工业纸浆厂碳捕集系统能耗优化新策略：基于废热价值化的电能惩罚削减研究

《BioEnergy Research》：Reducing Electricity Penalty of Carbon Capture by Waste Heat Valorization in an Industrial Pulp Mill

为解决工业碳捕集（特别是BECCS）过程中因蒸汽提取导致的高电能惩罚问题，研究人员开展了基于MEA的碳捕集系统与纸浆厂工艺集成优化研究。通过评估烟气余热回收、蒸汽发生热泵（SGHP）等集成策略，发现SGHP可将电能惩罚降至0.50 MJ/kg CO2，并实现90%的CO2捕集效率，为工业碳减排提供了低能耗解决方案。

　　

随着全球气候变暖问题日益严峻，工业领域作为碳排放的“大户”，其减排进程直接关系到《巴黎协定》温控目标的实现。其中，制浆造纸行业虽以生物质为主要原料具有一定碳中性优势，但其生产过程中回收锅炉（RB）和石灰窑（LK）等环节仍会释放大量CO₂。生物能源结合碳捕集与封存（BECCS）技术被联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）列为实现1.5°C温控目标的关键路径之一。然而，当前主流的单乙醇胺（MEA）化学吸收法虽能实现90%以上的高捕集效率，其溶剂再生所需的高能耗（尤其是再沸器负荷）却成为制约该技术大规模应用的“阿喀琉斯之踵”。在纸浆厂这类能源自平衡体系中，碳捕集过程所需的低压蒸汽（LPS）通常需从汽轮机中抽取，这会直接导致发电量下降，产生所谓的“电能惩罚”（Electrical Energy Penalty， EEP），严重影响工厂的经济效益和运营稳定性。那么，能否通过工艺优化和废热利用来打破这一僵局，实现碳捕集与能源效率的“双赢”？发表于《BioEnergy Research》的最新研究给出了令人鼓舞的答案。

为了精准评估碳捕集系统在真实工业环境中的能耗表现，研究团队选取乌拉圭Montes del Plata（MdP）纸浆厂为案例，利用Aspen Plus软件构建了MEA吸收-解吸全流程模型。该模型采用基于速率的计算方法，通过分段离散化处理准确描述了CO₂在吸收塔和解吸塔内的传质、反应及能量平衡过程。研究人员首先通过对比不同动力学参数（如Hikita、Kucka等模型）与中试实验数据（如Tontiwachwuthikul团队和CESAR项目的温度/CO₂分压剖面），验证了模型的可靠性，最终选定Hikita动力学参数作为后续模拟的基础。在模型验证基础上，团队针对MdP厂区每日4500绝干吨浆的产能，对吸收塔（设计为两座直径10.15米、高15米的塔器）和解吸塔（两座直径7.22米、高9米的塔器）进行了详细尺寸设计，确保其满足90%捕集效率和5%贫溶剂负载率的操作目标。

敏感性分析与参数优化

通过系统分析捕集效率、解吸塔进料温度和解吸塔操作压力等关键参数对再沸器负荷的影响，研究发现：将富MEA溶液进料温度从74°C提升至102°C，可降低23%的再沸器能耗（从4.67 MJ/kg CO₂降至3.61 MJ/kg CO₂）；而将解吸塔压力从1 bar提升至1.8 bar，则能通过提高CO₂分压优化解吸效率，但需警惕超过120°C可能引发的MEA溶剂降解风险。这些优化为后续能耗削减奠定了基础。

碳捕集对工厂能源平衡的冲击

模拟显示，若直接采用汽轮机抽汽（LPS）为RB和LK的MEA系统供热，捕获90%的CO₂需消耗250 MW热能（对应蒸汽流量118.62 kg/s），但MdP厂实际可用的LPS仅50 kg/s，仅能支持捕获RB排放的38% CO₂（29 kg/s），并导致23.15 MW的发电损失（EEP为0.80 MJ/kg CO₂）。这一结果凸显了传统碳捕集模式对工厂能源系统的巨大压力。

工艺集成策略的创新应用

为解决蒸汽供需矛盾，研究团队评估了三种集成方案：

1. 1.
   烟气余热回收：直接利用LK烟气（280°C）为解吸塔供热，可将LK的EEP从0.86 MJ/kg CO₂降至0.72 MJ/kg CO₂，但RB烟气因已用于工厂给水预热，可利用潜力有限。
2. 2.
   蒸汽发生热泵（SGHP）：采用环保工质R1233zd的高温热泵，将85°C的废热水提升至135°C生成蒸汽，可大幅降低对汽轮机抽汽的依赖。该方案使RB的CO₂捕集率提升至90%，同时将EEP显著降至0.51 MJ/kg CO₂，成为最具潜力的集成方案。
3. 3.
   燃烧空气预热改造：通过增设水-空气换热器替代部分中压蒸汽（MPS）预热空气，可节省5.75 kg/s蒸汽用于发电，但对EEP的改善效果较微弱。

集成策略的综合评估

研究引入电能惩罚（EEP）作为核心评价指标，对比发现：SGHP方案在实现90%高捕集率的同时，将EEP控制在0.50–0.30 MJ/kg CO₂的较低水平，远优于无集成方案（0.80–0.86 MJ/kg CO₂）。而烟气余热和空气预热策略因可用能量有限或蒸汽替代量小，仅能作为辅助手段。

这项研究通过严谨的流程模拟和集成创新，证明了蒸汽发生热泵（SGHP）在工业碳捕集系统中的核心价值。它不仅有效化解了传统MEA技术对高品质蒸汽的依赖难题，更通过废热价值化将电能惩罚（EEP）降至0.50 MJ/kg CO₂的行业新低。这一成果为高能耗行业的碳减排提供了兼具技术可行性与经济性的解决方案，尤其对纸浆、钢铁、水泥等拥有大量中低温废热的工业场景具有重要借鉴意义。未来，随着高温热泵技术的持续进步和碳交易市场的成熟，SGHP耦合MEA的碳捕集模式有望成为工业领域迈向“净零排放”的关键桥梁。