基于优化胺混合物的机载二氧化碳捕获集成过程模拟与经济评估

《ACS Omega》：Integrated Process Simulation and Economic Evaluation of Onboard CO2 Capture Using Optimized Amine Blends

针对IMO减排目标，本研究以35,000 DWT船舶为对象，通过Aspen模拟系统优化了胺基溶剂（包括单胺和MDEA-PZ等混合胺）的船载碳捕获系统。结果表明，MDEA 20 wt%与PZ 10 wt%混合溶剂结合废热锅炉（WHB）后，实现65.8%的再生器能耗降低，液气比1.57，CO2负荷0.55，设备占地面积仅0.4%船体面积。经济分析显示碳税达27.15 USD/tonCO2时，该系统较传统船舶更具成本优势。

　　### 中文解读：船舶碳捕集技术的优化与应用研究

随着全球对气候变化问题的关注日益加深，减少温室气体排放成为各国共同面对的挑战。其中，二氧化碳（CO?）作为主要的温室气体之一，占据了全球排放总量的约80%，因此，其减排成为了气候缓解的关键任务之一。在众多行业中，航运业的贡献不容忽视，据估计，其占全球温室气体排放的3%-4%。尽管航运业近年来在绿色技术上取得了进展，但目前仍有超过99%的船舶仍在使用化石燃料。因此，发展船舶上的碳捕集与封存（CCS）技术，以减少燃烧过程中产生的二氧化碳排放，成为实现可持续发展的关键手段之一。

为应对这一挑战，国际海事组织（IMO）在其第80届海洋环境保护委员会（MEPC）会议上通过了新的温室气体减排策略。根据该策略，到2030年，国际航运的总温室气体排放量需比2008年减少至少20%（并努力达到30%），并在2050年前实现净零排放。这一目标促使造船业开始探索使用替代燃料，如氨或甲醇，以减少船舶运行过程中的碳排放。然而，由于现有船舶无法轻易更换燃料，仍需依赖化石燃料，因此，船舶碳捕集技术的研究变得尤为重要。

本研究围绕船舶碳捕集系统，对多种基于胺类溶剂的单胺和混合溶剂进行了系统性优化分析。研究目标是通过降低再沸器的能耗，提高系统效率，并确保其在实际船舶应用中的经济可行性。所选的溶剂包括三种单胺：单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇胺（MDEA），以及四种混合溶剂：MDEA + MEA、MEA + PZ、MDEA + PZ和MDEA + DEA + MEA。通过分析关键性能指标，如溶剂循环率、CO?负载能力和再沸器负荷，评估不同溶剂系统在碳捕集过程中的表现。

为了实现更高的捕集效率和更低的能耗，研究引入了废热回收系统。该系统利用船舶发动机排放的高温烟气进行余热回收，以降低再沸器所需的外部蒸汽和能源输入。通过模拟和优化，研究发现，废热回收系统的引入能够显著降低再沸器负荷，达到约65.8%的能耗减少。此外，研究还考虑了不同工况下船舶发动机负荷对系统性能的影响，确保捕集系统在不同运行条件下仍能保持高效和经济性。

在对混合溶剂的研究中，发现MDEA与PZ的混合溶剂表现出最优的性能。其负载能力达到0.55，并且在废热回收系统支持下，再沸器负荷显著降低。这种溶剂组合在优化后的模拟结果中展现出最低的能耗，这为船舶碳捕集技术的商业化应用提供了有力支持。此外，研究还对设备尺寸进行了分析，以确保系统能够在有限的空间内高效运行。通过模拟计算，得出的捕集系统所需安装面积约为20.85平方米，占目标船舶总面积的0.4%。这一结果表明，该系统具有良好的空间适应性，适合安装在现有船舶上。

在经济评估方面，研究综合考虑了溶剂成本、能源需求以及碳税带来的收益。通过资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）的计算，得出捕集每吨CO?的成本约为19.62美元。当将资本支出进行摊销后，总捕集成本增加至32.77美元/吨。然而，在碳税政策的支持下，捕集系统的经济优势变得更加明显。例如，假设碳税为27.15美元/吨CO?，捕集系统将比传统船舶更具成本效益。因此，该研究不仅提供了技术上的优化方案，也为航运业在碳税政策下的经济可行性提供了依据。

通过对比不同溶剂的性能和能耗，研究进一步揭示了优化溶剂组合的重要性。例如，MEA虽然具有较高的反应速率和吸收效率，但其再生能耗较高，导致整体系统成本上升。相比之下，DEA的再生能耗较低，但其吸收速率较慢。MDEA则因其较低的反应性而需要与其他胺类混合以提高性能。通过调整混合比例，研究发现MDEA + PZ的混合溶剂在捕集效率和能耗之间取得了最佳平衡，使其成为船舶碳捕集系统的优选方案。

此外，研究还分析了不同工况下废热回收系统对蒸汽需求的影响。随着发动机负荷的降低，烟气流量减少，从而降低了系统对蒸汽的需求。然而，由于捕集效率和CO?负载能力保持不变，蒸汽需求的减少幅度与发动机负荷的变化成正比。这一发现有助于设计更灵活的碳捕集系统，使其能够适应不同运营条件下的需求变化。

在设备选型和安装方面，研究通过模拟计算得出，捕集系统所需的主要设备包括冷却塔、吸收塔、再生塔和换热器。其中，冷却塔和吸收塔的设计需要充分考虑烟气冷却和溶剂吸收过程中的热力学特性。而再生塔和换热器的设计则需兼顾能耗和设备尺寸。通过调整设备尺寸，研究确保了系统的紧凑性和经济性，同时也提高了运行的安全性和稳定性。

综上所述，本研究通过对多种胺类溶剂的系统性优化，提出了一种高效的船舶碳捕集方案。该方案不仅在技术上实现了低能耗和高捕集效率，还在经济上展示了捕集系统的可行性。特别是MDEA + PZ混合溶剂的引入，显著降低了再沸器负荷，同时保持了较高的捕集效率。此外，废热回收系统的集成进一步提升了系统的整体能效，使得船舶在碳税政策下具备更强的经济竞争力。

这一研究为航运业提供了重要的技术参考，同时也为未来船舶碳捕集系统的研发和应用奠定了基础。随着全球对碳减排要求的不断提高，基于优化溶剂和废热回收的碳捕集技术将成为实现绿色航运的重要工具。此外，研究还强调了模块化设计在船舶碳捕集系统中的重要性，这不仅有助于提高系统的灵活性，还能降低安装和维护成本，提高整体的经济性。

在实际应用中，这一优化方案需要结合具体的船舶设计和运营条件进行调整。例如，不同船舶的排气温度、发动机负荷和空间限制可能会影响系统的最佳配置。因此，未来的研发应更加注重实际操作中的参数调整和系统优化，以确保技术方案能够广泛适用于各类船舶。同时，随着碳税政策的实施，捕集系统的经济优势将更加突出，推动其在航运行业的应用。

总体而言，本研究通过系统性分析和模拟，揭示了船舶碳捕集技术的优化路径，并为实现低能耗、高效率和经济可行的碳捕集系统提供了重要支持。这一成果不仅有助于航运业减少碳排放，也为全球碳中和目标的实现贡献了关键力量。未来，随着技术的进一步发展和政策的不断完善，船舶碳捕集系统有望成为绿色航运的重要组成部分。