《低碳技术与节能减排》课件-项目六 油气资源清洁利用

减碳技术—油气资源清洁利用任务1天然气的脱碳技术项目六课程导入天然气作为一种清洁、高效的化石燃料，在能源结构中的比例不断增大。在天然气应用过程中，其中的CO2含量过高，会降低天然气的热值和管输能力。在水溶液存在下，天然气中的CO2会对设备管道造成严重的腐蚀。另外，低温时，CO2会变成干冰析出，堵塞管道。因此，在天然气应用时，必须进行脱碳处理。按国家标准，1m3天然气商品中CO2含量不应超过3%。天然气商品中CO2含量不应超过3%。物理吸收法内容提要化学吸收法物理-化学吸收法膜分离法01物理吸收法物理吸收法是指采用有机化合物为吸收溶剂，对天然气中的酸性组分进行物理吸收而将它们从气体中脱除。Ci——某气体在某溶剂中饱和溶液的浓度；Pi——某气体的分压；Ki——溶解常数，与气体和溶剂的性质有关；与温度有关，通常随温度升高而减小。吸收操作在高压低温下进行，解吸在高温低压下进行。

物理吸收法遵循亨利定律：Ci=KiPi01物理吸收法0102溶剂吸收能力强，适宜于处理酸性气分压高的原料气；溶剂不易变质，无腐蚀，对设施、装置无苛刻要求。不宜用于重烃含量高的原料气；受溶剂溶解平衡的影响，再生程度受到一定限制，净化度比不上化学吸收法。优点缺点物理吸收法的流程一般较简单，主要设备有吸收塔、闪蒸塔和循环泵。溶液通常靠多级闪蒸进行再生，不需要蒸汽和其它热源。当净化度要求较高时，则需采用汽提或真空闪蒸真空解吸、惰性吹脱和加热溶剂等较为复杂的方法进行再生。02化学吸收法化学吸收法是以可逆化学反应为基础，以碱性溶液为吸收溶剂，在低温高压下，溶剂与原料气中的酸性组分（主要是CO2和H2S）反应生成某种化合物，在升高温度、降低压力的条件下该化合物又能分解放出酸气并使溶剂得以再生。化学吸收法最具代表性的是醇胺法和碱性盐溶液法。醇胺法常用的吸收剂单乙醇胺（MEA）二乙醇胺（DEA）二异丙醇胺（DIPA）甲基二乙醇胺（MDEA）等碱性盐溶液法改良热钾碱法氨基酸盐法等02化学吸收法醇胺和CO2的反应为可逆放热反应。在吸收塔内，酸性组分压力较高，且温度较低时，反应平衡向右移动，原料气中的酸性组分被脱除；在再生塔内，酸性组分压力较低，且温度较高时，反应平衡向左移动，溶液释放出酸性组分，实现溶液再生。2RNH2+CO2=RNHCOONH3R（1）

03物理-化学吸收法物理-化学吸收法使用化学溶剂和物理溶剂的混合液，兼有化学吸收和物理吸收两类方法的特点。迄今为止，工业上应用最广泛的物理-化学吸收法是砜胺法，也称萨菲诺法。物理-化学吸收法不仅有良好的选择性，还有能脱除有机硫和溶液的硫负荷均较高的特点。砜胺法的优点酸气负荷高消耗指标低净化度高溶剂损失量小对设备腐蚀较轻微萨菲诺法的原理：环丁砜和水对酸性组分的吸收属于物理吸收，醇胺对酸性组分的吸收属于化学吸收。萨菲诺法的溶液组成：环丁砜、醇胺和水。04膜分离法膜分离法是使用一种选择性渗透膜，利用不同气体渗透性能的差别而实现酸性组分分离的方法。图1膜分离法原理图膜分离法基本原理是原料气中的各个组分在压力作用下，因通过半透膜的相对传递速率不同而得以分离。用于气体分离的膜可分为多孔膜、均质膜（非多孔膜）、非对称膜及复合膜四类。膜分离法最适用于高酸性气体处理。膜分离法的优点：1.膜分离过程中不发生相变化，因而能耗低。2.分离过程不涉及化学药剂，副反应少，腐蚀小。3.设备简单，过程易操作。巩固总结重点难点物理吸收法化学吸收法物理-化学吸收法膜分离法减碳技术—油气资源清洁利用任务2CO2捕集技术项目六课程导入随着社会经济的发展，化石燃料燃烧所导致的空气污染和温室效应已经严重威胁着人类赖以生存的地球环境。依据我国富煤、贫油、少气的能源现状，煤炭将是我国未来石油和天然气的最佳替代品。为实现节能减排的战略目标，迫切需要发展CO2捕集和封存（CCS）技术。CO2捕集是指将CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程。内容提要01溶剂吸收法02膜分离法03吸附分离法04离子液体法05其他分离方法01溶剂吸收法在CO2分离方法中，溶剂吸收法是当前应用最为广泛的方法。根据采用吸收溶剂种类的不同，溶剂吸收法主要分为化学吸收法、物理吸收法和化学物理吸收法三类。溶剂吸收法的基本工艺流程如图1所示。通常包含CO2的吸收和溶剂的再生两个步骤。01溶剂吸收法化学吸收法脱除CO2分实质是利用碱性吸收剂溶液与烟气中的CO2分接触并发生可逆化学反应，形成不稳定的盐类，而盐类在一定条件下会逆向分解释放出CO2分而再生，从而达到将CO2分从烟气中捕集与吸收剂重复利用的目的。常用化学吸收剂包括氨水、碳酸钠/氢氧化钠、碳酸钾等无机吸收剂和醇胺等有机吸收剂。化学吸收法物理吸收法是利用CO2分在吸收溶剂中进行溶解而实现脱除的方法。物理吸收法的优点是工艺流程简单，吸收在低温、高压下进行，吸收能力大，吸收剂用量少，再生容易，不需要加热，采用降压或常温汽提的方法，因而能耗较低，投资及操作费用也较低。物理吸收法在合成气的净化处理方面应用较多。物理吸收法包括低温甲醇洗、水洗和碳酸丙烯酯法。物理吸收法01溶剂吸收法由醇胺和物理溶剂混合而成的化学物理溶剂法因兼具物理吸收和化学吸收性能而获得较为广泛的应用。这类工艺多用于含有机硫的气体进行脱硫和脱碳。化学物理吸收法02膜分离法膜分离法是借助混合气体中各组分在膜中渗透速率的不同而获得分离的方法，膜分离法的原理如图2所示。膜分离法被认为是最具吸引力的一个分离过程。目前用于烟道气中与天然气中CO2脱除的分离膜主要表现为聚合物分离膜、膜接触器和促进传递膜等。图2膜分离法原理02膜分离法聚合物分离膜分离CO2的原理是，依靠CO2气体与薄膜材料之间的化学或者物理作用，使得CO2快速溶解并穿过该薄膜，从而使该组分在膜原料侧浓度降低，而在膜的另一侧CO2达到富集。聚合物分离膜图2聚合物膜分离技术原理02膜分离法膜接触器是膜与气体吸收技术相结合的新型膜分离过程。气-液膜接触器具有很高的比表面积，它兼有传统溶剂吸收和膜分离的优点，在烟道气中CO2和其他酸性气体脱除方面具有较强的竞争力。膜接触器促进传递膜是在膜内引入载体，通过待分离组分与载体之间发生可逆化学反应而实现对酸性气体的分离。促进传递膜03吸附分离法气体吸附分离法包括物理吸附和化学吸附。物理吸附主要是借助气体分子与固体表面的范德华力作用，化学吸附是由于气体和固体之间产生电子转移，两者产生了化学键力，较范德华力大得多。固态吸附材料具有操作方法较为简单，成本低廉，并且对设备无腐蚀性等优点在近年来备受国内外关注。图3吸附分离法原理04离子液体法离子液体是指在常温范围内完全由离子组成的液体物质。离子液体几乎无蒸气压的特性，可以有效地缓解有机胺吸收法中有机胺的排放引起的污染问题。同时，因为其良好的热稳定性，离子液体可以在较高的温度下完成解吸并循环使用。更为重要的是，可以针对CO2和气体，可按照实际需要进行分子设计并合成出高吸收容量的功能化离子液体。05其他分离法富氧燃烧法是利用空分系统获得富氧或纯氧，然后将燃料与氧气一同输送到专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，生成烟气的主要成分是CO2和水蒸气。烟气经干燥脱水后，CO2和浓度可达95%。图4富氧燃烧CO2捕集流程化学链燃烧技术是与空气不直接接触的情况下，燃料与金属氧化物反应，CO2产生在专门的反应器中，从而避免了空气对CO2的稀释。金属氧化物与燃料进行隔绝空气的反应，产生热能、金属单质以及CO2和水，金属单质再输送到空气反应器中与氧气进行反应，再生为金属氧化物。反应生成的CO2和水处于反应器中，所以CO2的捕获非常容易。该法的经济性要依靠大量可以无数次循环再生的有活性的载氧体，控制载氧体的磨损和惰性是该技术的关键。由于其经济性好，作为烟气中捕集分离CO2的方法前景看好。复合分离法主要是石灰石脱除燃煤烟气中的CO2和，该法目前已广泛用于燃煤烟气脱硫，适合于流化床。巩固总结重点难点01溶剂吸收法02膜分离法03吸附分离法04离子液体法05其他分离方法减碳技术—油气资源清洁利用任务3CO2封存技术项目六课程导入当前，人类社会正面临着“温室效应”加剧、全球气候变暖的严峻挑战。为此，世界各国开展了一系列的温室气体减排行动。具体的措施包括：提高能源利用效率；实现能源结构向低含碳量燃料转变；开发核能、太阳能、氢能等清洁能源。其中CO2捕集和封存（CCS）技术作为未来实现低碳经济转型的重要环节，以其高效的减排能力受到广泛关注。地质封存矿石碳化内容提要海洋封存01地质封存地质封存是将二氧化碳加压灌注到合适的地层中，然后通过物理和化学俘获机理实现永久封存。石油和天然气储层、深盐沼池构造和不可开采的煤层等三种类型的地质构造可用于CO2的地质封存。图1深井压裂注入方法为把CO2储存到地底下，作为地质结构条件必须具有储存层、密封层和密封结构。作为储存层，以多孔质、具有渗透性的岩石层为宜，这种岩石层相当于孔隙大的含水层。CO2在地底下的储存深度通常也称为地下深部盐水层，这是因为地层水的盐分高，故而称之为地下深部盐水层。作为密封层，有渗透率低的页岩和泥质岩等。作为密封结构，必须是储存层的上部具有密封层的结构，如岩穹结构等。因此，所谓的CO2在地底下的储存，就是把超临界状态下的CO2压入地底下800m深的含水层，利用防止气体和液体向储存层上部渗透的冠岩层，可将CO2长期、稳定地密封在地底下。01地质封存与地质封存关联的另一种处理方式是CO2的再利用。即将CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。这种方案比较具有吸引力，因其能够从额外开采的石油中部分补偿CO2的储存成本，但缺点是这类油田的地理分布不均，且开采潜力有限。如果二氧化碳从封存的地点泄漏到大气中，那么就可能引发显著的气候变化。如果泄漏到地层深处，就可能给人类、生态系统和地下水造成灾害。此外，对地质封存二氧化碳效果进行测试的科学家发现，被注入地层深处的二氧化碳还会破坏储藏带的物质。CO2在地底下的储存技术可应用于增加地底下储藏的天然气的开采量和石油增产回收等，因此它被认为是一种实用、有效的方法。02海洋封存海洋封存是指通过管道或船舶将二氧化碳运输到海洋封存的地点，将二氧化碳注入海洋的水柱体或海底。图3海洋封存示意图目前CO2的海洋封存主要有两种方案一种是通过船或管道将CO2输送到封存地点井注入1000m以上深度的海中，使其自然溶解；另一种是将CO2注入3000m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此会在海底形成固态的CO2水化物或液态的CO2“湖”，从而大大延缓了CO2分解到环境中的过程。02海洋封存海洋封存是指通过管道或船舶将二氧化碳运输到海洋封存的地点，将二氧化碳注入海洋的水柱体或海底。图3海洋封存示意图在海洋封存二氧化碳的研究中，海洋生态环境是一个必须要慎重考虑的环节。深海中的洋流运动以及密度差、温度差等引起的海水运动甚至包括还没有被我们发现的大型深海动物的出现都有可能影响到我们在海洋中封存二氧化碳的技术实施。02海洋封存这一方法存在许多问题：海洋处置费用昂贵。二氧化碳进入海洋会对海洋生态系统产生危害。研究表明，海水中如果溶解了过多的二氧化碳，海水的pH值就会下降，这可能对海洋生物的生长产生重要的影响。海洋处置绝非一劳永逸之举，贮藏在海洋中的二氧化碳会缓慢地逸出水面，回归大气。因此，二氧化碳的海洋处置只能暂时缓解二氧化碳在大气中的积累，并非是一劳永逸的。被溶解和消散的二氧化碳随后会成为全球碳循环的一部分。03矿石碳化与其他封存方式相比，具有许多优点：由于碳酸盐的热稳定性及其对环境无任何影响，因此二氧化碳矿物封存是一种最安全、最永恒的固定方式；用于二氧化碳矿物封存的原料来源丰富、储量巨大、价格低廉，因此具有大规模固定的潜力和经济效益。由于碳酸盐的自由能比二氧化碳的要低，因此，矿物碳酸化反应从理论上来讲是可行的。二氧化碳的矿物封存主要是利用各种天然存在的矿石与二氧化碳进行碳酸化反应得到稳定的碳酸盐的方法来储存二氧化碳03矿石碳化二氧化碳的矿物封存主要是利用各种天然存在的矿石与二氧化碳进行碳酸化反应得到稳定的碳酸盐的方法来储存二氧化碳以含有钙镁硅酸盐的矿石为例，CO2与钙镁硅酸盐反应的一般形式为:MSiOH(s)+xCO(g)—―xMCO(s)+ySiO(s)+zHO(l/