吸附法CO₂直接空氣捕集技術(shù)能耗現(xiàn)狀

趙俊德 ^1,² 周愛(ài)國(guó) ²陳彥霖 ^1,²鄭家樂(lè) ²葛天舒 ¹

（1. 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20240963

摘要 CO₂直接空氣捕集（DAC）技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的固定源煙氣捕集技術(shù)具有位置靈活、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì)，但由于大氣中CO₂濃度極低（僅為0.04%左右），DAC技術(shù)的高能耗成為阻礙其商業(yè)化的首要難題。聚焦吸附法DAC技術(shù)的能耗問(wèn)題，先后進(jìn)行理論分析和案例引證。DAC技術(shù)的CO₂分離理想最小功為19.64 kJ·mol^-1（溫度298.15 K，捕集率50%，純度95%），為同等條件下煙氣捕集技術(shù)的3.5倍。再生溫度393 K時(shí)變溫真空吸附循環(huán)（TVSA）第二定律分離效率為22.75%。吸附、排空、再生、冷凝、壓縮等過(guò)程主要通過(guò)機(jī)械能和熱能推動(dòng)。其中排空過(guò)程機(jī)械能僅占3%左右；冷凝過(guò)程熱能可以通過(guò)回?zé)嵫h(huán)回收；壓縮過(guò)程機(jī)械能由目標(biāo)壓力決定，在部分研究中計(jì)入DAC能耗。吸附過(guò)程流動(dòng)機(jī)械能受反應(yīng)器壓降主導(dǎo)，床層厚度減小和吸附劑有序堆積均能夠改善流動(dòng)損耗問(wèn)題。再生過(guò)程熱能占DAC能耗的主要部分，為50%~80%，再生溫度、反應(yīng)器與吸附劑的質(zhì)量比、吸附劑對(duì)H₂O吸附性的強(qiáng)弱，均能造成熱耗的成倍變化。在分析過(guò)程能耗的基礎(chǔ)上，給出了吸附法DAC在反應(yīng)器設(shè)計(jì)、循環(huán)方式及操作參數(shù)、自然環(huán)境及能量來(lái)源等方面的能耗優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞二氧化碳捕集；能耗；吸附；脫附；溫室氣體

引用本文：趙俊德, 周愛(ài)國(guó), 陳彥霖, 鄭家樂(lè), 葛天舒. 吸附法CO₂直接空氣捕集技術(shù)能耗現(xiàn)狀[J]. 化工學(xué)報(bào), 2025, 76(4): 1375-1390(ZHAO Junde, ZHOU Aiguo, CHEN Yanlin, ZHENG Jiale, GE Tianshu. Current status of energy consumption of adsorption CO₂ direct air capture[J]. CIESC Journal, 2025, 76(4): 1375-1390)

引言

直接空氣捕集（direct air capture，DAC）^[9]區(qū)別于燃燒前捕集（pre-combustion）^[10-11]、燃燒后捕集（post-combustion）^[12-13]和富氧燃燒（oxy-fuel combustion）^[14-15]等傳統(tǒng)的碳捕集技術(shù)，是一種應(yīng)用物理或化學(xué)方法從大氣中直接捕獲CO₂，實(shí)現(xiàn)碳負(fù)排放的溫室氣體控制技術(shù)^[16]。空氣中的CO₂是一種微量氣體，在DAC研究中，通常使用0.04%表示其濃度。由于要從空氣中捕獲超低濃度的CO₂，DAC技術(shù)通常被認(rèn)為是一種能耗高、難度大的碳捕集方式^[17]。然而，DAC能夠靈活地應(yīng)對(duì)移動(dòng)式分布源CO₂^[18]，可以將工廠選址在CO₂最適宜封存點(diǎn)附近，最終能夠?qū)崿F(xiàn)碳捕集技術(shù)與能源基礎(chǔ)設(shè)施的脫鉤，具有不可替代性和良好發(fā)展前景^[19]。

本文聚焦吸附法DAC技術(shù)的能耗問(wèn)題，通過(guò)理論推導(dǎo)與案例分析相結(jié)合的方式開(kāi)展研究。首先，在理論層面對(duì)CO₂分離最小功進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)用熱力學(xué)第二定律分析其分離熱效率，為后續(xù)實(shí)際計(jì)算提供理論指導(dǎo)。其次，對(duì)吸附法DAC技術(shù)的循環(huán)過(guò)程進(jìn)行分解研究，針對(duì)每一過(guò)程提出能耗推導(dǎo)式，并通過(guò)案例進(jìn)行引證、探究和評(píng)價(jià)。最終，給出吸附法DAC循環(huán)全過(guò)程能耗分布，分析各參數(shù)作用強(qiáng)度，確定技術(shù)中的能量密集環(huán)節(jié)并給出降耗優(yōu)化建議。

DAC能源需求總體上約為80%熱能和20%機(jī)械能^[65]。其中前三組使用吸附劑涂層結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器，并通過(guò)蒸汽輔助開(kāi)展變溫循環(huán)；最后一組使用堆積吸附劑的常規(guī)反應(yīng)器開(kāi)展變溫真空循環(huán)。顯熱量均遠(yuǎn)超過(guò)CO₂的脫附熱量，Sinha等^[37]的研究結(jié)果中加入了用于未凝蒸汽的冷凝熱量。第一組和第四組考慮了產(chǎn)氣的壓縮（均為0.417 GJ·t^-1），對(duì)比看出使用結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器有效降低了吸附階段的風(fēng)機(jī)機(jī)械能。此外，無(wú)論是哪種情況，真空泵的機(jī)械能均占比很小。另外，第一組和第四組均使用干燥空氣開(kāi)展研究，如果將預(yù)干燥的能耗（16.9 GJ·t^-1[33]）計(jì)入，系統(tǒng)能耗將翻倍。而對(duì)于多數(shù)DAC吸附劑，水分的存在會(huì)提升吸附劑的工作容量^[66]，故通常無(wú)須預(yù)干燥空氣。

圖20 DAC過(guò)程能耗統(tǒng)計(jì)Fig.20 DAC process energy consumption statistics

總結(jié)

本文通過(guò)理論推導(dǎo)和計(jì)算分析，對(duì)吸附法DAC系統(tǒng)的最小功和效率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)變溫變壓循環(huán)實(shí)際過(guò)程的各部分能耗進(jìn)行了參數(shù)研究。

（1）理論上，DAC的理想分離最小功為19.64 kJ·mol^-1（α=50%，y₀=0.04%，y₁=95%），為煙氣捕集的3.5倍；TVSA循環(huán)的第二定律效率為22.75%（T_des=393 K）。最小功隨著捕集率和產(chǎn)氣純度提高而增加，隨著二氧化碳濃度增加而減小；循環(huán)溫差和二氧化碳濃度增加，效率隨之提高。

（2）循環(huán)過(guò)程中，再生熱量占DAC過(guò)程能耗的50%~80%，再生溫度是影響能耗的關(guān)鍵參數(shù)。顯熱量通常高于脫附熱量，應(yīng)盡量減小反應(yīng)器與吸附劑的質(zhì)量比；改善吸附劑對(duì)H₂O的共吸附，使用蒸汽輔助解吸有效避免這部分熱損失。

（3）風(fēng)機(jī)克服流動(dòng)阻力的機(jī)械能占據(jù)機(jī)械能耗90%以上，使用常規(guī)反應(yīng)器時(shí)流動(dòng)機(jī)械能（5.43 GJ·t^-1）甚至超過(guò)再生熱量，結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器能夠?qū)航禍p小為1/1000，降低流速也可以改善阻力并提升捕集率。排空和再生過(guò)程的真空機(jī)械能均占比很低，與目標(biāo)壓力和排氣量相關(guān)。

（4）根據(jù)過(guò)程能耗分析，提出吸附法DAC應(yīng)從反應(yīng)器設(shè)計(jì)、循環(huán)方式及操作參數(shù)、自然環(huán)境及能量來(lái)源等方面進(jìn)行優(yōu)化，以降低能耗并提升技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

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亮點(diǎn)評(píng)述

化工學(xué)報(bào)|吸附法CO2直接空氣捕集技術(shù)能耗現(xiàn)狀

吸附法CO₂直接空氣捕集技術(shù)能耗現(xiàn)狀

引言

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