳实现一步加氢产生烷烃烯烃等碳氢化合物,不仅在能量利用率上占有极大的优势,并且对反应条件的要求也更加温和,目前仍在积极努力,走在实现工业化的进程中。


结语

相信大家近两年也感受到了极端天气的出现越来越频繁,从夏季北极圈内气温突破30度,冰川大规模融化,北极熊骨瘦如柴流离失所,到不久前北京寒潮来袭,气温突破20年来最低点。温室气体的排放不仅导致全球变暖,更使得大气环流出现异常,地球的气候稳定性遭到破坏,极热和极寒一起出现。从未有任何一个时代有着如此迫切的减排需求,这对于我们来说,既是机遇也是挑战,更是作为人类维护我们赖以生存的家园的使命。


- End -



参考文献

[1]Energy and Climate Intelligence Unit (ECIU)

[2]http://www.ayyyjkw.com/blockchain-23768-1

[3]https://www.iea.org/fuels-and-technologies/carbon-capture-utilisation-and-storage

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_utilization

[5]https://www.rff.org/publications/explainers/carbon-capture-and-storage-101/#:~:text=Several%20different%20technologies%20can%20be,and%20oxy%2Dfuel%20combustion%20systems.

[6]M. Wang et al. Post-combustion CO2 capture with chemical absorption: A state-of-the-art review. Chemical Engineering Research and Design. 2011, 89, 1609-1624.

[7]http://www.lygsykj.com/m/product/613.html

[8]https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%8C%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A2%B3%E5%B0%81%E5%AD%98%E6%8A%80%E6%9C%AF/22124693?fr=aladdin

[9]He, X. A review of material development in the field of carbon capture and the application of membrane-based processes in power plants and energy-intensive industries. Energ Sustain Soc 8, 34 (2018).

[10]Guozhao Ji and Ming Zhao (March 8th 2017). Membrane Separation Technology in Carbon Capture, Recent Advances in Carbon Capture and Storage, Yongseung Yun, IntechOpen, DOI: 10.5772/65723.

[11]https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_storage#Sequestration

[12]https://www.c2es.org/document/carbon-utilization-a-vital-and-effective-pathway-for-decarbonization/

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