选用硅酸盐和活性炭的吸附法在主要工程中的应用

2.3.1 基本原理

用活性炭和（或）分子筛吸附是一种常见的从富含氢气的水蒸气中移除二氧化碳和其他杂质的商业化技术，这些富含氢气的水蒸气是从水蒸气重组或者天然气转化中得到的。吸附是基于分子间相互物理化学作用进行的，这些分子吸附在有较大表面积的微孔固体的内表面。在某种意义上来说，从废气中回收二氧化碳的情况与上述情况相似，二氧化碳同可能出现的硫化物和碳氢化合物一起牢牢地被吸附在吸附剂内，但是一些比较“轻”的组分，比如氮气，氧气和一氧化碳则将很少保留甚至完全不会被吸附。

就像液体溶剂的吸附一样，固体吸附剂也需要再生，这可以用热循环（温度转换吸附，TSA）和/或压力循环（压力转换吸附，PSA/真空转换吸附，VSA）^[5，6]来完成。因此再生能量分析就与吸附能量分析很类似。

与液体溶剂吸附技术上的主要差异是：因为固体微粒不方便循环流动，所以要采用固定床，要经过连续的吸附和解吸附步骤，形成一个时间循环。比起经典的稳态逆流操作，对于非专业人员，此过程的动态性质更难分析和理解，必然会阻碍吸附工艺的接受程度。其他影响固体吸附过程的重要因素讨论如下：

●气体的预处理。这比起吸附要求更严格，由于固体吸附的限制，不可逆现象（吸附了太重的成分，微粒阻塞了孔）更难补救。

●二氧化碳的纯度。吸附很容易达到很高的纯度以及可以回收很少被吸附的成分，但是不回收具有强力吸附能力的成分（这里指二氧化碳），因为二氧化碳的回收是通过解吸过程实现的。然而，PSA循环要达到这样的结果，必须以采用一些复杂的方法为代价，例如用真空解吸和用高压洗涤生成物。

●温度。吸附能力很大程度上取决于温度。通常我们认为只有在低温或者环境温度下才可应用；这些气体可能要比预处理更需要冷却。但是，这个论点值得更进一步检验：对于整个循环，更高的温度可能更有利。

●吸附剂。主要工程中选用的吸附剂有硅酸盐和活性炭。硅酸盐相当贵，受到相反类型物质造成的不可逆污染的限制，通常对水敏感，并且很难在吸收二氧化碳后再生。另一方面，比起活性炭，硅酸盐能吸附更多质量的二氧化碳（0.1bar的部分压力下，按mol/kg计算，大约高出3倍），如果按体积算的话会更高，因为其密度较高。另外，低铝硅酸盐（硅石对水不敏感）、活性炭，尽管它们的吸附能力低，但是具有容易再生的优点，所以流程循环最优的情况下可能会产生更强的工作能力，前提是其操作循环是经过最优化的。可以采用组合的吸附剂，包括氧化铝或二氧化硅（吸附水），当前的商业化PSA电厂中都是这样做的。其中硫是一个问题：对于任何标准的吸附剂，存在硫化物情况下都不会再吸附二氧化碳，所以这些硫化物必须在先于二氧化碳捕获前在脱硫过程中直接去除或者与二氧化碳的吸附同时处理，这意味着实现吸附剂再生变得更困难。混合de-NO_x和de-SO_x以及脱碳过程有待设计。(www.xing528.com)

●生产力、解吸附步骤和循环时间。吸附过程的循环时间可能会有很大的差异。单位时间内、单位质量的吸附剂可以处理的气体总量很大程度上取决于循环时间；短循环时间所需要的吸附剂量少，即使每个工作周期的能力较低也可能具有较高的生产效率。温度转换循环（TSA）可能并不适合，原因是加热和/或冷却吸附剂需要时间，同时还不能稀释二氧化碳。可以采用过热蒸汽来解吸且效率高，但是冷却是不可避免的，以及在某种程度上需要干燥反应床。因此，压力转换或者真空转换循环（PSA或VSA）是更适合的选择。

●压力转换和真空转换吸附。压力转换循环的所有步骤都可以很快执行完毕（循环时间可能是几分钟）。但是，在普通的环境下（常用的吸附剂、环境温度、低压吸附、大气压力下解吸附），二氧化碳吸附循环的工作能力很小，吸附剂几乎完全饱和。为了提高工作能力，必须在低于大气压下解吸附，例如0.05bar（可用液环泵），这样就可以在VSA循环中实施吸附。这是完全可行的，并已在工业得到应用，但是需要付出一些代价：实现真空要比简单的减压需要更多的时间；真空泵比压缩机更贵且需要更多的空间；再压缩会耗费额外的能量。另外一种方案是在比环境温度高的温度下运行整个循环（例如40℃，此时吸附能力仍然很高）。这些不同方案还并没有得到充分研究及优化。

对PTSA循环（压力和温度循环）进行了试验测试，根据测试结果估计得到的吸附过程中能量损耗大概为2GJ/t二氧化碳^[7]，这比胺吸附过程得到的数据要低，但这里是电能损耗。

2.3.2 工艺设计方面

大部分对吸附法捕获二氧化碳的研究都假设所用装置与工业煤气净化所用的装置类似。但是，二氧化碳捕获问题明显不同，我们认为工艺设计需要从头开始重新考虑。特别是由于需要处理大量的气体，典型的圆柱塔看起来并不合适。将大而薄的吸附层阵列彼此直立平行放置，之间留很小的空隙，这样便构成了一个可大量吸附的紧凑布置，可在合适气压落差下，允许大量气体高速流过。这样的布置可用于某些场所（例如机场）实现空气控制。我们仍需要沿着这个方向开展一些基础研究。

为了给出一些直观的数据，以一个300MW_e的电厂作为参考，每小时生成6000kmol的二氧化碳，废气中二氧化碳的浓度是10%，总流速是375m³/s。在0.5m³/s这一合理的气体空隙速度，以及正常压力和温度条件下，需要的横截面的等级是2000m²。厚度为1m的反应床，其基本吸附体积是2000m³。假设每个单元的工作能力是0.15mol/kg或者75mol/m³（是普通的活性炭平均能力的40%），那么总的工作能力是150000mol，注入的二氧化碳的回收率是60%（捕获速度是1000mol/s），吸附时间为150s，这个时间确实很短。同时，若为连续运行设计一个合适的切换方案，上述的吸附体积至少要扩大到2倍，甚至3倍或4倍。所有这些数据都需要仔细确认，但绝不是因为这些数据不合理。除了再生效率，另一个关键点是这个接触时间（2s）的突破，这与设想的60%的回收率不协调。这就可能需要在当前可接受的纯度和回收率之间进行折中。