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(xiàn)正常運轉，年生產(chǎn)能力可達10萬(wàn)平方米以上；在中石化南京化工研究院有限公司廠(chǎng)區內，正在建設中的膜法碳捕集示范裝置將實(shí)現煙道氣日處理量50000標準立方米，年捕集CO2超3000噸的目標……相距700千米的兩家公司通力配合，面向燃煤電廠(chǎng)的膜法煙道氣碳捕集技術(shù)開(kāi)展攻關(guān)，實(shí)現了“節能”與“節地”的雙優(yōu)成效。

　　自2017年立項以來(lái)，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術(shù)”專(zhuān)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，共同承擔了“膜法捕集CO2技術(shù)及工業(yè)示范”項目。該項目旨在開(kāi)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

　　“現階段我國面臨碳排放總量大、碳減排時(shí)間短、經(jīng)濟轉型升級挑戰多和能源系統轉型難度大等復雜挑戰。因此，要實(shí)現2060年前的碳中和目標需要采取有力措施。”“膜法捕集CO2技術(shù)及工業(yè)示范”項目負責人、天津大學(xué)王紀孝研究員介紹，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氣（N2），具有常壓、排放量大、成分復雜和CO2含量低等特點(diǎn)。因而捕集煙道氣中的CO2是實(shí)現碳捕獲、利用與封存（CCUS）的重要環(huán)節，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、運行穩定和膜壽命較長(cháng)的特點(diǎn)，可用于分離各種含有CO2的氣體體系。

　　王紀孝進(jìn)一步解釋了氣體分離膜的原理。當與膜表面接觸時(shí)，氣體分子會(huì )溶解在膜表面，并在兩側氣體壓力差或某組分分壓差的驅動(dòng)下，從膜的一側（原料側）擴散到另一側（滲透側），最終在滲透側解吸。不同的氣體分子在膜中的溶解和擴散速率不同，因而能夠實(shí)現混合氣體的分離。

　　“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)；設備簡(jiǎn)單、操作方便、運行可靠性高；放大效應不顯著(zhù)、可適用于各種處理規模。”王紀孝表示，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。

　　建成國內首套工業(yè)規模碳捕集膜生產(chǎn)線(xiàn)

　　膜規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(shí)現分離膜規模化制備，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)規模制膜試驗機，并開(kāi)發(fā)出了高性能復合膜規模化制備工藝。然而，這套設備存在調節精度低、生產(chǎn)速度慢和干燥效率低等問(wèn)題。基于此，天津大學(xué)針對逐層復合工藝的要求，確定生產(chǎn)參數范圍，對生產(chǎn)線(xiàn)的涂布單元、干燥單元和收卷單元進(jìn)行了優(yōu)化設計，最終形成了高性能的分離膜規模化制備裝置工藝設計方案。

　　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首套工業(yè)規模碳捕集膜生產(chǎn)線(xiàn)。要實(shí)現示范應用，企業(yè)具有“打通最后一公里”的優(yōu)勢。該生產(chǎn)線(xiàn)配備有恒溫恒濕凈化

　　系統，保證廠(chǎng)房的溫濕度和潔凈度可以滿(mǎn)足高性能分離膜的生產(chǎn)工藝要求，同時(shí)保證了在連續生產(chǎn)過(guò)程中廠(chǎng)房?jì)扔袡C溶劑的濃度滿(mǎn)足安全生產(chǎn)規范的要求。

　　王紀孝透露，目前該生產(chǎn)線(xiàn)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10萬(wàn)平方米/年。該生產(chǎn)線(xiàn)上所制備的膜在模擬煙道氣環(huán)境中，體積分數為15%的CO2和85%的氮氣（15%CO2，85%N2）條件下進(jìn)行了測試。結果顯示，該膜的CO2滲透速率達到商業(yè)膜的6倍以上、CO2和氮氣的滲透選擇性達到商業(yè)膜的3倍。

　　突破工業(yè)規模膜組件成型技術(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(guò)性氣體分離膜組件。因此，在充分認識了膜組件流道的流體力學(xué)和傳質(zhì)特性的基礎上，構建與高選擇透過(guò)性膜相適應的膜組件流道，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，項目團隊從構建組件內部合適的氣體流道出發(fā)，通過(guò)計算流體力學(xué)方法模擬計算，設計了合理的流道分布，研發(fā)了使得組件內部黏接密封的技術(shù)，解決了復雜流道內的流體力學(xué)和傳質(zhì)行為中的科學(xué)問(wèn)題。

　　通過(guò)探索卷制工藝，優(yōu)化設備操作參數，項目團隊研發(fā)出了工業(yè)規模的膜組件制備技術(shù)。項目團隊完成的組件批量生產(chǎn)卷制設備，實(shí)現了低濃差極化、低壓力降、高裝填密度的工業(yè)規模膜組件批量生產(chǎn)。

　　集結全國多家單位力量實(shí)現應用示范

　　為實(shí)現捕集目標且節能，必須在充分認識膜滲透性能和選擇性能及二者的匹配、膜兩側壓力、原料氣組成等各種因素對捕集效果影響規律的基礎上，優(yōu)化設計出集成多級（或多級和多段耦合）膜過(guò)程以及預處理和能量回收的完整膜分離系統。

　　中石化南京化工研究院有限公司為此開(kāi)發(fā)了一套適合膜法捕集煙道氣CO2的煙道氣預處理工藝，以減小煙塵對壓縮機、管路、膜組件等的影響，使預處理后的燃煤煙道氣達到膜組件的進(jìn)氣要求。

　　除此之外，為更可靠地建立示范裝置，項目組還設計、建造并運行了國內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)等對膜組件性能的影響，系統探究了操作條件對CO2捕集率和濃度的影響。在此基礎上，項目組設計和開(kāi)發(fā)出國內首套膜法捕集CO2示范裝置工藝包。

　　王紀孝介紹，開(kāi)發(fā)示范裝置工藝包，需要設計集成完整膜分離系統，建立數學(xué)模型，以性能強化和節能為目標，進(jìn)行模擬優(yōu)化計算。據此得出膜面積、能耗、成本，確定所需要的膜組件個(gè)數和排布方式及管路連接形式，并設計與之相應的動(dòng)力設備、傳送設備及檢驗設備等成套裝備。

　　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中，其運行及系統評價(jià)將在年內完成，預計將實(shí)現CO2捕集率≥90%、產(chǎn)品氣濃度≥95%的煙道氣碳捕集目標。