边界大坝项目经验探讨之一：碳捕集系统中的生物生长与污垢挑战

作者: Jon Gibbins

中英（广东）CCUS中心副主任、英国碳捕集与封存研究团体联盟主任、谢菲尔德大学碳捕集与封存教授

近期，我们在英国碳捕集与封存研究中心的实验室里，对一些储存的胺液样本进行了细致的观察与分析，结果揭示了一个令人关注的问题——胺溶液中可能存在生物生长的现象。在随后的文献查阅过程中，我遗憾地发现，作为少数几个已投运的大型燃烧后碳捕集项目之一，且是唯一运行时间接近十年的项目，边界大坝3号项目已经报告了生物污垢的问题。这一长期运行所积累的经验尤为重要，因为据相关报告指出，生物污垢问题在项目运行近七年后才变得尤为严重。本文将对这一现象进行更为深入的剖析，但在此之前，必须指出，未报告并不意味着其他系统就不存在生物生长的问题。从理论层面来看，胺系统若未经适当的回收处理，在运行数月后常会出现吸收剂降解加速的情况。显然，这种向更严重降解的转变无法通过简单的处理手段来逆转，而必须通过彻底的净化来解决——这些特征与装置内部表面附着的生物污染现象高度吻合。

然而，边界大坝3号所记录的经验是有据可查的事实，尽管对所述观测结果的全面解读及其所引发的更广泛问题仍留有大量推测空间。就我所知，目前唯一公开的关于边界大坝生物污垢经验的报告，是2022年10月在里昂举行的第16届温室气体减排技术会议（GHGT-16）上发表的一篇可获取的论文，题为《提高边界大坝3号碳捕集设施的运行可用性》，由碳捕集与封存知识中心/萨斯克电力公司联合团队撰写。

该论文开篇即明确指出：“吸收塔和解吸塔的填料出现了飞灰材料和有机沉积物的积聚，这严重限制了气体流量，进而降低了运行能力。”接着进一步解释：“二氧化碳吸收塔的水洗段和二氧化硫吸收器的碱液处理区段出现了严重的有机积聚问题。这些生物体被认为以系统中存在的微量成分为食。当前的缓解计划是在工厂停机期间进行化学清洗，以去除这种特定的积聚物，因为该处理过程可能会污染胺溶液。同时，也在积极开发和测试在线清洗程序。”

鉴于填料中飞灰与黏液的积聚问题，报告着重指出：“对关键区域（如烟气除雾器、吸收塔床层和热交换器）进行压差测量，对于及时发现堵塞问题至关重要。若压差高于设计值，则表明设备发生了堵塞，需及时进行维护和清理。根据压差的严重程度，维护和清理工作可在定期停机期间进行，或在最坏的情况下，可能需要非计划停机。”

边界大坝3号碳捕集项目的维护计划涵盖了每6个月至2年对各类装置的清洁工作，以及每6至8年对SO₂和CO₂吸收塔胺填料的更换。论文总结道：“边界大坝3号碳捕集与封存（CCS）设施是首次商业化规模应用的碳捕集技术。在初期运营中，项目在达到期望运行条件方面遇到了诸多困难。捕集性能下降和可用性降低的主要原因在于烟气颗粒物与捕集工厂系统之间发生了非预期的相互作用。此外，部分填料床中出现的与颗粒物无关的有机物增长也降低了设施的运行效率。”

值得注意的是，生物污垢在湿式冷却塔的运行中是一个普遍存在的现象。由于空气中微生物的广泛存在，生物污染和适应性变异以适应几乎任何条件只是时间问题。胺和其他有机溶剂捕集项目对适宜微生物具有潜在的吸引力。

以下是对此问题的一些个人推测与分析。迄今为止，在胺法碳捕集项目中尚未广泛观察到生物污垢现象，这主要是因为所有试点测试以及几乎所有已建成的大型项目的运行时间都比边界坝项目在问题明显出现之前所达到的七年运行时间要短。此外，碳捕集溶液测试项目通常会以较短的间隔进行彻底清洁，例如使用苛性碱溶液来清除前一种溶剂的残留物，以便测试另一种溶剂。据传闻，在许多用于捕集CO₂以供利用的小型胺装置中，也采用了类似的清洁方法，且相当频繁。那么，生物增长现象究竟发生了多少次却未被察觉呢？然而，随着新一轮商业碳捕集项目的规划以及边界大坝项目的实例，一个更为紧迫的问题可能是：“当问题确实发生时，我们应采取何种措施来有效控制？”有人可能会建议，首要解决方案是防止生物感染，但这将要求始终阻止所有空气进入，或确保捕集工厂内部各处的条件都极端恶劣，以至于没有任何生物能够存活。然而，这两者在实际操作中都难以实现。因此，我们显然应更加重视管理而非避免。

在此需要特别指出的是，许多用于气体脱硫的胺工厂都是在高压且无氧的条件下运行吸收塔，而在中等压力下运行解吸塔，这与烟气捕集的条件截然不同。相反，燃气轮机燃烧后碳捕集项目将面临比边界大坝燃煤碳捕集项目更高的氧气含量，而直接空气捕集（DAC）工厂的氧气含量甚至更高，此外，生物暴露的可能性本身也较高。

生物污垢的管理通常意味着要通过调整系统条件来抑制生物增长，从而防止问题发展到难以忍受的程度。如果从一开始就将此类对策纳入工厂设计和运营规划中，那么这将是可行的。可能采取的措施包括：

• 增强化学清洗能力。理想情况下，在工厂在线运行时，通过向正常使用的胺和洗涤液中添加特定物质来实现清洗，而不是更换所有溶剂/洗涤液。

• 保持流体流动或设施干燥。

• 选择能够脱落生物膜并增强传质的填料。

• 采用适当的生物污垢过滤方法。

• 在保持系统其余部分运行的同时，能够暂时将工厂部件离线进行清洁。

• 降低水洗涤液中的污染物（即“微生物食物”）浓度，并协调使用水和酸洗涤液。

• 有效回收吸收剂以去除可能与生物污垢产生协同效应的污染物。

• 更换为另一种胺溶液吸收剂——这将改变微生物的生存条件。

我们的研究团队还正在考虑在烟气旁路上建立一个SMART小型试验装置，使用我们怀疑在实验室中已受生物污染的胺瓶进行感染实验，以观察其后续发展情况。我们相信，在采取了适当的缓解措施后，燃烧后碳捕集项目的生物“感染”问题很可能在很大程度上只会对项目造成一定的不便，而不会成为影响其运行的主要障碍。

图 AI模拟的细菌生物膜图像，各层中可见不同的菌株

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英文原文链接：https://www.linkedin.com/pulse/biological-growth-fouling-amine-other-organic-solvent-jon-gibbins-gkqee