变温吸附碳捕集机组标准化测试方案探讨及性能实验.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 7 期变温吸附碳捕集机组标准化测试方案探讨及性能实验白亚迪1，2，邓帅1，2，赵睿恺1，2，赵力1，杨英霞3（1 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300350；2 天津市超低能耗碳捕集国际联合研究中心，天津 300350；3 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）摘要：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。关键词：二氧化碳捕集；二氧化碳吸附；对标分析；实验；标准化中图分类号：TQ116.3；X701 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）07-3834-13Exploration on standardized test scheme and experimental performance of temperature swing adsorption carbon capture unitBAI Yadi1，2，DENG Shuai1，2，ZHAO Ruikai1，2，ZHAO Li1，YANG Yingxia3(1 Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy(Tianjin University),Ministry of Education of China,Tianjin 300350,China;2 International Cooperation Research Center of Carbon Capture in Ultra-Low Energy-Consumption,Tianjin 300350,China;3 China Academy of Building Research,Beijing 100013,China)Abstract:Temperature swing adsorption(TSA)technology for carbon capture is one of the effective means to control carbon emissions and achieve the targets of“carbon emission peak”and“carbon neutrality”.However,due to the lack of a relatively complete measurement system and an executable standardized test scheme,the test results of unit performance are quite different,and the difficulty in grasping the trend and performance iteration caused by the lack of regularity is not conducive to the industrial development of TSA.In this paper,a standardized test scheme including test conditions,performance evaluation indicators,data measurement and collection was initially proposed,and the performance test of the physical unit of the prototype scale was carried out.The results showed that the scheme was highly executable and can provide reference for the performance evaluation of related units.In addition,the performance test results of the unit showed that the operation state of the unit was easy to 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1582收稿日期：2022-08-26；修改稿日期：2022-11-15。基金项目：天津市自然科学基金重点项目（22JCZDJC00540）。第一作者：白亚迪（1998），男，硕士研究生，研究方向为二氧化碳吸附。E-mail：。通信作者：邓帅，教授，博士生导师，研究方向为二氧化碳吸附、中低温热能高效利用。E-mail：。引用本文：白亚迪,邓帅,赵睿恺,等.变温吸附碳捕集机组标准化测试方案探讨及性能实验J.化工进展,2023,42(7):3834-3846.Citation：BAI Yadi,DENG Shuai,ZHAO Ruikai,et al.Exploration on standardized test scheme and experimental performance of temperature swing adsorption carbon capture unitJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(7):3834-3846.38342023年7月白亚迪等：变温吸附碳捕集机组标准化测试方案探讨及性能实验control,and the purity and recovery rate could reach more than 90%,but the energy efficiency was between 3.5%and 6.5%,with great potential for improvement.The benchmarking analysis found that the loss of energy consumption of pipes and other components in the unit accounts for 30%40%.Therefore,it was necessary to further reduce consumption and improve efficiency by optimizing the pipeline layout,improving the heat exchange efficiency in the adsorption chamber,and optimizing the desorption temperature,vacuum pressure and other operating parameters.Keywords:CO2 capture;CO2 adsorption;benchmarking analysis;experiment;standardization标准是实现“双碳”目标必要的技术基础，2021年出台的国家标准化发展纲要要求建立健全碳达峰、碳中和标准1，这需要加快相关领域的高质量标准供给。随后，国家碳达峰、碳中和标准化总体组成立，以期加强标准化工作的统筹协调2；市场监管总局等16部门联合印发的行动计划中列出了实施碳达峰、碳中和标准化提升工程的重点任务，涉及节能和能效、温室气体管理、可再生能源、碳捕集利用与封存等多个领域3；国家能源局4也发布了能源领域的标准化提升行动计划，明确了非化石能源、新型电力系统、储能、氢能、能效提升以及产业链碳减排方面的标准化建设任务。在国际能源署（IEA）提出的可持续发展情景中，碳捕集、利用与封存技术（CCUS）贡献的累计减排量比例约为15%5，其技术发展、项目实施等都亟需标准的支持。捕集作为整个技术链条中至关重要的前置环节，加快修订一批碳捕集领域的标准对于促进相关技术的发展具有重要引领作用。在碳捕集领域，我国现行标准有5项，其中国家标准1项，对应用化学吸收法的碳捕集系统的工艺流程设计进行了规范6；行业标准3项，对应用于燃煤烟气的化学吸收法碳捕集系统的所用装备、系统调试及运行维护工作进行了规定7-9；团体标准1项，规定领域内相关的专业术语10。此外，由中国华能集团牵头的国际标准ISO 27927燃烧后CO2捕集吸收溶液的关键性能指标及测试方法已正式立项11；由国家能源集团牵头制定的国家标准火力发电厂烟气二氧化碳捕集系统能耗测定技术规范也已立项12。由此可见，目前的标准多面向吸收法，近年来在中小型点源排放控制方面备受青睐的吸附法的标准还处于空白状态。该技术目前的技术成熟度（TRL）在57，处于示范前端至初步示范阶段13。按照吸附剂再生的方式不同，吸附法主要分为变压吸附（PSA）和变温吸附（TSA）两类。TSA由于无需对常压状态下的烟道气进行压缩且可以利用低品位的余热作为驱动吸附剂再生的能源14，具有较大的节能提效潜力而受到广泛关注。一般而言，某项技术的一次能耗水平往往与其工业应用规模呈现紧密相关性，图115-36汇总了当前报道的不同类型的吸附碳捕集技术的吸附腔容积及相应的单位能耗。从图中可以看出，PSA的单位能耗通常低于3.00MJ/kg，而TSA的单位能耗整体略高且跨度范围较大，从1.15MJ/kg到12.6MJ/kg不等，而且多以模拟为研究方法，应用实验方法的成果较少且多为原理验证实验，吸附腔容积较小，大多在107104m3之间，这表明目前TSA技术仍多集中于实验室级别，成熟度较低。TSA技术的发展与规模化推广必须协调好付出与收益之间的关系。技术层面涉及技术性能，即追求性能的提升，研究人员在这一方面做了大量工作。首先是新型吸附剂的开发，主要优化方向为吸附能力强、选择性高、机械强度高、化学/热稳定性高、吸附热小以及成本低14，基本思路是扩大碳基、沸石、MOF等吸附材料的比表面积，改善其孔结构以及进行表面改性。其次是工艺流程和装置的设计与改进，比如Wang等37通过实验研究了结合变温和变压两种再生方式所形成的 TVSA 的性能，结果显示，TVSA的再生条件与VPSA和TSA相比变得更加温和，无需很低的真空压力和较高的加热温度，具有经济性。Jung等38研究了一种从冷却过程中回收显热以实现内部热量集成的多固定床快速变温吸附技术，分析结果表明该技术经优化后的能耗为 272kWh/t，显热回收率为 58%。Zhao等39提出将太阳能集成到TPSA系统中用于CO2捕集，结果表明该技术在不同吸附剂下的能耗范围为25.9687.76kJ/mol。Jiang 等40指出在四步 TSA 循环中加入热回收过程，理论效率将提高 20%30%。最后是运行参数的优化，比如Mulgundmath等41设计了实验室规模的使用热气直接吹扫再生的TPSA系统，结合响应曲面法评估了各参数（吹扫进料比、吹扫时间、吹扫气温度和吸附塔压力）及参数间的相互作用对CO2回收率的影响程度。化工进展，2023，42（7）