基于胺吸收的燃烧后CO2捕集结构化填料吸收塔技术-经济-环境多目标优化研究

《Carbon Capture Science & Technology》：Techno-Economic and Environmental Optimization of Structured-Packing Absorbers for Amine-Based Post-Combustion CO 2 Capture

本文针对天然气联合循环（NGCC）电厂胺基燃烧后CO2捕集（PCC）系统中吸收塔设计这一关键问题，开发了一个集成了物理建模、技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）的多目标优化框架。研究通过平衡传质、流体力学、资本支出（CAPEX）和隐含全球变暖潜能值（GWP），对多种商用结构化填料进行了评估，并将吸收塔几何尺寸（高度、直径、填料类型和体积）直接与成本、再沸器负荷、捕集效率和隐含排放相关联。基线优化（250 MWeNGCC电厂）确定了膝点最优设计，在实现95-97%捕集效率的同时，资本支出为40-52百万美元，再沸器负荷为3.2-4.6 MJ/kmol溶剂，隐含GWP为1300-1900吨CO2e。敏感性分析表明，电厂规模从根本上改变了填料选择，而钢材排放强度进一步改变了优化结果。该研究确立了CCS吸收塔设计是一个规模敏感、多目标的问题，强调了在CCS决策中需要将环境绩效与成本和捕集效率相结合，以实现大规模和可持续的部署。

　　

随着全球可再生能源的快速发展，能源部门因化石燃料的持续使用仍将是温室气体排放的主要来源。碳捕集与封存（CCS）技术被广泛认为是实现净零目标的可信选择。在CCS技术中，基于胺溶剂的燃烧后捕集（PCC）技术因其成熟度高且易于改造而备受关注。然而，CCS技术仍面临重大挑战，包括溶剂再生能耗高、成本增加以及材料使用和排放带来的环境负担。在CCS链条中，捕集环节主导了成本和材料使用，而吸收塔的设计又是决定该环节成本和碳足迹的关键因素。这对于处理像天然气联合循环（NGCC）电厂排出的低CO₂摩尔分数（约3-5%）的稀薄烟气尤为重要，因为其削弱了传质的热力学驱动力。实现高捕集效率需要更高、直径更大的吸收塔和更坚固的内件，这些选择进一步增加了材料需求，将吸收塔尺寸优化与过程性能、资本支出（CAPEX）以及硬件从摇篮到大门的温室气体（GHG）排放联系起来。

尽管已有大量关于胺基PCC的系统建模和优化研究，但当前研究通常使用商业流程模拟器进行吸收塔尺寸确定，或应用简化的替代方法，限制了透明度，同时排除了案例特定设计和材料相关的影响。许多研究将吸收塔视为优化框架中的静态单元，未呈现物理设计模型，因此与吸收塔尺寸相关的系统权衡仍未探索。一个显著的差距在于缺乏一个集成的、设计感知的框架，能够将基于汽液平衡（VLE）的传质和流体力学与吸收塔高度/直径、填料类型联系起来，并共同优化这些几何驱动的结果与技术-经济和环境目标。

为了解决这一空白，来自英国利兹大学的研究团队在《Carbon Capture Science & Technology》上发表了一项研究，题为“Techno-Economic and Environmental Optimization of Structured-Packing Absorbers for Amine-Based Post-Combustion CO₂Capture”。该研究开发了一种新颖的统一多目标优化方法，用于基于单乙醇胺（MEA）的PCC系统吸收塔设计，考虑了NGCC工厂的烟气特性，旨在最小化成本、隐含GWP和溶剂再生能耗，同时保持高捕集效率。

主要技术方法

本研究采用了一个综合的建模与优化框架，核心方法包括：1）基于传质单元数（NTU）和传质单元高度（HTU）的物理模型，用于估算吸收塔高度和直径，模型结合了分离研究计划（SRP）关联式并考虑了液相传质修正；2）技术经济评估（TEA）模型，用于计算资本支出（CAPEX），考虑了购买设备成本（PEC）、安装因子和间接费用；3）生命周期评估（LCA）模型，用于估算从摇篮到大门的隐含全球变暖潜能值（GWP），重点关注钢材生产排放；4）多目标优化算法（NSGA-II），用于同时优化CAPEX、隐含GWP、再沸器负荷和CO₂捕集效率，并识别帕累托最优解和膝点设计。研究还对NGCC电厂规模（100 MW_e, 250 MW_e, 750 MW_e）和钢材排放因子（原生钢、回收钢、混合钢）进行了敏感性分析。

研究结果

4.1. 基线案例

基线案例针对250 MW_e的NGCC电厂，展示了吸收塔设计在CAPEX、隐含GWP、再沸器负荷和CO₂捕集效率之间的权衡关系。帕累托前沿分析揭示了凸性关系，表明超过约95%的捕集效率后，资本成本和隐含排放将非线性地急剧上升。膝点设计代表了平衡的配置，例如，在CAPEX与捕集效率的权衡中，使用Mellapak 250.X填料的膝点设计在94.85%的捕集效率下，CAPEX为44.44 MUSD，隐含GWP为1596吨CO₂e。四目标（4-D）膝点优化确定了一个全局平衡配置，使用Montz B1-250填料，实现了96.90%的捕集效率，再沸器负荷为3.92 MJ/kmol，CAPEX为52.49 MUSD，隐含GWP为1937吨CO₂e。结果表明，中等比表面积的填料（如Mellapak 250.X/Y, Montz B1-250）在减少HTU和可接受的流体力学限制之间取得了最佳平衡，从而主导了帕累托最优解。

4.2. NGCC电厂规模对吸收塔设计的影响

敏感性分析表明，电厂规模从根本上改变了最优填料的选择。在小型电厂（100 MW_e）下，高比表面积填料（如Montz BSH-400）因其能有效降低HTU和吸收塔高度而占优，且此时流体力学限制不显著。然而，在大型电厂（750 MW_e）下，高比表面积填料的低空隙率会导致泛点约束，迫使采用非常大的吸收塔直径和广泛的塔器并联（多达7个），从而显著增加CAPEX和隐含GWP。此时，流体力学开放型填料（如Montz B1-250）因其较高的空隙率允许更高的操作气速，从而减少直径需求和并联数量，成为更优选择。吸收塔的CAPEX和隐含GWP随着电厂规模的扩大几乎呈数量级增长，表明设计不能线性缩放。

4.3. 钢材排放因子对吸收塔设计的影响

钢材的排放强度对吸收塔的隐含GWP有显著影响。当使用高排放的原生钢（2.10 kg CO₂/kg）时，流体力学高效的填料（如Montz B1-250）占主导，因为它们能限制钢材需求。当切换到低排放的回收钢（0.50 kg CO₂/kg）时，隐含GWP可降低50-70%，这使得材料密集型但传质效率高的填料（如Montz BSH-400）变得具有竞争力。50%回收钢混合方案产生中间结果。这表明，材料排放因子改变了流体力学驱动设计和隐含排放之间的平衡。

结论与意义

本研究成功开发了一个新颖的多目标优化框架，将吸收塔设计直接与技术-经济成本和环境足迹联系起来。研究结果表明，吸收塔设计是一个高度依赖于规模的、多目标的挑战，其性能受到填料几何形状、操作条件和材料选择的显著影响。

研究的核心结论包括：首先，吸收塔设计由相互依赖的权衡关系驱动，追求过高的捕集效率（>95%）会因传质单元数需求增加和流体力学约束而导致资本支出和隐含排放急剧上升。其次，填料的选择决定了传质和流体力学之间的平衡，中等比表面积的填料通常能提供最稳健的权衡。第三，膝点设计代表了实际的、对工程商有吸引力的配置，在性能、经济性和环境影响之间提供了可持续的折衷。第四，天然气联合循环电厂规模从根本上改变了优化结果，小型电厂偏好高性能填料，而大型电厂则需要流体力学开放型填料以避免泛点。最后，钢材排放强度对隐含全球变暖潜能值结果有强烈影响，使用回收钢可以大幅降低吸收塔的碳足迹。

该研究的重要意义在于，它强调了在碳捕集与封存决策过程中，需要将环境绩效与成本和捕集效率相结合，以实现真正可持续的大规模部署。研究所建立的透明、物理驱动的优化框架为工程师和决策者提供了宝贵的工具，可用于评估不同场景下的最佳吸收塔设计。未来的工作可以将该框架扩展到整个捕集-压缩链条，并量化吸收塔侧能耗降低对系统级能源惩罚和平准化电力成本的好处，从而进一步推动碳捕集与封存技术的商业化进程。