吸附法碳捕集技术的规模化应用前景( 六 ) 【能源人都在看

DAC主要分为高温溶液吸收和低温吸附两种方法, 其中高温溶液吸收法需要使用高品质热源(~900°C)进行再生, 因此限制了其应用场景并增加了运行成本. 目前, 仅有加拿大Carbon Engineering公司具有高温溶液吸收法DAC中试系统. 美国橡树岭国家实验室近期提出了一种基于氨基酸和有机盐的多级溶液吸收循环, 可以在80~120°C实现再生, 然而该技术仍有待进一步中试研究. 与之相比, 低温吸附法在常温常压条件下吸附空气中的CO2, 并且只需要较低的再生温度(80~100°C), 因此可以利用低品位的工业废热或者光热实现再生. 据测算, 吸附法DAC的最终运行成本有望降低到29~91 $/tCO2. 应用于DAC的吸附剂主要包括碱式碳酸盐、聚胺浸渍氧化物、胺嫁接氧化物、聚合物和MOF.
变温真空吸附(temperature vacuum swing adsorption, TVSA)是最常用的低温吸附法DAC运行工艺, 通过在热再生的同时进行真空解吸来增加解吸驱动力并实现CO2的浓缩. 瑞士Climeworks是最成功的低温吸附法DAC公司之一, 其技术最早来自苏黎世联邦理工学院Gebald等人的研究成果. 该公司主要采用氨丙基嫁接的纳米原纤维素(nanofibrillated cellulose, NFC)吸附剂, 在40%相对湿度下可以实现1.39mmol/g的吸附量. 在真实TVSA循环中, CO2工作量最高可以达到0.65mmol/g(吸附工况: 10°C, 80%相对湿度)[76]. 相比于介孔和微孔载体, 采用NFC大孔载体可以进一步降低传质阻力. 2011年, Climeworks搭建了第一个中试样机, 在实验室样机的基础上放大了1000倍. 2014年, Climeworks同奥迪和Sunfire公司合作在德国德累斯顿市建设了基于TVSA工艺的DAC中试装置, 捕集流入系统空气中80%的CO2并将其转化成合成柴油. 2017年,Climeworks公司在瑞士辛维尔建造了世界第一个商业化DAC装置用于温室, 每年可以捕集900t CO2. 同年, 另一个DAC示范装置(CarbFix2)安装在冰岛(图7).
该项目是世界最大的DAC/增强风化耦合系统, 通过双闪蒸技术获得120°C热水为DAC模块提供热源, 解吸得到的高纯CO2被压缩后与水混合注入700m深地下的玄武岩储层进行矿化. Climeworks目前已经拥有120名全职员工和14个DAC设施, 近期目标是将大规模DAC的运行成本降低到92 $/tCO2以下. 荷兰Antecy是另一家低温吸附法DAC公司, 已经完成了DAC技术的实验室测试和商业放大设计, 并和壳牌公司合作开发中试装置. Antecy已于2019年被Climeworks合并(https://www.antecy.com/). 芬兰Oy Hydrocell公司在SOLETAIR项目中曾为VTT技术研究中心提供了一个0.34m × 0.220m × 0.242m的小型DAC装置, 具有0.0038 TPD的CO2捕集能力. 该系统具有刷型换热器和可再生CO2洗涤器两个核心技术, 并使用乙二醇/水混合液在70~80°C实现再生, 从而拓宽了DAC的再生热量来源.

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除了采用胺类材料, 渥太华大学Wilson和Tezel研究了7种商业八面沸石应用于DAC系统, 通过构建包含充压、吸附、放压、热再生4个步骤的VTSA循环, 将400ppm的CO2浓缩到95%并实现81%的捕集率. 沸石类物理吸附剂具有较快的吸附速率, 因此可以通过设计得到具有更低压降的吸附床. 然而, 由于沸石的亲水性, 需要引入额外的预干燥床, 从而增加了捕集成本. 此外, 近期莫纳什大学联合澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO)开发了一个移动式DAC样机(Airthena), 采用纯电供给的三段式TVSA, 空气处理量在50 Nm3/h. 该装置(图8)的核心部件是MOF/聚合物纳米复合物涂覆的螺旋形基板, 吸附材料具有良好的吸附热力学、动力学特性以及强疏水性, 可在80°C工况实现再生. 当设定CO2纯度为70%~80%时, Airthena在2680个循环中的运行能耗达到5.76 GJth/tCO2, 相当于35~350 $/tCO2的捕集成本.