在山東省東營市九章膜技術(shù)有限公司里，二氧化碳(CO2)分離膜生產(chǎn)線正常運轉(zhuǎn)，年生產(chǎn)能力可達(dá)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(nèi)，正在建設(shè)中的膜法碳捕集示范裝置將實現(xiàn)煙道氣日處理量50000標(biāo)準(zhǔn)立方米，年捕集CO2超3000噸的目標(biāo)……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(shù)開展攻關(guān)，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(shù)”專項支持下，天津大學(xué)作為項目牽頭單位，聯(lián)合山東九章膜技術(shù)有限公司、中國科學(xué)院大連化學(xué)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(dān)了“膜法捕集CO2技術(shù)及工業(yè)示范”項目。該項目旨在開發(fā)出國際領(lǐng)先的膜法捕集CO2完整技術(shù)鏈，并建成CO2捕集率≥90%、產(chǎn)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(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級挑戰(zhàn)多和能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型難度大等復(fù)雜挑戰(zhàn)。因此，要實現(xiàn)2060年前的碳中和目標(biāo)需要采取有力措施。”“膜法捕集CO2技術(shù)及工業(yè)示范”項目負(fù)責(zé)人、天津大學(xué)王紀(jì)孝研究員介紹，在煤炭燃燒發(fā)電時排出的煙道氣經(jīng)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(fù)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(shù)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(jì)孝進(jìn)一步解釋了氣體分離膜的原理。當(dāng)與膜表面接觸時，氣體分子會溶解在膜表面，并在兩側(cè)氣體壓力差或某組分分壓差的驅(qū)動下，從膜的一側(cè)(原料側(cè))擴(kuò)散到另一側(cè)(滲透側(cè))，最終在滲透側(cè)解吸。不同的氣體分子在膜中的溶解和擴(kuò)散速率不同，因而能夠?qū)崿F(xiàn)混合氣體的分離。

“與其他氣體分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)分離能耗低、無溶劑揮發(fā);設(shè)備簡單、操作方便、運行可靠性高;放大效應(yīng)不顯著、可適用于各種處理規(guī)模。”王紀(jì)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(chǎn)生可逆相互作用的仲胺基。這些仲胺基促進(jìn)了CO2在分離膜中的吸附和溶解，并強(qiáng)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(nèi)首套工業(yè)規(guī)模碳捕集膜生產(chǎn)線

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

為了實現(xiàn)分離膜規(guī)模化制備，天津大學(xué)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(jī)，并開發(fā)出了高性能復(fù)合膜規(guī)模化制備工藝。然而，這套設(shè)備存在調(diào)節(jié)精度低、生產(chǎn)速度慢和干燥效率低等問題。基于此，天津大學(xué)針對逐層復(fù)合工藝的要求，確定生產(chǎn)參數(shù)范圍，對生產(chǎn)線的涂布單元、干燥單元和收卷單元進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最終形成了高性能的分離膜規(guī)模化制備裝置工藝設(shè)計方案。

在天津大學(xué)的協(xié)助下，山東九章膜技術(shù)有限公司建立了國內(nèi)首套工業(yè)規(guī)模碳捕集膜生產(chǎn)線。要實現(xiàn)示范應(yīng)用，企業(yè)具有“打通最后一公里”的優(yōu)勢。該生產(chǎn)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(chǎn)工藝要求，同時保證了在連續(xù)生產(chǎn)過程中廠房內(nèi)有機(jī)溶劑的濃度滿足安全生產(chǎn)規(guī)范的要求。

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

突破工業(yè)規(guī)模膜組件成型技術(shù)

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(hù)作用。

由于氣體和液體之間的差異較大，目前已經(jīng)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(rèn)識了膜組件流道的流體力學(xué)和傳質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建與高選擇透過性膜相適應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)之一。

面對這道難題，項目團(tuán)隊從構(gòu)建組件內(nèi)部合適的氣體流道出發(fā)，通過計算流體力學(xué)方法模擬計算，設(shè)計了合理的流道分布，研發(fā)了使得組件內(nèi)部黏接密封的技術(shù)，解決了復(fù)雜流道內(nèi)的流體力學(xué)和傳質(zhì)行為中的科學(xué)問題。

通過探索卷制工藝，優(yōu)化設(shè)備操作參數(shù)，項目團(tuán)隊研發(fā)出了工業(yè)規(guī)模的膜組件制備技術(shù)。項目團(tuán)隊完成的組件批量生產(chǎn)卷制設(shè)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(chǎn)。

集結(jié)全國多家單位力量實現(xiàn)應(yīng)用示范

為實現(xiàn)捕集目標(biāo)且節(jié)能，必須在充分認(rèn)識膜滲透性能和選擇性能及二者的匹配、膜兩側(cè)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(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計出集成多級(或多級和多段耦合)膜過程以及預(yù)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(yù)處理工藝，以減小煙塵對壓縮機(jī)、管路、膜組件等的影響，使預(yù)處理后的燃煤煙道氣達(dá)到膜組件的進(jìn)氣要求。

除此之外，為更可靠地建立示范裝置，項目組還設(shè)計、建造并運行了國內(nèi)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(chǔ)上，項目組設(shè)計和開發(fā)出國內(nèi)首套膜法捕集CO2示范裝置工藝包。

王紀(jì)孝介紹，開發(fā)示范裝置工藝包，需要設(shè)計集成完整膜分離系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型，以性能強(qiáng)化和節(jié)能為目標(biāo)，進(jìn)行模擬優(yōu)化計算。據(jù)此得出膜面積、能耗、成本，確定所需要的膜組件個數(shù)和排布方式及管路連接形式，并設(shè)計與之相應(yīng)的動力設(shè)備、傳送設(shè)備及檢驗設(shè)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(shè)中，其運行及系統(tǒng)評價將在年內(nèi)完成，預(yù)計將實現(xiàn)CO2捕集率≥90%、產(chǎn)品氣濃度≥95%的煙道氣碳捕集目標(biāo)。