CO2捕集技術之固體吸附劑技術

由于溶劑吸收技術的缺點，促使了固體吸附劑CO2捕集技術的開發。相較于傳統胺基捕集工藝，使用固體可再生吸附劑從煙氣中捕集CO2的工藝技術具有顯著優勢，例如可再生能耗低、吸附容量大、選擇度、易于處理等優勢。

目前捕集CO2的固體吸附劑包括沸石13X、金屬有機骨架（MOF）、活性炭、負載型堿金屬碳酸鹽等。其中，負載型堿金屬碳酸鹽作為變溫吸附工藝稀釋氣流中CO2的捕集介質，被廣泛研究。堿金屬碳酸鹽能在50~100℃捕集CO2，在120~200℃再生，可用于燃煤發電廠濕法脫硫煙氣（FGD）中的CO2捕集。堿金屬碳酸鹽吸附劑主要缺點是需要較高再生溫度和固相處理。

負載型堿金屬碳酸鹽吸附劑可與水形成水合物，水合物在70~90℃條件下捕集CO2形成碳酸氫鹽。溫度達到120~130℃時，碳酸氫鹽分解并釋放出CO2和水的混合物，混合物可通過蒸汽冷凝轉化為可封存CO2。與胺基吸附不同，該工藝的水分蒸發無需熱量。水合吸附劑能在70~90℃較高溫度下吸附，并在120~130℃再生。因此，吸附和再生溫差僅為40~50℃，可使用熱泵進一步降低熱量需求。吸附和再生低溫差有助于吸附劑加熱和冷卻。

水合吸附劑CO2捕集（HSC）工藝，可滿足商業化裝置所需基本特性。水合吸附劑具有高吸附容量、快速吸附和解吸動力學以及多循環穩定性等優勢。該工藝利用固體載體上負載碳酸鉀作為吸附劑。盡管固體吸附劑活性物質負載量較高，但仍具有更高表面積（35 m2/g）和孔體積（0.15 cm3/g）。同時固體吸附劑具有更高吸附容量（3.2 mmol/g）、多周期穩定性、較低再生溫度（120~130℃）和對煙氣雜質（SOx、NOx、O2等）的穩定性等優點。

水合吸附劑工藝可用于天然氣發電廠產生的煙氣（0.5 kg/t CO2），以及濕法FGD燃煤發電廠煙氣（SOx＜20 μg/g）。由于水合吸附劑對NOx的惰性，預計其NOx耐受性優于胺基工藝。與傳統胺基工藝不同，水合吸附劑無需擔心煙氣中存在氧氣。

吸附劑和工藝優化目標是降低HSC工藝運營成本。通過水和反應實現吸附劑可再生，降低了HSC工藝總熱量需求，從非水合的141 kJ/mol CO2顯著降低至70 kJ/mol CO2。由于固體吸附劑沒有水分蒸發導致的熱蒸發，與應用傳統胺基工藝的燃煤發電廠或催化裂化（FCC）煙氣和天然氣發電站相比，捕集每噸CO2的總能源需求降低了60%~70%。

此外，水合吸附劑吸附反應和解吸反應溫差較小，可使用熱泵系統有效利用煉廠或發電廠120~ 180℃的低溫流，同時能耗可降低至傳統胺類吸收（CAAP工藝）的80%~90%。近期，一套中試裝置使用高容量HSC吸附劑循環流化床，該工藝在穩定狀態下達到93%的CO2去除率。高容量HSC吸附劑具有3.2 mmol/g的CO2捕集能力，是目前已發表的胺基和固體吸附劑研究中的最高值之一。

HSC工藝中循環流化床傳熱率良好。吸附劑在使用狀態下具有熱穩定性、耐磨性、無腐蝕性、非粘性或自由流動等優點，同時具有Geldart-A類顆粒良好傳熱和流化性能。水合吸附劑工藝在CO2捕集方面明顯優于商業化溶劑工藝。水合吸附劑工藝中每摩爾CO2捕集所需凈能量僅為傳統胺基工藝的40%，同樣也低于受阻胺工藝。同時，水合吸附劑工藝擁有更低CO2捕集成本。

受阻胺溶劑吸收工藝在CO2捕集和降低資本支出與運營成本方面顯現出發展潛力。然而，水合固體吸附劑的最新研究進展顯示出其可替代溶劑型工藝。胺基溶劑與煙氣接觸，需要一定高度和體積的吸收器滿足質傳遞要求，而水合固體吸附劑使用循環床系統則沒有高度要求。同時與胺基溶劑相比，水合固體吸附劑可在單個容器中實現更高吸附量。

由于容器尺寸無需特殊冶金工藝，水合固體吸附劑總體運營成本比傳統胺基工藝低70%，資本支出比傳統胺基工藝低40%。水合固體吸附劑具有良好持續吸附循環能力和大于90%的CO2去除效率，同時可獲得純度99%的CO2。