变温吸附碳捕集机组标准化测试方案探讨及性能实验

变温吸附(TSA)碳捕集技术是控制碳排放进而实现“双碳”目标的有效保障手段之一。然而,由于目前缺乏相对完善的计量体系和可执行的标准化测试方案,导致机组性能的测试结果差别较大,缺乏规律性所造成的趋势和性能迭代困难不利于TSA产业化发展。本文初步提出了包含测试工况、性能评价指标、数据的测量与采集三个方面的标准化测试方案,并对样机规模的实物机组进行了性能测试。结果表明,该套方案的可执行度高,可为相关机组的性能评价工作提供借鉴。此外,机组的性能测试结果显示,该机组的运行状态容易控制,纯度和回收率最高均能达到90%以上,但是能源效率在3.5%~6.5%之间,提升潜力大。对标分析发现机组内的管道等部件损失的能耗占比30%~40%,所以需要通过优化管道线路布置、提高吸附腔内换热效率、优化解吸温度和真空压力等运行参数等方式来进一步降耗提效。

混合工质对喷射式冷电联供循环性能的影响

通过耦合动力循环和喷射式制冷循环,喷射式冷电联供循环可以在中低温热能的驱动下同时进行制冷和发电,在可再生能源利用、余热回收等领域有重要的应用价值。不同于单一功能的动力循环,冷电联供循环需要同时保证热源和循环之间、载冷流体和循环之间形成良好的温度匹配。在动力循环中,有机闪蒸循环被认为能够很好地实现变温热源和循环之间的温度匹配。在制冷循环中,非共沸工质能够尽可能地实现循环和载冷流体之间的温度匹配。因此,在基于有机闪蒸循环的喷射式冷电联供循环中使用非共沸工质,可以同时实现热源和循环之间、载冷流体和循环之间较好的温度匹配。通过建立数学模型,研究了R600a/R601a混合工质对该冷电联供循环性能的影响。结果表明,当R600a的质量组分为0.3时,循环的㶲效率达到最大值37.38%,比采用R600a纯工质提高了4.20%,比采用R601a纯工质提高了6.30%。

变电吸附二氧化碳捕集技术研究进展

基于变电吸附的碳捕集技术,通过“通电-断电”实现摆荡模式,利用电能焦耳效应产生热能,驱动吸附剂实现连续地吸附与再生。相对于变温吸附,其输入高品位电能,因此可驱动碳源、碳汇之间的大浓度差富集,近年来备受关注。然而,目前限制变电吸附碳捕集技术应用的主要问题是较高的能耗与较低的产率。据此,本文总结了近年来国内外变电吸附碳捕集技术的研究进展并提出了技术展望。首先讨论了变电吸附碳捕集的基本原理,其次综述了近十年变电吸附碳捕集技术中吸附剂、循环结构的研究进展及发展趋势,应用热力学第二定律效率对变电吸附碳捕集系统展开评价。最后,对变电吸附碳捕集技术发展趋势进行展望,变电吸附技术具备规模化竞争力的关键为:在改善吸附剂导电和捕集性能的基础上,改进吸附剂制备工艺,关注吸附剂的加热形式以及吸附腔体内的电阻分配,尝试与其他碳捕集技术耦合进行分级捕集,与可再生能源进行集成。

太阳能辅助碳捕集：适用技术、性能比较和发展趋势

太阳能辅助碳捕集系统集合了提高能源转换效率、使用可再生能源和二氧化碳捕集与封存3种应对气候变化挑战的技术,是跨学科研究中的新兴领域。本文综述了燃烧后、燃烧前和富氧燃烧碳捕集技术中太阳能辅助碳捕集的研究现状,并从分离方式、分离技术和太阳能辅助方式等方面进行了深入分析。其后从分离理想最小功和分离热力学效率对不同二氧化碳的分离技术进行了性能评价。最后对太阳能辅助碳捕集技术的发展趋势进行了梳理,分离模型方法不再适合光催化等第二代碳捕集技术,碳捕集理论研究的框架有待拓展;太阳能辅助环节将从碳捕集过程逐步扩展到运输和储存过程;太阳能辅助形式中的梯级利用更加灵活多样。该新兴技术在能效基础理论、太阳能梯级利用和高效集成三方面亟待突破。

新型太阳能辅助碳捕集技术进展综述与性能比较

近年来,CO_2捕集技术正在从定向分离的单一过程向同步存储或利用的集成过程快速过渡。这种发展趋势也对太阳能辅助碳捕集的集成形式提出了更高的要求。本文综述了化学链燃烧、水合物法和热化学循环三种新型太阳能辅助碳捕集技术,从辅助方式、操作条件和性能等方面展开深入分析。围绕理想分离最小功和二次定律效率两个参数,对新技术和传统技术进行了性能评价和对比。结果说明了对于CO_2体积分数在5%~20%的混合气体,吸收法和热化学循环法的二次定律效率较高,发展较为成熟,而水合物法的分离最小功最小,理论上较易实现分离。新型太阳能辅助碳捕集技术可促进碳产品的生产,为全球碳循环的搭建完成了重要的一环。

面向碳中和目标的变温吸附碳捕集效能与技术经济性分析

碳中和目标的提出为我国低碳发展明确了方向,也对碳捕集技术未来的发展提出了新要求。由于吸附法具有能耗低、污染小和改造成本低的特征,成为重要的碳捕集技术之一。针对吸附碳捕集技术,比较了理想气体分离模型和再生分离模型的最小分离功计算方法。根据损失功概念,从再生温度、二氧化碳初始体积分数和二氧化碳回收率的角度,对变温吸附碳捕集技术的实际过程能效和捕集成本进行了分析。结果表明:再生分离模型的最小功大约是理想气体分离模型的1.2倍;变温吸附碳捕集的性能系数在1.6左右,运行成本约为40元/t。最后指出:吸附法作为空气直接碳捕集应用的重要方式,将进一步助力碳捕集与可再生能源的技术耦合;碳中和目标下,吸附碳捕集技术的发展需要政策、技术研发、商业模式的共同推进。

碳捕集能效分析研究进展:理论模型、评价工具和发展趋势

碳捕集和封存技术(CCS)能够有效减缓CO_2排放,但单位捕集能耗过高限制了规模化应用和发展。为解决这一瓶颈,需要从能源转换和能质转化观点出发,构建清晰的能效研究框架。本文首先综述了能效理论模型:分离模型、碳泵模型和过程模型,并从基础理论、模型特点和发展水平等方面进行比较。其后,基于热力学第一定律和第二定律归纳了现有能效评价工具和指标,并以典型捕集技术为案例,对其能效性能进行了对比评价,在方法论层面讨论了工具的应用意义。最后对碳捕集能效研究的发展趋势进行了梳理:可再生能源的集成可以补偿能耗损失,但会使能效分析更加复杂;考虑到碳质迁移全链条过程,需应用全生命周期评价(LCA)方法强化能效评价;实际运行的动态特性,要求能效分析模型的时间尺度需进一步缩小。本文综述的研究框架对碳捕集技术的能效研究具有一定的指导性。

电子级HF吸附法回收的节能降耗潜力分析

电子级氟化氢(HF)气体的回收具有良好的经济、环境、社会效益,吸附法是最有希望实现回收的方式之一。然而能耗问题限制其进一步发展,如何对其展开节能降耗尚未见专题研究。本文通过对吸附循环能耗等指标的计算,对吸附循环的性能展开了探索性研究。采用分子模拟技术,计算获得HF的吸附平衡等温线数据;建立变温吸附循环数值模型,明确评价循环效能的指标参数;改变吸附温度、压力等运行参数,分析能耗、能效等循环指标的变化趋势,探索降低能耗提升效率的方向。计算结果表明:吸附温度由298K降低到288K,回收单位质量HF能耗由14.0912MJ/kg降低为3.1173MJ/kg,能量利用效率由0.02升高到0.0953;解吸温度由340K升高到350K,能耗降低为12.0037MJ/kg,能量利用效率升高到0.0247。可以看出,降低吸附温度对降低能耗、提升能效的作用更加明显。此外,还得到以下结论:提高进气浓度对各指标均有积极影响;提高吸附压力仅对回收率有较大影响;冷热源与操作温度的差值仅影响产率大小。

用于乡村公共卫生安全的多功能气调机

新冠疫情爆发揭示了世界范围内公共卫生安全领域存在的艰巨挑战,尤其是公共基础设施弱、公共卫生安全意识薄弱的乡村地区。本文面向乡村防疫的特性需求,基于气固吸附和固载二氧化氯技术,开发了一种兼具灭菌、驱虫和富碳施肥的新型气调机装置。机组采用四床变电吸附(ESA)碳捕集与变压吸附(PSA)制氮循环结合的方法,对CO_(2)和N2进行富集;同时,将固载二氧化氯应用于吸附剂中,实现一定强度的杀菌效果。基于测试数据和模拟模型,对碳捕集循环中吸附和解吸温度的温差、制氮循环中出口流速和吸附压力对该气调机的分离性能(回收率、纯度、生产率)和能效性能(比能耗、最小分离功、第二定律效率)的影响进行分析。结果表明:CO_(2)的回收率、纯度、生产率均随温差的增大而升高;N2的纯度随出口流速的增大而降低,随吸附压力的增大而升高;N2回收率和生产率随出口流速和吸附压力的升高均呈现上升的趋势;系统比能耗随吸附压力的升高而升高,随温差和出口流速的增大均呈现降低的趋势;第二定律效率呈现与比能耗相反的变化趋势。模拟结果显示:当温差为105 K,出口流速为0.01 m/s,吸附压力为1 MPa时,CO_(2)和N2纯度均达到最大值,体积分数(VOL)分别为80.6%和97.05%,此时系统比能耗为2.13 MJ/kg,第二定律效率为4.71%,能效性能处于较好水平;即使在其他操作条件下,CO_(2)纯度普遍高于60%VOL,N2纯度普遍高于95%VOL,系统其他性能参数均可达到较高水平。

能质、品位和能势的概念及其应用综述

作为[火用]的衍生概念,能质和能量品位的应用近四十年来在热科学领域的实践中取得了巨大的成功,然而其概念和计算并未得到全面的厘定,相关应用的总结和归纳在文献数据库中也十分鲜见。本文基于文献调研,首先对能质和能量品位的概念历史发展进行了梳理,后对其概念计算方法及相关基准问题进行了说明,最后对该概念衍生的分析方法及其应用进行了介绍。另外,本文还对热力学语境下的能势概念进行了初步的整理。本文清晰展现了能质、品位和能势领域研究的历史和进展,有助于对相关概念的厘定和思考。

热力学碳泵循环构建:以变温吸附碳捕集为例

制约碳捕集技术实用化的重要瓶颈在于捕集能耗过高,而热力学是能源系统效能分析的有力工具。基于将热力学研究方法应用到碳捕集技术效能分析的思想,本文以变温吸附碳捕集为例,按照"物性-过程-冷热源-循环"顺序,完成热力学碳泵循环(TCPC)的构建,进而考察循环参数对总能耗和第二定律效率的影响。结果显示;循环能耗主要受循环温度、吸附剂和吸附相等影响,吸附相显热大约占循环总能耗的2%;第二定律效率区间为13.91%~21.21%,具有较高节能潜力;TCPC作为一种基于热力学思想的"量化规尺",可对碳捕集技术展开效能分析,进而对影响循环总能耗的主要因素进行归纳,并可通过第二定律效率对技术成熟度进行判断,有效挖掘碳捕集技术的节能潜力。

面向碳捕集系统的碳中性评价:研究框架及方法

作为应对全球气候变暖而提出的概念,碳中性主要是指在一定时空边界条件下,通过技术措施使得向大气中排放的净CO_2为零。随着近年来可再生能源、碳捕集等技术的快速发展,负碳甚至成为可能,因此碳中性概念框架需要不断调整,以应对新技术要素的填充。首先回顾了碳中性的既有定义和包含要素,并对碳中性框架内涵盖的时间、空间两边界尺度进行探讨,总结了文字、公式和图形三种碳中性定义的具体表达形式。特别地,本文提供的面向碳捕集系统的碳中性框架,可为碳捕集系统的环境友好性设计提供一种量化考察方法,从而服务碳捕集工程领域内的设计或评估工作。

太阳能辅助燃煤电厂碳减排的技术经济性比较

本文基于300 MW燃煤电厂的设计参数,针对四种典型燃煤电厂碳减排系统进行了发电量和碳减排量的比较。同时,从经济性角度分析且比较了四种燃煤电厂碳减排系统的均化发电成本(LCOE)和碳移除成本(COR)。结果显示在碳捕集率为50%条件下,当碳捕集设备的价格降低到原价的70%且有机朗肯循环(ORC)设备价格低于5065 CNY/kW时,太阳能ORC辅助碳减排的发电成本比太阳能直接辅助碳捕集系统低,此时太阳能ORC辅助系统在经济性上具备竞争力。

湿气源吸附碳捕集: CO_(2)/H_(2)O共吸附机制及应用

大型湿气源排放中普遍存在的水汽是制约吸附碳捕集规模化发展的重要挑战之一。H_(2)O的极性往往会导致吸附材料的CO_(2)捕集率降低甚至出现失效,也会造成捕集系统产生温降、压降等寄生损失,甚至形成设备腐蚀、吸附剂中毒等不利影响,最终额外能耗和成本大幅提高。为解决上述挑战,深入理解CO_(2)与H_(2)O共吸附过程的作用机制,据此开发成本合理、再生能耗低且对水气不敏感的高效CO_(2)吸附剂及吸附技术是实现湿气源下高效吸附碳捕集的重要途径。目前,由于分散在多个领域且各有侧重,关于H_(2)O对CO_(2)吸附影响的机制分析缺乏汇总与概括,难以形成相对统一的观点。本文针对CO_(2)与H_(2)O共吸附过程,从宏观与微观层面进行了详细综述。首先,基于共吸附机制的基础研究,依次介绍了竞争吸附、变湿吸附和呼吸效应领域的研究进展并进行了简要评价。其次,基于共吸附的应用研究,阐述了湿气源CO_(2)捕集技术的吸附剂研发与工艺改进两部分的现状及进展,也对不同湿气源下CO_(2)捕集水平进行了简要评价。最后,总结了目前研究中的不足之处并展望了未来的研究方向。本文将分散于各领域的CO_(2)与H_(2)O共吸附过程进行集中归纳、分析和对比,或可为湿气源碳捕集技术提供有效的指导。

变温吸附碳捕集系统能效性能对标分析

准确且合理的能耗分析对碳捕集技术规模化发展至关重要,其既是碳捕集技术节能降耗的必要前期准备,也是碳捕集过程开展绿色化、清洁化性能评价的重要数据基础。因此,在对碳捕集过程的能源转换共性展开探索的同时,迫切需要面向工程实践的需求,形成易于操作的能效性能对标分析方法,从而保证对类型技术的性能认知可以在合理且统一的评价平台上进行归纳与比较。本工作基于对标分析(Benchmarking Analysis)方法,对变温吸附碳捕集(TSA)过程的能耗分析方法进行了阐述,包括流程、参数、模型等。研究了吸附温度和解吸温度对TSA能效性能结果的影响,演示并量化了该方法的可行性,重点对边界变化对评价结果的影响进行了讨论。提出的对标分析方法对碳捕集技术的能效性能对标评估给出了较具体的指导。

CO_(2)吸附床内不同换热器对系统性能的影响分析

现阶段,碳捕集技术的能耗值较高导致迫切需要在传统碳捕集系统中引入换热器来增强传热传质。不同内置换热器形式导致碳捕集吸附床能耗数据很难在公平的平台上进行比较,因此迫切需要能效性能对标方法来实现横向的比较分析,从而保证能耗结果能在统一的评价平台上进行相互验证和对比优化。本工作基于对标分析方法,研究了吸附温度和解吸温度对变温吸附碳捕集系统下单管和三管换热器(模拟)、双管换热器(实验)吸附床的能效性能结果的影响。

吸附碳泵循环构建与能耗分析:从热力学角度

从热力学角度审视制约吸附法碳捕集技术推广和工业化应用的能耗问题,其实质是对捕集过程中能量在不同形式之间转换机制的深入认识问题.应用热力学中的"循环"这一成熟概念和衍生工具,对能量转换问题展开专题分析应是恰当的。本文基于热力学碳泵概念,从热力学角度进行吸附碳泵循环的构建与能耗分析,将碳捕集能耗分析模型具化至循环层面。从热力学第一定律角度,基于无限碳源、汇假设,定义工作于碳源、汇之间的吸附碳泵循环,形成抽象模型求解理想功耗及循环COPCO2,与混合气体分离模型(MGS)分析结果进行对比,并分析关键循环参数的影响;从热力学第二定律角度,基于状态点过程解耦方法"白箱化"吸附碳泵循环中具体过程,形成具体模型分析循环中熵增、熵产机制,证实优化传热过程、提升吸附剂性能作为有效降低能耗策略在热力学层面的恰当性。