燃煤烟气二氧化碳干法捕集工艺优化与经济性评价(4)
图1.2 典型变压吸附法生产CO2工艺流程图
由于燃烧产生的烟气中含有很多杂质，而存在的杂质会增加捕集的成本，因此烟气进行吸收处理前要进行预处理（水洗冷却、除水、静电除尘、脱硫与脱硝等），去除其中的活性杂质（硫、氮氧化物和颗粒物等），否则这些杂质会优先与溶剂发生化学反应，消耗大量的溶剂并腐蚀设备。在目前的工艺条件下，吸附剂再生以及为便于运输而压缩二氧化碳，都需要消耗大量的能量，因而会大大折减净发电量[9]。
然而现阶段，碳收集存储技术仍不能够广泛应用于燃煤电站的三个基本原因是：1、它们没有进行过大规模的试验或项目仍在试验中；2、为CO2捕集提供动力和蒸汽而产生的附加载荷会减少电站产电量的大约三分之一；3、如果成功投入大规模生产，就现阶段的工艺过程开发水平来说是不会产生成本效益的[10]。
经济和效率将是碳收集技术在应用时所需考虑的两个主要问题。碳收集存储技术的应用意着，现代传统电厂排入大气中的二氧化碳数量相对没有利用该技术的电厂将会减少80 %～90 %。然而，二氧化碳的收集和压缩却需要消耗大量能量。这又会增加使用该技术电厂近10 %～40 %的能源需求。总的来看，应用碳收集存储技术后，电厂的成本支出将会比原来增加30 %～60 %，具体多少还要看当时的经济环境[11]。
1.3 固体吸附剂的吸附原理
1.3.1 固气吸附机理
当气体与固体表面接触时，在固体表面上气体的浓度高于气相浓度，此现象称为吸附。固体表面上的气体浓度由于吸附作用而由小变大，这一过程称为吸附过程；反之由大变小则称为脱附过程。当吸附与脱附过程进行的速度相同时，固体表面上的气体浓度不变，这种状态称为吸附平衡[12-14]。吸附平衡是一个动态平衡，它取决于温度和压力，在等温下进行吸附称为等温吸附，在等压下进行的吸附称为等压吸附。能吸附气体的物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。根据分子在固体表面上的吸附性质，可将吸附分为物理吸附和化学吸附，两种吸附的特点见表1.1。
上述两类吸附的区别中最本质的是吸附力的区别，最易鉴别的是吸附热的区别。物理吸附在低温出现，由过剩的表面自由能引起，它是靠分子之间的永久偶极、诱导偶极和四极矩引力而聚集的，又称为范德华吸附。由于这种作用力较弱，对分子结构影响不大，所以也把物理吸附看成为凝聚现象。
化学吸附是在气、固分子之间的作用，并改变了吸附分子的键合状态，吸附中心和吸附质之间发生电子的重新调整和再分配，化学吸附是靠化学键力，由于此种力作用强，所以对吸附分子的结构影响较大，使化学吸附类似化学反应。
吸附分离是靠下述三种机理之一来实现的：位阻效应、动力学效应和平衡效应[15,16]。位阻效应是由沸石分子筛性质产生得来的。在这种情况下，只有小的并具有适当形状的分子才能扩散进入吸附剂，而其它分子都被阻挡在外。动力学分离是借助于不同分子的扩散速率之差来实现的。大多数过程都是通过混合气的平衡吸附来完成的，称为平衡吸附分离过程。
表1.1 物理吸附剂和化学吸附剂特点
性质 物理吸附 化学吸附
吸附力 范德华力 化学键力
吸附热 近于液化热(＜40 mJ/mol) 近于化学反应热(约80～40 kJ/mol)
吸附速度 快 有时较慢
吸附温度 较低(低于临界温度) 高
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