吸附法碳捕集技术的规模化应用前景( 七 ) 【能源人都在看

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蒸汽辅助的变温吸附(steam-assisted temperature swing adsorption, S-TSA)是另一种高效DAC循环, 通过使用蒸汽吹扫替代真空来富集CO2(需要冷凝除水). 对胺基材料, 蒸汽吹扫的引入还能增加CO2吸附量, 从而降低了对吸附剂填料量的要求. 在S-TSA循环中, 蒸汽可以通过可再生能源或者工业废热产生, 因此降低了DAC的运行能耗. 美国Global Thermostat是基于S-TSA技术的DAC公司, 其核心技术主要来自佐治亚理工学院. 该公司使用胺基蜂窝陶瓷吸附剂, 单一模块装置具有最大110 TPD的设计捕集量, 可以利用85~95°C的蒸汽进行再生. 2009年, Global Thermostat提出了一个适用于DAC的系统, 并随后申请了基于S-TSA循环的DAC吸附器的设计专利. Global Thermostat于2010年在硅谷建立了第一个中试装置, 2018年在阿拉巴马州搭建了第一个商业化DAC装置用于生产苏打水, 具有10.96 TPD的捕集量和150 $/tCO2的运行成本. 在所有的商业公司中, Global Thermostat报道了目前最低的DAC运行能耗需求(0.54~0.94GJe/tCO2+4.21~ 5.08GJth/tCO2), 并且认为捕集成本有望降低到13.5~ 46.6$/tCO2. 佐治亚理工学院Sinha等人近期对一个用于DAC的5步S-TSA循环进行了能耗和成本的综合评估. 该装置采用涂有两种胺基MOF吸附剂的结构性吸附柱, 其中吸附层厚度为60μm. 模拟结果表明, DAC装置的运行能耗远低于燃料燃烧释放相当于捕集量所产生的热量, 因此证明了DAC的技术可行性. 此外, 通过增加吸附剂负载量和降低载体壁厚均可以进一步降低运行能耗. 假设吸附剂的使用寿命为1~3年, 估算得到采用S-TSA的DAC运行成本为60~190 $/tCO2.
对于采用蒸汽吹扫的DAC, 蒸汽是主要的能耗来源. 如果能够通过可再生能源或者工业废热产生蒸汽, 那么DAC的能耗能够得到大幅降低. 苏黎世联邦理工学院Gebald等人[86]提出了蒸汽辅助变温真空吸附(steam-assisted temperature vacuum swing adsorption, S-TVSA)的概念, 通过在负压条件下使用蒸汽吹扫将再生温度降低到100°C以下. 莫纳什大学Wijesiri等人在0.12~0.56 bar(1 bar=105 Pa)和70~100°C的再生工况下进行了实验研究, 验证了在相同条件下S-TVSA循环的再生速率远高于TVSA.
近期, 上海交通大学能源-空气-水创新团队(Innovative Team for Energy, Water & Air, ITEWA)开展DAC和BECCS两项负排放技术的研发. 他们成功研制了一类新型的胺功能化DAC吸附剂, 将支链型聚乙烯亚胺浸渍到复合金属氧化物纳米片上, 在25°C和400ppm的CO2浓度下具有优异的微量CO2吸附量(2.27mmol/g)和吸附速率(1.1mmolg?1h?1), 并且拥有良好的热稳定和水热稳定性, 在20个吸附/再生循环后几乎没有性能衰减. 在此基础上开发了低能耗的三步法S-TVSA循环. 模拟结果显示, S-TVSA循环可在90°C和0.3 bar的再生条件下实现4.45molkg?1d?1的CO2捕集量. 通过对吸附剂的优化还能进一步将捕集量提升280%并将能耗降低至32.8%. 同时, 该团队和新加坡国立大学合作, 研究基于碳循环链的太阳能辅助生物质气化发电技术. 该项目综合考虑光热、热化、碳捕集为一体, 可实现低成本、高效、碳减排的太阳能与生物质协同能源转换. 目前, 该团队已经成功搭建了气体处理量为20 NL/min的转轮式碳捕集小试装置, 并申请发明专利2项. 该团队下一步的计划是建立基于固定床和转轮的DAC样机来进一步验证S-TVSA循环的技术可行性.
相比于燃烧后碳捕集技术, 如何降低DAC吸附器的压降显得更为重要. 当假定空气的温度和CO2浓度分别是25°C和400ppm时, 为了捕集1kg的CO2需要至少1400m3的空气. 近期, 特温特大学Yu和Brilman提出了一种适用于DAC的径向吸附器, 通过这种新型的气固接触方式可以缩短吸附时间(24~43min)并降低系统运行能耗至0.7~1.5 GJe/tCO2. 该装置(图9)共填装2kg商业胺基聚合材料(Lewatit VP OC 1065), 当吸附饱和后, 吸附剂可以实现原位再生或者通过移动床形式被输送到单独的流化床进行再生.