优化联合循环和集成ORC（有机 Rankine循环）废热回收系统，以提高水基燃烧后碳捕获过程中的能源效率

《COMPUTERS and EDUCATION》：Optimizing combined cycle and integrated ORC waste heat recovery for enhanced energy efficiency in aqueous post-combustion carbon capture

水基燃烧后碳捕集系统设计优化，通过Aspen Plus模拟提出多策略废热回收方案，集成有机朗肯循环实现热效率提升至52.34%，降低电价至73.35美元/MWh，碳捕集成本83.69美元/吨。

　　本研究致力于设计和评估一种高效的水基后燃烧碳捕集（APCC）系统，其目标是通过Aspen Plus软件平台实现碳捕集过程中的能量产出与消耗比最大化。随着全球气候变化问题的日益严峻，各国纷纷制定减排政策，力求在21世纪中叶实现净零温室气体排放。然而，尽管可再生能源技术如太阳能和风能已经取得了显著进展，但它们在电网稳定性、供需平衡以及成本竞争力方面仍面临挑战。因此，化石燃料，尤其是天然气，仍然在未来的能源结构中占据重要地位。与此同时，碳捕集与封存（CCS）技术被视为实现碳中和或负排放的重要过渡方案，能够有效减少温室气体排放，同时满足能源需求。

在碳捕集技术中，后燃烧捕集（PCC）因其成熟的技术路径和广泛的适用性，成为当前最具商业前景的解决方案之一。PCC技术主要通过吸收剂从烟气中捕集二氧化碳，常见的吸收剂包括胺类化合物，如单乙醇胺（MEA）和二乙醇胺（DEA）。这些吸收剂能够高效地捕集二氧化碳，但其使用也伴随着较高的能耗和操作成本。例如，传统胺类系统在溶剂再生过程中需要消耗3至4.5吉焦/吨二氧化碳的能量，这不仅增加了运行成本，还对环境和设备材料造成一定影响，如腐蚀问题和有毒副产物的排放。

鉴于上述挑战，水基后燃烧碳捕集（APCC）系统作为一种新兴技术，正逐步引起关注。APCC系统利用水的物理特性，在特定的温度和压力条件下，通过可逆的水合反应捕集二氧化碳。当含有二氧化碳的气体流与水接触时，二氧化碳会溶解于水中，形成碳酸（H?CO?），随后进一步解离为碳酸氢根（HCO??）和氢离子（H?），甚至可能解离为碳酸根（CO?2?）。该过程依赖于温度和压力的变化，低温和高压条件下二氧化碳的溶解度显著提高，这为APCC系统的高效运行提供了理论基础。

APCC系统的一个显著优势在于其无需化学溶剂的特性，避免了传统胺类系统的诸多问题。例如，水作为吸收剂几乎不产生任何成本，且无需持续补充和回收，大大降低了运营复杂性和废物处理费用。此外，APCC系统在操作过程中具有更高的稳定性，因为水不会像胺类溶剂那样因烟气中的硫氧化物（SO?）、氮氧化物（NO?）和氧气（O?）而发生降解，从而减少了预处理步骤和潜在的有害废物排放。这些特点使得APCC系统在经济性和环境友好性方面具备较强竞争力。

然而，APCC系统在实际应用中仍面临一些关键挑战。首先，其能量需求相对较高，尤其是在捕集和再生过程中。为了克服这一问题，研究团队探索了多种废热回收策略，以提高系统的整体效率并降低运营成本。其中，优化的燃气-蒸汽联合循环（GT-CC）配置和有机朗肯循环（ORC）技术被证明是有效的解决方案。通过GT-CC配置，研究人员成功提升了燃气轮机（GT）循环的能源效率，从原来的33.95%提高至41.43%，同时将热效率提高至52.34%。此外，GT-CC系统还实现了10.9%和11.6%的能量和热力学效率提升，进一步降低了单位发电的碳税成本，使其达到73.35美元/兆瓦时。

在ORC技术方面，研究团队评估了17种不同的工作流体，最终确定了R227ea作为最佳选择。R227ea在12.23%的热力学效率下能够产生21.1兆瓦的电力输出，显著提升了废热回收的经济性和可行性。通过内部能量回收和ORC技术的集成，APCC系统能够满足其自身约701.13%的能量需求，从而减少了对外部电力输入的依赖。这种高效的能量回收机制使得APCC系统在运行过程中能够实现更高的净输出，达到168兆瓦的发电能力。

此外，研究还探讨了通过预热空气提高燃气轮机效率的策略。通过预热空气，GT循环的能量效率提升了7.48%，这不仅优化了燃烧过程，还降低了整体能耗。这种优化策略在实际应用中具有重要意义，因为它能够在不牺牲系统性能的前提下，减少能源消耗，提高系统的经济性和环境友好性。

在碳捕集技术的比较分析中，APCC系统与传统的胺类吸收系统进行了直接对比。结果显示，APCC系统在能量需求和资本支出方面均优于传统系统。传统胺类系统在溶剂再生过程中需要消耗大量能量，而APCC系统通过物理吸收方式，将能量需求降低至2至3.5吉焦/吨二氧化碳，相比传统系统减少了40至50%。同时，APCC系统的资本支出也降低了30至40%，使其在经济性方面更具优势。

值得注意的是，APCC系统在操作过程中对烟气中的污染物具有更高的耐受性。传统胺类系统容易受到硫氧化物和氮氧化物的侵蚀，导致溶剂降解和设备腐蚀，从而增加了维护成本和运行复杂性。而APCC系统则能够有效避免这些问题，因为它利用水作为吸收剂，不会与烟气中的污染物发生化学反应。这种特性使得APCC系统在处理多种类型的烟气时更加灵活和可靠。

在环境影响方面，APCC系统同样表现出色。通过废热回收和高效能量利用，APCC系统能够显著降低单位发电的碳排放量。研究团队计算得出，APCC系统的单位二氧化碳捕集成本为83.69美元/吨，而其单位发电的碳捕集成本（LCOC）为71.60美元/兆瓦时。这些数据表明，APCC系统在实现碳捕集的同时，能够有效降低能源成本和环境影响，为实现碳中和目标提供了可行的技术路径。

APCC系统的优势不仅体现在能源效率和经济性上，还在于其在系统集成方面的灵活性。由于其非反应性吸收特性，APCC系统可以适应多种类型的烟气来源，包括燃气轮机和工业过程排放。这种灵活性使得APCC系统能够广泛应用于不同规模和类型的能源设施，从而为实现更广泛的碳捕集目标提供了可能。

在实际应用中，APCC系统可以通过多种方式实现能量回收。例如，通过扩展压强化的水-气体混合物在涡轮中进行能量回收，可以有效利用系统内部的废热，减少对外部能源的依赖。此外，通过设计高效的热交换网络，APCC系统能够最大化热能回收，进一步提升整体运行效率。这些措施的结合不仅提高了APCC系统的性能，还为实现更可持续的能源生产提供了技术支持。

研究团队还指出，APCC系统的成功应用依赖于对系统运行条件的精确控制。例如，在低温（5至20°C）和中高压力（10至30巴）条件下，二氧化碳的溶解度显著提高，这为APCC系统的高效运行提供了理论基础。通过调整吸收器内的温度和压力条件，可以实现对二氧化碳的高选择性捕集，从而提高系统的整体效率。

尽管APCC系统在技术、经济和环境方面均表现出色，但其在大规模应用中仍面临一些挑战。例如，水基系统的能量需求相对较高，尤其是在捕集和再生过程中。为了应对这一问题，研究团队提出了一系列创新策略，包括优化的燃气-蒸汽联合循环配置和有机朗肯循环技术的集成。这些策略不仅提高了系统的能量产出与消耗比，还有效降低了单位发电的碳税成本，使得APCC系统在实际应用中更具竞争力。

此外，APCC系统的实施还需要考虑系统集成的复杂性。如何将碳捕集过程与现有的能源生产系统高效结合，是实现APCC系统商业化的重要前提。研究团队通过模拟和优化，探索了多种可能的集成方案，以确保APCC系统能够顺利融入现有的能源基础设施。这些方案不仅提高了系统的整体效率，还降低了实施成本，为未来的应用提供了可行的技术路径。

总体而言，APCC系统作为一种新型的碳捕集技术，具有显著的技术优势和应用潜力。通过废热回收和高效能量利用，APCC系统能够在减少能源消耗的同时，提高碳捕集效率，降低运营成本。这些特性使得APCC系统成为实现碳中和目标的重要工具，尤其适用于天然气联合循环（NGCC）等高能效的能源生产系统。未来的研究将进一步探索APCC系统的优化策略，以提升其在不同应用场景下的性能和经济性，推动其在全球范围内的广泛应用。