让低浓度二氧化碳变废为宝——记西安交通大学化工学院低浓度二氧化碳捕集利用技术

  5月下旬,马来西亚齐力铝业集团公司总经理Ivan Gan等专程来到陕西西安,与西安交通大学化工学院教授张早校等,就万吨级二氧化碳捕集利用工艺包技术深入交流。记者上周采访获悉,他们青睐的正是西安交通大学碳捕集利用团队研发的低浓度二氧化碳低耗、高效捕集利用新技术。

  电力、钢铁、石化、化工、建材等高耗能行业燃烧过程产生的烟气/尾气中的二氧化碳含量在10%~20%,尽管属低浓度二氧化碳气源,但若大量排放无疑加重全球气候温室效应。近年来,尤其是“双碳”目标提出以来,低浓度二氧化碳捕集利用引起业内重视,燃煤和燃气电厂烟气二氧化碳捕集利用示范项目在陕西榆林、辽宁大连相继投运。作为末端减碳的措施,二氧化碳捕集主要采用溶剂吸收法、变压吸附法等工艺技术,捕集吸收溶剂采用胺类水溶液,即二氧化碳与胺类混合水溶液反应,被吸收、加热解吸后提纯。

  “这些传统方法存在能耗高、解吸温度高等不足,导致二氧化碳捕集利用成本较高。”西安交通大学化工学院副院长余云松告诉记者。

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  20多年前,西安交通大学碳捕集利用团队在国家自然科学基金委等的支持下,开展低浓度二氧化碳捕集利用相关研究攻关,包括高效的吸收/吸附材料开发、捕集二氧化碳新工艺和装备、过程集成及场协同优化等。

  据余云松介绍,他们基于DFT(密度泛函理论)模型、CFD(计算流体动力学)及过程集成理论,构建了准确的捕集利用二氧化碳的反应传热传质模型等。在传统二氧化碳吸收解吸的基础上,他们提出了光—热—电耦合富液循环及气液多股进料新思路,从装备、工艺等多方面提升二氧化碳捕集效果。通过开展大量实验,克服溶剂挥发、筛选材料配方等困难,他们终于研发成功一种具有自主知识产权的碱性非水溶剂,以及多级环套型高效填料塔、喷雾塔、解吸转化一体塔等关键装备,实现反应器内传热传质优化,提高能量利用效率。

  二氧化碳这种酸性气体,其吸收、解吸环节分别属放热和吸热反应。西安交通大学碳捕集利用团队创新将吸收过程的余热通过热电转换,电能用于解吸,实现能量循环利用,并且解吸温度由120℃降至80℃~90℃,可大幅降低能耗。技术和装备的有机结合,不但将工业尾气低浓度二氧化碳提纯到90%以上,得到高纯度的二氧化碳产品,而且单位产品耗能仅1.8吉焦/吨二氧化碳,远低于常规的胺类水溶剂3吉焦/吨二氧化碳,二氧化碳捕集成本从350元/吨降低至150元/吨左右。

  技术开发期间,该团队发表二氧化碳捕集利用方面的论文100余篇,其中SCI收录50余篇;申请国家发明专利20余件,其中获发明专利授权15件,专利转化3件。

  产学研紧密结合才能促进成果转化和产业科技进步。2018年,西安交通大学碳捕集利用团队与我国某大型企业合作,针对复杂环境建立首个500吨/年二氧化碳工业试验装置,目前运行效果良好。

  近年来,这项新技术引起了业内高度关注,前来交流技术、寻求合作的国内外企业络绎不绝。余云松透露,他们正在为国内某大型企业开发设计百万吨级低浓度二氧化碳捕集工艺包。

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  去年5月,该团队与马来西亚齐力铝业集团公司首次接触后,双方很快达成了合作意向,目前万吨级二氧化碳捕集利用工艺包设计已完成。

  科技创新无止境。西安交通大学碳捕集利用团队进一步瞄准二氧化碳捕集利用方向,正在攻关探索单原子催化溶剂等一批原创性、颠覆性成果,为实现“双碳”目标贡献科技力量。

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