脱碳需要天然气，天然气同样需要“脱碳”

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近日，欧盟终于承认了一个显而易见的事实：如果目标是脱碳，那么天然气和核能必须是欧洲大陆能源结构的重要组成部分。上周六，欧盟委员会发布了一份声明，称“天然气和核能可以作为一种手段，促进向以可再生能源为主的未来过渡。”此举意味着，在特定条件下，天然气和核能可以被列为“可持续投资”。

同样，多家研究机构研究表明，在短期内利用天然气来替代传统高碳能源，将会在全球脱碳之路上发挥更加积极而深远的作用。对现有天然气管网和终端设施进行改造，将成为支持碳减排目标的基础设施“预建设”。

埃信华迈（IHS Markit）最近推出了题为“可持续的火焰：论燃气在净零碳排放中的作用”的研究。该研究表明，天然气不仅可以在早期减排行动中发挥关键作用，同时现有天然气基础设施经过改造再利用，也可以传输低碳气体（例如：氨气、氢气、合成甲烷和可再生天然气）。这将为长期进一步脱碳打下坚实的基础。具体而言，当碳价处于每吨40至60美元的区间时（已经接近当今某些市场的水平），上述低碳气体的应用已具备经济性。

British Petroleum（简称 BP）公司在 2020 年发布的世界能源数据中指出，全球天然气在一次能源中所占比重上升到 24.2%，创历史新高，特别是在创纪录的 540 亿 m3 液化天然气（LNG）增长的推动下，区域间天然气贸易增长速度达 4.9%，是 10 年平均水平的 2 倍多。

在亚洲，由于煤炭占能源构成的50％以上，加速煤改气进程将成为该地区的一个重要主题。随着我国能源结构的持续转型，有预测表明，2018~2050 年间，我国天然气产量将大幅提高（≥76%），天然气占能源的比重也将翻一番。天然气未来的发展可期。

你知道吗？

脱碳需要天然气，天然气同样需要“脱碳”！

开采出来的天然气中含有一定量的酸性气体 CO2，会造成热值降低、管道腐蚀等问题，因此在管道运输和使用前需对其进行脱碳处理。

根据国家标准（GB/T 11062-2014）中的天然气热值公式计算可知，10mol%的CO2会导致每立方米的甲烷热值下降约9.80%。CO2在与水蒸气同时存在且分压>207kPa时，对设备和管道将造成严重腐蚀，需额外采取防腐措施。因此，天然气在输送到商业管网前必须对其中的 CO2 进行严格脱除。

目前，已开发的脱碳技术主要有低温精馏、溶剂吸收、吸附和膜分离。其中，膜分离脱碳技术作为一种新兴的高效绿色分离技术，展现出许多独特优势，近些年在工业应用中显示出一定的发展潜力。

低温精馏法

低温精馏法是在高压和极低温度的条件下，先将原料气各组分冷凝液化，再根据各组分间相对挥发度的差异，采用精馏操作达到脱除CO2的目的。低温精馏法无需额外借助分离介质，在高压低温下即可分离得到高纯度且具有广阔市场前景的液化天然气（LNG）产品。但为了获得高纯度的LNG产品，通常需要多塔操作，大大增加了设备的投资和运行成本，同时极低温的冷凝液化也会导致高能耗。因此，出于能耗与经济性的考虑，低温精馏法通常用于处理高CO2含量的天然气，特别是对LNG中高含量CO2的脱除。

图片来源：天然气脱碳技术研究进展

溶剂吸收法

根据吸收剂的不同，溶剂吸收法分为物理吸收法、化学吸收法和物理-化学吸收法。

物理吸收法

物理吸收法是利用天然气中 CO2 与其他气体组分在物理吸收剂中的溶解度差异，先在高压或低温条件下吸收 CO2，再经减压或升温的方式将其解吸，脱除 CO2 的同时实现物理吸收剂的再生和循环利用。物理吸收剂与 CO2 间无明显化学作用，解吸能耗低，但其与 CO2间较弱的亲和作用也导致 CO2 脱除率较低。

化学吸收法

化学吸收法是一种利用化学吸收剂选择性地与CO2反应来净化天然气的脱碳技术。化学吸收系统主要由吸收塔和解吸塔两部分组成。首先，原料气在吸收塔中以逆流的方式与碱性吸收剂接触，CO2 被吸收；富CO2吸收剂再经解吸塔解吸实现热再生循环。化学吸收法吸收效率高且选择性好，但仍存在许多亟待优化的问题，如对设备腐蚀性强、解吸能耗高。

物理-化学吸收法

物理-化学吸收法又称混合溶剂吸收法，它是采用由物理吸收剂、化学吸收剂和水组成的新型混合吸收剂高效脱除CO2。最常用的物理吸收剂为环丁砜，它是一种对CO2和H2S都颇具吸收能力的极性有机溶剂，但环丁砜价格昂贵，且易吸收重烃、芳烃，烃损失较高，故其应用存在一定的局限性。

吸附法

吸附法是利用吸附剂选择性地与CO2 发生可逆相互作用，在高压（或低温）的条件下吸附CO2，在 低压（或高温）的条件下脱附CO2，通过周期性地改变操作压力（或温度），实现天然气中 CO2 的分离和回收。通常，根据吸附操作条件的不同，吸附法分为变温吸附和变压吸附。

变温吸附TSA

TSA是利用吸附剂在不同温度下的CO2吸附量和吸附速率差异，实现CO2的分离和回收。吸附剂在常温（约 20~30℃）下吸附CO2，在较高温度（约 120℃）下脱附 CO2。该变温操作可以实现固态吸附剂的再生和重复利用，但如此周期性地加热和冷却操作，不仅会降低固态吸附剂的使用寿命，也会增加设备的投资成本、导致高能耗。

变压吸附PSA

PSA是一种通过改变操作压力实现CO2吸附和脱附的 低能耗脱碳技术。该技术通常在0.5~1MPa 的操作压力下吸附分离天然气中的 CO2,再经减压脱附完成吸附剂的再生。PSA 法属于物理吸附，虽与化学吸附相比，其吸附容量有限且选择性较低；但PSA工艺流程简单，吸附剂使用寿命长、易再生且能耗低，同时还具有自动化程度高、环境效益好、操作弹性大等优势。特别是处理高压原料气，通常无需再次加压。PSA 法在常温下即可操作，无需加热和冷却操作，较TSA法可节约 1~2 倍的能耗；而且与等效的TSA法相比，PSA 法所需的吸附剂量要少得多。

膜分离法

膜分离法是一种新兴的高效绿色分离技术，它利用不同气体组分在压差驱动下透过膜的速率差异实现分离。对于天然气脱碳过程，CO2 在膜的渗透侧富集，CH4 在膜的渗余侧富集。膜分离过程不发生相变，具有能耗低、操作简单、设备占地面积小等优点，特别适用于空间受限的场合，如海上平台天然气脱碳处理。因此，膜分离脱碳技术受到广泛关注，被认为是分离领域最重大的技术进展之一。

天然气典型脱碳技术比较

图片来源：天然气脱碳技术研究进展

来源：石化行业走出去联盟