新技术施展“膜”力 发电源头高效捕碳
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三千吨
正在建设的膜法碳捕集示范装置实现烟道气日处理量50000标准立方米，年产二氧化碳超3000吨的目标。
在山东省东营市九章膜技术有限公司，二氧化碳( CO2 )分离膜生产线正常运行，年生产能力可达10万平方米以上。 在中石化南京化工研究院有限公司厂区内，正在建设的膜法碳捕集示范装置实现烟道气日处理量50000标准立方米，年CO2超过3000吨的目标……700公里外的两家公司联手，为燃煤电厂膜法烟道气碳捕集技术攻克难关，“节能”
自2017年立项以来，在国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”的专项支持下，天津大学作为项目牵头单位，与山东九章膜技术有限公司、中科院大连化学物理研究所和中石化南京化工研究院有限公司等全国多家单位共同牵头，组织了“膜法捕集CO2技术与工业示范”项目
该项目旨在开发国际领先的膜法捕集CO2完整技术链，建设CO2捕集率90%、产品气浓度95%的膜法炭捕集工业示范装置。
有效地分离并溶解烟道气体中二氧化碳
“当前，中国面临着碳排放总量大、碳减排时间短、经济转型升级挑战多、能源系统转型难等复杂挑战。
因此，实现到2060年的碳中和目标需要有力措施。
据“膜法捕集CO2技术与工业示范”项目负责人、天津大学研究员王纪孝介绍，燃煤发电排放的烟道气经脱硫、脱硝等工艺净化后主要成分为二氧化碳和氮气( N2 )，常压、排放量大，成分复杂，CO2含量
因此，捕集烟道气中的CO2是实现碳捕获、利用、保存( CCUS )的重要环节，对减少温室气体排放，减少极端气候的发生具有重要意义。
膜分离技术具有分离性能高、运行稳定、膜寿命长的特点，可用于分离各种含CO2的气体系统。
王纪孝进一步解释了气体分离膜的原理。
当与膜表面接触时，气体分子溶解在膜表面，在两侧的气体压力差或某成分分压的驱动下，从膜的一侧(原料一侧)向另一侧)扩散，最终在渗透一侧解吸。
由于不同气体分子在膜中的溶解和扩散速度不同，可以实现混合气的分离。
“与其他气体分离技术相比，膜分离技术分离能低，无溶剂挥发； 设备简单，操作方便，运行可靠性高； 放大效果不显著，可应用于各种处理规模。
王纪孝介绍，该项目的膜材料为聚乙烯胺材料，其中含有大量与CO2发生可逆相互作用的仲胺基团。
这些仲氨基促进CO2在分离膜中的吸附和溶解，加强CO2在分离膜中的传质，使分离膜具有较高的CO2分离性能。
建设国内第一条工业规模的碳捕集膜生产线
膜规模化制备是膜法捕集CO2完整技术链的重要环节。
为了实现分离膜的规模化制备，天津大学于2012年率先开发了用于制备CO2分离膜的工业规模制膜试验机，开发了高性能复合膜的规模化制备技术。
但该设备存在调节精度低、生产速度慢、干燥效率低等问题。
在此基础上，天津大学针对分层复合工艺的要求，确定了生产参数范围，对生产线的涂布单元、干燥单元和卷取单元进行了优化设计，最终形成了高性能分离膜规模化制备装置的工艺设计方案。
在天津大学的协助下，山东九章膜技术有限公司建立了国内第一条工业规模的碳捕集膜生产线。
为了实现示范应用，企业具有“贯通最后一公里”的优势。
这条生产线配备恒温恒湿净化
系统在保证车间温湿度和洁净度满足高性能分离膜生产技术要求的同时，在连续生产过程中保证了车间内有机溶剂的浓度满足安全生产规范的要求。
王纪孝介绍，目前，该生产线能均匀制备宽1.1米的高性能CO2分离膜，产能可达10万平方米/年。
该生产线制备的膜在模拟烟道气环境中，在体积分数为15%的CO2和85%的氮气( 15 % CO2，85 % N2 )的条件下进行了测试。
结果表明，该膜的CO2渗透速率可达商业膜的6倍以上，CO2和氮气的渗透选择性可达商业膜的3倍。
突破工业规模的膜模块成形技术
气体分离膜在使用前需要进行单元化，制备成膜组件，以提高装填密度，便于安装和更换，保护膜。
由于气体和液体差异较大，目前成熟的水处理膜组件制备工艺不能用于高选择性气体分离膜组件的制备。
因此，在充分认识膜组件流道流体力学和传质特性的基础上，构建适合高选择性膜的膜组件流道，确保低浓度极化、低压降和足够装填密度成为亟待突破的关键技术之一。
面对这一难题，项目组从构建组件内部合适的气体流路出发，计算流体力学方法的模拟计算，设计合理的流路分布，开发了组件内部粘接密封技术，解决了复杂流路内流体力学和传递行为中的科学问题。
通过探索卷取工艺，优化设备操作参数，项目组开发了工业规模的膜组件制造技术。
项目组完成的组件批量生产卷取设备，实现了低浓度极化、低压降、高装填密度的工业规模膜组件批量生产。
凝聚全国多方单位力量实现应用示范
为了达到捕集目标并实现节能，在充分认识膜的渗透性能和选择性能以及两者匹配、膜两侧压力、原料气组成等诸多因素对捕集效果的影响规律的基础上，进行多级(或多级耦合)膜集成的过程和预处理与能耗
中石化南京化工研究院有限公司为此开发了膜法捕集烟道气CO2的烟道气预处理技术，降低烟尘对压缩机、管路、膜组件等的影响，使预处理后的燃煤烟道气达到膜组件的进气要求。
此外，为了更可靠地建立模型装置，项目组设计、建造、运行了国内首台膜法捕集烟道气的CO2中试装置，考察了温湿度波动、烟道气组成波动等对膜组件性能的影响，系统分析了操作条件对CO2捕集率和浓度的影响
在此基础上，项目组设计并开发了国内首个膜法捕集CO2示范装置工艺包。
王纪孝表示，开发演示装置工艺包，需要设计集成完整的膜分离系统，建立数学模型，以强化性能和节能为目标进行模拟优化计算。
据此计算出膜面积、能耗、成本，确定所需膜组件数量和配置方式以及管路连接形式，设计相应的动力设备、输送设备及检测设备等成套设备。
目前，在全国多家单位的配合下，膜法捕集CO2的工业示范装置正在南京建设中，其运行和系统评价预计年内完成，实现CO2捕集率90%、产品气浓度95%的烟道气碳捕集目标。
资料来源：科技日报