摘要:
能耗问题是制约碳捕集技术大规模应用的重要技术瓶颈之一,本文从能量转化的角度引入热力学碳泵这一概念作为能效分析的理论原点,包括基础概念、理论模型和评价指标等。此外,在初步建立热力学碳泵理论的基础上,针对具体碳捕集技术的热力学碳泵系统模型进行更进一步的分析。
关键词:碳捕集,热力学,理想能耗,二次效率,吸附
热力学碳泵基础理论
起源
定义
概念层面:一种工作在碳源与碳汇之间的理想装置,通过功驱动, 实现CO2从低浓度向高浓度的富集。
功能层面:一种基于热力学的理论分析工具,它可以对CO2捕集过程中的能源转换关系进行简化分析。
功能
量化规尺:在固定碳源和碳汇之间,对碳捕集过程中的能源转化问题进行量化计算,得到理论能耗和效率上限。
性能比较:对不同技术实现高度抽象化提炼,从而实现不同碳捕集技术能效性能的横向比较.
理论框架:在CCS能效研究中可充当一个合理的理论工作框架和平台。
模型示意图
评价参数
理想能耗表征捕集过程的难易程度,实际能耗表征实际捕集每单位CO2所需的能量,第一定律效率表征碳泵富集过程的能效性能,第二定律效率表征实际过程中能耗距离理想过程能耗的相对程度。
工程应用
图CO2源汇约束条件下:(a)理想能耗;(b)修正系数;(c)热力学第一定律效率;(d)CO2捕集率
变温吸附碳捕集技术能效问题的数值计算研究
在本文设计工况下,使用沸石13X吸附材料的TSA系统的第二定律效率在4.51%到17.94%之间。提高原料气中CO2浓度、降低吸附温度或提高解吸温度可以降低捕集能耗并提高热力学第二定律效率。此外,吸附塔外壁能耗占比最高,约为42%-52%。
单塔四步变温吸附碳捕集循环
数学模型
计算结果(以吸附温度示例)
图实际能耗和能耗比例随吸附温度的变化趋势
图CO2回收率、产品气浓度、理想能耗和第二定律效率随吸附温度的变化趋势
变温吸附碳捕集能效窗口图
能耗结构比例
可再生能源集成
真空变压吸附碳捕集技术能效问题的实验研究
在实验工况下使用分子筛HYG10E吸附材料的实验系统的第二定律效率在2.13%到3.62%之间。提高原料气中CO2的浓度、提高吸附压力或者减小吹扫气流量可以提高捕集过程的第二定律效率。此外,真空泵具有最大的节能潜力。
实验系统
实验材料
实验结果
图:吸附腔内不同位置在CO2浓度为16.13vol%、吸附压力为0.193MPa和吹扫流量为2.4sl/min时的温度变化图
图:CO2浓度为16.13%、吸附压力为0.193MPa和吹扫流量为2.4sl/min时温度和压力的变化图
图:CO2浓度为16.13%、吸附压力为0.193MPa和吹扫流量为2.4sl/min时流量、CO2浓度和真空泵功率的变化图
图:吸附压力为0.193MPa和吹扫流量为2.4sl/min时四步VPSA实验CO2浓度在8.20%、16.13%和23.80%的能效性能
图:CO2浓度为16.13%和吹扫流量为2.4sl/min时四步VPSA实验吸附压力在0.054MPa、0.133MPa、0.193MPa和0.269MPa的能效性能
图:CO2浓度为16.13%和吸附压力为0.193MPa时VPSA实验吹扫流量在1.9sl/min、2.4sl/min和3.4sl/min的能效性能
科研成果:
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何俊南, 邓帅, 赵力等. 碳捕集能效分析研究进展: 理论模型、评价工具和发展趋势 [J]. 化工进展.
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邓帅, 何俊南, 王珺瑶等. 热力学碳泵: 概念, 理论分析和案例研究 [C]. 中国工程热物理学术2017年会, 宁波, 中国.
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何俊南, 刘一楠, 赵睿恺等. 一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统[P]. CN105797541A. (发明, 实质审查)
何俊南, 邓帅, 赵睿恺等. 一种太阳能光热辅助的变温吸附碳捕集系统[P]. 201610866783.0. (发明, 实质审查)
何俊南, 邓帅, 赵力等. 太阳能有机朗肯循环辅助的变压变温耦合吸附碳捕集系统 [P]. 201710057061.5. (发明, 实质审查)
何俊南, 邓帅, 赵力等. 一种多功能气体水合物系统 [P]. 201710268807.7. (发明, 实质审查)
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天津大学赵力教授课题组
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