視覺中國供圖

　　3000噸

　　正在建設中的膜法碳捕集示范裝置將實現(xiàn)煙道氣日處理量50000標準立方米，年捕集二氧化碳超3000噸的目標。

關注國家重點研發(fā)計劃

“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術”重點專項⑤

◎實習記者?何?亮

　　在山東省東營市九章膜技術有限公司里，二氧化碳（CO2）分離膜生產線正常運轉，年生產能力可達10萬平方米以上；在中石化南京化工研究院有限公司廠區(qū)內，正在建設中的膜法碳捕集示范裝置將實現(xiàn)煙道氣日處理量50000標準立方米，年捕集CO2超3000噸的目標……相距700千米的兩家公司通力配合，面向燃煤電廠的膜法煙道氣碳捕集技術開展攻關，實現(xiàn)了“節(jié)能”與“節(jié)地”的雙優(yōu)成效。

　　自2017年立項以來，在國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術”專項支持下，天津大學作為項目牽頭單位，聯(lián)合山東九章膜技術有限公司、中國科學院大連化學物理研究所和中石化南京化工研究院有限公司等全國多家單位，共同承擔了“膜法捕集CO2技術及工業(yè)示范”項目。該項目旨在開發(fā)出國際領先的膜法捕集CO2完整技術鏈，并建成CO2捕集率≥90%、產品氣濃度≥95%的膜法碳捕集工業(yè)示范裝置。

　　高效分離和溶解煙道氣中二氧化碳

　　“現(xiàn)階段我國面臨碳排放總量大、碳減排時間短、經濟轉型升級挑戰(zhàn)多和能源系統(tǒng)轉型難度大等復雜挑戰(zhàn)。因此，要實現(xiàn)2060年前的碳中和目標需要采取有力措施?！薄澳しú都疌O2技術及工業(yè)示范”項目負責人、天津大學王紀孝研究員介紹，在煤炭燃燒發(fā)電時排出的煙道氣經脫硫、脫硝等工藝凈化后的主要成分為二氧化碳和氮氣（N2），具有常壓、排放量大、成分復雜和CO2含量低等特點。因而捕集煙道氣中的CO2是實現(xiàn)碳捕獲、利用與封存（CCUS）的重要環(huán)節(jié)，對降低溫室氣體排放、減少極端氣候的發(fā)生具有重要意義。

　　膜分離技術具有分離性能高、運行穩(wěn)定和膜壽命較長的特點，可用于分離各種含有CO2的氣體體系。

　　王紀孝進一步解釋了氣體分離膜的原理。當與膜表面接觸時，氣體分子會溶解在膜表面，并在兩側氣體壓力差或某組分分壓差的驅動下，從膜的一側（原料側）擴散到另一側（滲透側），最終在滲透側解吸。不同的氣體分子在膜中的溶解和擴散速率不同，因而能夠實現(xiàn)混合氣體的分離。

　　“與其他氣體分離技術相比，膜分離技術分離能耗低、無溶劑揮發(fā)；設備簡單、操作方便、運行可靠性高；放大效應不顯著、可適用于各種處理規(guī)模?！蓖跫o孝表示，該項目所使用的膜材料為聚乙烯基胺材料，其中含有大量可與CO2產生可逆相互作用的仲胺基。這些仲胺基促進了CO2在分離膜中的吸附和溶解，并強化了CO2在分離膜中的傳遞，使分離膜具有很高的CO2分離性能。

　　建成國內首套工業(yè)規(guī)模碳捕集膜生產線

　　膜規(guī)模化制備是膜法捕集CO2完整技術鏈的重要一環(huán)。

　　為了實現(xiàn)分離膜規(guī)?；苽洌旖虼髮W于2012年率先研制出了用于制備CO2分離膜的工業(yè)規(guī)模制膜試驗機，并開發(fā)出了高性能復合膜規(guī)模化制備工藝。然而，這套設備存在調節(jié)精度低、生產速度慢和干燥效率低等問題。基于此，天津大學針對逐層復合工藝的要求，確定生產參數范圍，對生產線的涂布單元、干燥單元和收卷單元進行了優(yōu)化設計，最終形成了高性能的分離膜規(guī)?；苽溲b置工藝設計方案。

　　在天津大學的協(xié)助下，山東九章膜技術有限公司建立了國內首套工業(yè)規(guī)模碳捕集膜生產線。要實現(xiàn)示范應用，企業(yè)具有“打通最后一公里”的優(yōu)勢。該生產線配備有恒溫恒濕凈化

　　系統(tǒng)，保證廠房的溫濕度和潔凈度可以滿足高性能分離膜的生產工藝要求，同時保證了在連續(xù)生產過程中廠房內有機溶劑的濃度滿足安全生產規(guī)范的要求。

　　王紀孝透露，目前該生產線能夠均勻制備出幅寬1.1米的高性能CO2分離膜，生產能力可達10萬平方米/年。該生產線上所制備的膜在模擬煙道氣環(huán)境中，體積分數為15%的CO2和85%的氮氣（15%CO2，85%N2）條件下進行了測試。結果顯示，該膜的CO2滲透速率達到商業(yè)膜的6倍以上、CO2和氮氣的滲透選擇性達到商業(yè)膜的3倍。

　　突破工業(yè)規(guī)模膜組件成型技術

　　氣體分離膜在使用之前需要將其單元化，制備成膜組件，以提高裝填密度，便于安裝和更換，并對膜起到保護作用。

　　由于氣體和液體之間的差異較大，目前已經較成熟的水處理膜組件制備工藝無法用于制備高選擇透過性氣體分離膜組件。因此，在充分認識了膜組件流道的流體力學和傳質特性的基礎上，構建與高選擇透過性膜相適應的膜組件流道，以保證低濃差極化、低壓力降和足夠的裝填密度就成為必須突破的關鍵技術之一。

　　面對這道難題，項目團隊從構建組件內部合適的氣體流道出發(fā)，通過計算流體力學方法模擬計算，設計了合理的流道分布，研發(fā)了使得組件內部黏接密封的技術，解決了復雜流道內的流體力學和傳質行為中的科學問題。

　　通過探索卷制工藝，優(yōu)化設備操作參數，項目團隊研發(fā)出了工業(yè)規(guī)模的膜組件制備技術。項目團隊完成的組件批量生產卷制設備，實現(xiàn)了低濃差極化、低壓力降、高裝填密度的工業(yè)規(guī)模膜組件批量生產。

　　集結全國多家單位力量實現(xiàn)應用示范

　　為實現(xiàn)捕集目標且節(jié)能，必須在充分認識膜滲透性能和選擇性能及二者的匹配、膜兩側壓力、原料氣組成等各種因素對捕集效果影響規(guī)律的基礎上，優(yōu)化設計出集成多級（或多級和多段耦合）膜過程以及預處理和能量回收的完整膜分離系統(tǒng)。

　　中石化南京化工研究院有限公司為此開發(fā)了一套適合膜法捕集煙道氣CO2的煙道氣預處理工藝，以減小煙塵對壓縮機、管路、膜組件等的影響，使預處理后的燃煤煙道氣達到膜組件的進氣要求。

　　除此之外，為更可靠地建立示范裝置，項目組還設計、建造并運行了國內首套膜法捕集煙道氣CO2中試裝置，考察了溫濕度波動、煙道氣組成波動等對膜組件性能的影響，系統(tǒng)探究了操作條件對CO2捕集率和濃度的影響。在此基礎上，項目組設計和開發(fā)出國內首套膜法捕集CO2示范裝置工藝包。

　　王紀孝介紹，開發(fā)示范裝置工藝包，需要設計集成完整膜分離系統(tǒng)，建立數學模型，以性能強化和節(jié)能為目標，進行模擬優(yōu)化計算。據此得出膜面積、能耗、成本，確定所需要的膜組件個數和排布方式及管路連接形式，并設計與之相應的動力設備、傳送設備及檢驗設備等成套裝備。

　　目前，在全國多家單位的協(xié)同努力下，膜法捕集CO2工業(yè)示范裝置正在南京建設中，其運行及系統(tǒng)評價將在年內完成，預計將實現(xiàn)CO2捕集率≥90%、產品氣濃度≥95%的煙道氣碳捕集目標。


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