过滤是成功脱碳的必由之路_固气分离_技术应用_资讯

核心提示：缓解气候变化需要在全球范围内实现碳中和，这涉及到从每个工业过程和全球能源供应中去除碳排放，这一紧迫需求正在推动碳捕获、利用和储存（CCUS）技术的创新，其中利用环节至关重要。

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　　缓解气候变化需要在全球范围内实现碳中和，这涉及到从每个工业过程和全球能源供应中去除碳排放，这一紧迫需求正在推动碳捕获、利用和储存（CCUS）技术的创新，其中利用环节至关重要。在可能的情况下重复利用捕获的二氧化碳（CO2）具有实际、环境和经济意义。现有应用包括食品和化学品生产、制冷、消防和可再生能源燃料等领域，但能重复利用则取决于生产出符合要求的气体。

　　CCUS是一个广泛的术语，涵盖了各种旨在捕获来自发电厂和工业设施等点源的二氧化碳排放的技术，防止其释放到大气中。这些技术包括从高效压缩和地下天然气储存到各种成熟的和正在发展的二氧化碳再利用/回收技术。过滤在CCUS过程的所有阶段都发挥着关键作用，从净化源气开始，经过二氧化碳捕获，再到压缩、运输和最终储存或再利用。

　　从气体流中分离二氧化碳的技术已经成熟。如使用溶剂和膜等成熟的捕获技术正在被改进以提高碳捕获和储存的效率。然而，永久性二氧化碳储存具有挑战性。确定和评估潜在的储存地点需要时间和成本，即使地质条件合适，该地点仍可能需要进一步改造和持续监测以防止泄漏。运输过程也增加了复杂性，因为建设、监测和维护必要的基础设施会产生大量成本。

　　利用可以是一种更经济的选择，因为二氧化碳的市场已经成熟。如将二氧化碳作为电子燃料生产的原料，正处于快速发展阶段。在其他工业过程中重复利用二氧化碳可以创造价值流，而不是监管或财务负担，并支持更广泛的可持续发展目标。被捕获的二氧化碳的质量至关重要，这正是过滤技术发挥关键作用的地方。

　　CCUS项目主要关注从点源捕获二氧化碳排放。直接从集中的尾气流中捕获气体比从大气中提取更经济实惠。过滤可以保持碳捕获系统的效率，并将二氧化碳以最少的污染交付给下游。

　　化学吸收是目前最成熟的烟后捕获技术，广泛应用于发电厂、水泥生产、化工等燃烧碳氢化合物产生能源的行业。化学吸收技术主要分为干法和湿法两种，干法化学吸收技术主要采用固体吸附剂，如分子筛、氧化铝、硅胶、活性碳等，通过物理吸附、化学反应等过程捕获烟气中的二氧化碳；湿法化学吸收技术主要采用碱性溶液，如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠等，通过化学反应捕获烟气中的二氧化碳。

　　使用溶剂如胺类物质来选择性地从烟气中吸收二氧化碳。富集二氧化碳的溶剂通过加热释放被捕获的二氧化碳，随后进行压缩以便运输或储存。过滤可以防止烟气中的杂质进入溶剂，这些杂质可能导致结垢、起泡和溶剂降解。这对于保持高单位二氧化碳捕获率以及防止逃逸的二氧化碳进入大气至关重要。通过活性碳过滤去除残留的有机物和碳氢化合物也非常重要。任何污染物质到达吸收塔顶部都会直接影响二氧化碳的质量，并阻碍接触器柱的运行效率。

　　图1给出了在溶剂吸收系统中应用过滤的几个主要部位。

　　图1：吸收法碳捕获过程中的过滤设备

　　在燃烧前将二氧化碳从燃料中分离出来，这是在整体煤气化联合循环发电厂（IGCC）中普遍使用的一种方法，将化石燃料转化为合成气（一种由一氧化碳、氢和二氧化碳组成的混合物），然后分离出二氧化碳，这样氢就可以作为清洁能源使用。

　　过滤是必要的，以除去合成气中的硫化合物、颗粒物和水等杂质，以便进行二氧化碳分离。在燃烧前系统中，膜技术、压力摆动吸附（PSA）和固体吸附剂等技术经常用于二氧化碳的去除。

　　富氧燃烧是将化石燃料在纯氧（O2）中燃烧，而不是空气，燃烧的产物主要是二氧化碳和水蒸气，冷凝水蒸气后，得到高浓度的二氧化碳流。

　　空气分离装置(ASU)产生用于 oxy-combustion 的纯氧。过滤器可从进入的空气中除去杂质，以保护 ASU 并确保高效地生产氧气。

　　直接空气捕获（DAC）是一种非燃烧形式的碳捕获技术，可以直接从大气中捕获二氧化碳。固体DAC依赖于具有二氧化碳亲和力的吸附材料，并采用吸附和解吸循环系统。液体DAC使用溶剂，在基于吸收和再生循环的过程中捕获二氧化碳。

　　直接空气捕获与传统碳捕获方法的相似性，使得现有的过滤技术可以转移到DAC过程中，用于过滤进入的空气、保持溶剂纯度以及在空气排放到大气中之前去除残留液体。

　　被捕获的二氧化碳必须脱水并压缩，以便运输和储存，这个过程被称为超临界或密相状态。在二氧化碳中，水、润滑油、氧气和硫化氢等污染物会威胁到管道的完整性，导致腐蚀和副产品，从而在管道中造成堵塞。

　　如果这些腐蚀产物和管道结垢随水流向下游移动，可能会污染关键设备，如控制阀门、计量站和高压注水泵。这会导致更高的维护成本、设备提前更换和计划外停机时间。固体污染物还可能阻碍多孔储层的孔隙结构，增加二氧化碳注入所需的能量，并限制储层的储存能力。

　　在选择过滤器和分离器用于密相CO2应用时，必须非常小心地选择材料，过滤器的尺寸，和适当的过滤评级。图2说明了在超临界相中过滤器的使用。

图2：二氧化碳压缩脱水工艺中的过滤设备

　　CCUS过滤技术进展

　　CCUS是一个快速发展的市场，过滤专家面临的挑战是利用在传统天然气应用中成功使用的技术的成熟优势来满足CCUS应用的需求。

　　成功的案例之一是Cleanova的CMAX过滤技术，该技术专为基于吸收的CCUS系统开发。在这些系统中，高浓度的颗粒污染物会阻碍溶剂的效率，导致下游工艺设备堵塞。同样重要的是，必须从CO2中去除颗粒物和气溶胶，这些物质是在脱气过程中产生的。

　　CMAX过滤器以其卓越的单位面积固体去除能力在市场上占据领导地位，并且可以在广泛的过滤效率范围内进行配置（1-100%）。该技术采用绝对评级，并针对不同的物理溶剂工艺进行了定制，包括单乙醇胺和二乙醇胺（MEA/DEA）、Selexol和Purisol。此外，该技术在超临界二氧化碳注入应用中表现非常出色，在这种应用中，低颗粒浓度对于高效捕获枯竭岩层中的二氧化碳至关重要。

　　然而，仅依靠更好的过滤设备并不能实现工业规模的脱碳。目前，CCUS系统没有标准设计，每个应用都面临着独特的工艺挑战。确定最佳过滤解决方案需要系统设计师和过滤专家以新的方式合作。

　　结论

　　将现有的过滤等技术成功应用于CCUS运营的特定需求，是一个持续的过程，而早期合作对于实现碳中和目标至关重要。