在山東省東營(yíng)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(yùn)轉(zhuǎn)，年生產(chǎn)能力可達(dá)10萬(wàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了“節(jié)能”與“節(jié)地”的雙優(yōu)成效。

　　自2017年立項(xiàng)以來(lái)，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”專項(xiàng)支持下，天津大學(xué)作為項(xiàng)目牽頭單位，聯(lián)合山東九章膜技術(shù)有限公司、中國(guó)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(guó)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(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在開發(fā)出國(guó)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(guó)面臨碳排放總量大、碳減排時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(shí)現(xiàn)2060年前的碳中和目標(biāo)需要采取有力措施?！薄澳しú都疌O2技術(shù)及工業(yè)示范”項(xiàng)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(shí)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?dú)猓∟2），具有常壓、排放量大、成分復(fù)雜和CO2含量低等特點(diǎn)。因而捕集煙道氣中的CO2是實(shí)現(xiàn)碳捕獲、利用與封存（CCUS）的重要環(huán)節(jié)，對(duì)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(yùn)行穩(wěn)定和膜壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)，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(shí)，氣體分子會(huì)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(dòng)下，從膜的一側(cè)（原料側(cè)）擴(kuò)散到另一側(cè)（滲透?jìng)?cè)），最終在滲透?jìng)?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(wú)溶劑揮發(fā)；設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行可靠性高；放大效應(yīng)不顯著、可適用于各種處理規(guī)模?！蓖跫o(jì)孝表示，該項(xiàng)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(guó)內(nèi)首套工業(yè)規(guī)模碳捕集膜生產(chǎn)線

　　膜規(guī)?；苽涫悄しú都疌O2完整技術(shù)鏈的重要一環(huán)。

　　為了實(shí)現(xiàn)分離膜規(guī)?；苽洌旖虼髮W(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(yàn)機(jī)，并開發(fā)出了高性能復(fù)合膜規(guī)?；苽涔に?。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?；诖?，天津大學(xué)針對(duì)逐層復(fù)合工藝的要求，確定生產(chǎn)參數(shù)范圍，對(duì)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(jì)，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(jì)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(guó)內(nèi)首套工業(yè)規(guī)模碳捕集膜生產(chǎn)線。要實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用，企業(yè)具有“打通最后一公里”的優(yōu)勢(shì)。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(shí)保證了在連續(xù)生產(chǎn)過程中廠房?jī)?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(wàn)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?dú)猓?5%CO2，85%N2）條件下進(jìn)行了測(cè)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?dú)獾臐B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(duì)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(wú)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(shí)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(duì)這道難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從構(gòu)建組件內(nèi)部合適的氣體流道出發(fā)，通過計(jì)算流體力學(xué)方法模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了工業(yè)規(guī)模的膜組件制備技術(shù)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成的組件批量生產(chǎn)卷制設(shè)備，實(shí)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(guó)多家單位力量實(shí)現(xiàn)應(yīng)用示范

　　為實(shí)現(xiàn)捕集目標(biāo)且節(jié)能，必須在充分認(rèn)識(shí)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(duì)捕集效果影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出集成多級(jí)（或多級(jí)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(duì)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(xiàng)目組還設(shè)計(jì)、建造并運(yùn)行了國(guó)內(nèi)首套膜法捕集煙道氣CO2中試裝置，考察了溫濕度波動(dòng)、煙道氣組成波動(dòng)等對(duì)膜組件性能的影響，系統(tǒng)探究了操作條件對(duì)CO2捕集率和濃度的影響。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)和開發(fā)出國(guó)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(jì)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(jì)算。據(jù)此得出膜面積、能耗、成本，確定所需要的膜組件個(gè)數(shù)和排布方式及管路連接形式，并設(shè)計(jì)與之相應(yīng)的動(dòng)力設(shè)備、傳送設(shè)備及檢驗(yàn)設(shè)備等成套裝備。

　　目前，在全國(guó)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(yùn)行及系統(tǒng)評(píng)價(jià)將在年內(nèi)完成，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)CO2捕集率≥90%、產(chǎn)品氣濃度≥95%的煙道氣碳捕集目標(biāo)。