双移动床钙循环工艺：优化CO2捕集效率与能量利用的创新研究

《Cardiac Electrophysiology Clinics》：Dual moving bed calcium looping process: Optimizing CO 2 capture efficiency and energy utilization

本研究针对传统双流化床(DFB)钙循环(CaL)过程存在CO2捕集效率受限、煅烧炉能耗高等问题，提出了双移动床(DMB)反应器新构型。通过多级热力学平衡模型模拟气固逆流反应，实现在RCa/C=4时CO2捕集效率超95%，煅烧炉能耗降至3.61 GJ/t CO2，为工业碳捕集提供了高效低耗新方案。

　　

随着工业革命以来化石燃料的大规模使用，温室气体排放导致全球变暖问题日益严峻。其中二氧化碳(CO₂)作为主要贡献者，2024年全球排放量已达37.8 Gt，大气CO₂浓度较工业革命前上升约50%。作为应对气候变化的关键技术，燃烧后碳捕集技术因其对现有工业设施改造要求较低而备受关注。钙循环(Calcium Looping, CaL)技术凭借其原料丰富无毒、能耗相对较低等优势，在过去二十年取得了显著进展，多个兆瓦级中试项目已投入运行。

然而，传统双流化床(Dual Fluidized Bed, DFB)钙循环系统仍面临煅烧能耗高、废热利用差等技术瓶颈。煅烧炉能耗约占系统总能耗的37%，且高速气流对气固反应动力学要求严苛，颗粒在循环过程中易磨损导致系统稳定性下降。这些因素制约了该技术的商业化进程。

为突破这些限制，研究人员从成熟的石灰竖窑技术中获得灵感，开发了双移动床(Dual Moving Bed, DMB)反应器构型。移动床反应器采用气固逆流操作模式，天然形成预热、煅烧和冷却区，具有热效率高、颗粒磨损小等优势。本研究通过建立多级热力学平衡模型，系统比较了DMB CaL系统与传统DFB配置的性能差异。

关键技术方法包括：采用Aspen Plus软件中的多级RGibbs模块构建气固逆流移动床反应器模型，通过9级平衡级模拟碳化器和煅烧炉内的反应过程；基于实验测得的吸附剂循环转化率数据确定吸附剂需求量；使用特定能耗(SPECCA)指标量化碳捕集能耗 penalty。

3.1. 碳化器反应器设计

研究发现移动床碳化器通过气固逆流接触实现了温度分区控制。在R_Ca/C=4、进气温度120°C条件下，将循环吸附剂冷却至500°C可保证CO₂捕集效率超过95%。轴向温度分布显示，烟气从底部120°C被预热至710°C，而吸附剂从顶部500°C被加热至反应温度，形成理想的温度梯度。与650°C操作的流化床碳化器相比，移动床构型使CO₂捕集效率提升3%以上，固体出口温度提高约60°C，为后续煅烧过程节省了能耗。

3.2. 煅烧炉反应器设计

移动床煅烧炉通过逆流换热实现了高效热集成。当氧气浓度为50 vol%、进气温度600°C时，可实现CaCO₃完全转化。与流化床煅烧炉相比，移动床构型对氧气浓度变化不敏感，燃料消耗稳定在3.54 GJ/t CO₂左右。在固体进口温度710°C条件下，移动床煅烧炉比流化床配置降低燃料消耗13.71%，结合碳化器出口高温固体带来的5.04%节能，总能耗降幅显著。

3.3. 燃煤电厂集成DMB CaL工艺

将DMB CaL系统与500 MWe燃煤电厂集成后，CO₂捕集效率达97%，最终产品纯度达97.36 vol%。系统净发电效率为30.74%，比DFB CaL工艺提高0.4个百分点。特定能耗(SPECCA)降至2.40 GJ/t CO₂，较传统工艺降低8.40%。

研究结论表明，双移动床钙循环工艺通过气固逆流操作和内部热集成，显著提升了CO₂捕集效率并降低了能耗。该构型使碳化器在保持高捕集效率的同时产出高温固体，煅烧炉通过逆流换热减少燃料需求，整体系统能耗降低19.78%。当集成到燃煤电厂时，净发电效率提升至30.74%，SPECCA降至2.40 GJ/t CO₂。这些改进增强了钙循环技术的技术经济竞争力，为工业碳捕集提供了新路径。未来建议进行技术经济分析和实验验证，以进一步优化反应器设计和操作条件。