合成气（主要成分为CO和H₂）在化工生产中扮演关键角色，但其中含有的CO₂需脱除以保障后续工艺（如甲醇合成、氨生产）的效率与产品纯度。本文系统梳理合成气脱除CO₂的核心技术，分析其原理、特点及工业应用，并探讨最新进展与趋势。

一、化学吸收法：高精度脱碳的主流技术

原理与工艺：通过碱性溶液与CO₂发生可逆化学反应实现分离。典型工艺包括：

• 热钾碱法：如改良本菲尔法，通过碳酸钾溶液添加活化剂（如砷酸盐、甘氨酸）加速吸收-解吸循环，适用于电厂烟气等低浓度CO₂场景，净化度可达99%以上。
• 胺法：单乙醇胺（MEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）等胺类溶剂通过形成氨基甲酸盐或碳酸氢盐吸收CO₂，再生时加热解吸。MDEA法常与环丁砜混合使用，可同步脱硫脱碳，但存在溶剂降解与设备腐蚀问题。
• 物理化学吸收法：如NHD法（聚乙二醇二甲醚）、低温甲醇洗法，利用溶剂在低温高压下的溶解度差异选择性吸收CO₂，适用于高浓度场景。

特点：脱碳精度高，但能耗较大（如MEA法能耗约3.8-4.5GJ/吨CO₂），需溶剂再生，流程复杂。

二、物理吸附法：低能耗循环的灵活方案

原理与工艺：利用吸附剂（如沸石、活性炭、分子筛）的孔道结构选择性吸附CO₂，通过变压吸附（PSA）或变温吸附（TSA）实现循环：

• PSA技术：加压时吸附CO₂，减压或抽真空解吸，循环周期短，能耗较化学法低20%-30%，适用于合成氨、尿素装置。例如，二段法PSA可实现氢气回收率95%，CO₂回收率94%。
• TSA技术：通过温度变化控制吸附-解吸，但热能消耗较高，适用于高浓度CO₂场景。

特点：操作弹性大，无化学污染，但吸附容量受材料比表面积限制，需定期更换吸附剂。

三、膜分离法：紧凑高效的模块化选择

原理与工艺：利用高分子膜（如聚酰亚胺）、无机膜（如陶瓷膜）或混合基质膜的渗透速率差异分离气体。例如，聚酰亚胺膜在30℃下对CO₂/N₂选择性可达30，配合多级分离可提升纯度。深冷分离法通过压缩-冷却使CO₂液化，适用于液态储存。

特点：设备紧凑，无相变损耗，维护简单，但分离效率受膜材料限制，需平衡透量与选择性，适合中小规模或预处理场景。

四、低温蒸馏法：大规模分离的物理路径

原理与工艺：通过压缩和冷却使混合气中的CO₂液化或固化，需预处理脱除水分和杂质（如SO₂、NOₓ）。深冷分离可实现大规模操作，但能耗较高，需低温冷源支持。

特点：可直接获得液态CO₂，适合高浓度场景，但设备投资大，能耗高。

五、生物固碳与矿物碳化：可持续封存的新兴方向

原理与工艺：

• 生物固碳：利用蓝藻、氨氧化古菌等微生物通过光合作用或化能合成固定CO₂，转化为有机物，环保可持续但速率受环境因素限制。
• 矿物碳化：将CO₂注入玄武岩、橄榄岩等基性岩层，通过矿化反应形成碳酸盐矿物实现永久封存，如冰岛CarbFix项目验证95%的CO₂可在2年内矿化。

特点：生态友好，长期封存安全，但成本较高，需结合地质条件。

六、技术对比与选择依据

七、最新进展与未来趋势

• 集成技术：化学-膜联用、PSA与深冷分离结合，提升整体效率与经济性。
• 新材料开发：高容量吸附剂（如MOFs）、智能响应膜、耐硫涂层等，增强性能与稳定性。
• 节能优化：通过热回收、能量梯级利用降低能耗，如EARTH®技术减少制氢过程碳排放。
• 可持续封存：结合CCUS技术，实现CO₂的资源化利用（如合成甲醇、驱油）或地质封存。
• 智能化升级：AI驱动的自主控制系统、预测性维护系统，优化运行参数，延长设备寿命

合成气脱除CO₂技术需结合场景需求选择适配方案。未来趋势聚焦于技术融合、新材料研发、低成本化及智能化升级，最终实现从“捕集”到“利用”的闭环，为全球气候治理提供技术支撑。