基于吸附-压缩级联热泵的燃烧后吸收碳捕集技术：节能优化与性能评估

针对燃煤电厂CO2捕集系统能耗高的问题，研究人员创新性地提出吸附-压缩级联热泵（CHRF）技术，通过整合贫溶剂蒸汽再压缩（LVR）与吸收式热泵，实现废热梯级利用。研究表明该技术可将单位能耗降至2.23 GJ/tCO2，功率效率损失控制在7.5%，为碳捕存（CCS）技术的大规模应用提供了重要解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，控制CO₂排放已成为当务之急。燃煤电厂作为主要碳排放源，其CO₂捕集技术备受关注。目前主流的燃烧后吸收捕集技术虽成熟，但存在再生能耗高（约4 GJ/tCO₂）、导致电厂效率下降8-12%等瓶颈问题。传统机械蒸汽再压缩（MVR）技术虽能回收部分废热，但对外部低品位热源利用不足，亟需创新解决方案。

针对这一挑战，清华大学的研究团队在《Carbon Capture Science》发表研究，提出吸附-压缩级联热泵（Sorption-compression cascade heat pump）新概念。该技术巧妙结合吸收式热泵（驱动高温热源回收低温废热）与LVR（通过闪蒸压缩提升蒸汽品位），构建两级热泵系统，首次实现燃煤电厂150°C以下废热的深度利用。研究以660MW超临界机组为对象，采用Aspen Plus和Ebsilon软件进行系统建模，通过热力学分析和参数优化，全面评估了6种节能工艺的效能。

关键技术方法包括：1）建立基于MEA溶剂的速率模型，模拟吸收/解吸过程；2）设计LiBr-H₂O吸收热泵系统，COP达1.78；3）开发级联热泵与CO₂压缩废热（160°C）的集成方案；4）采用等效功算法量化不同工艺对电厂效率的影响。

研究结果部分：

1. 概念与系统示意图
   提出级联热泵的"吸收-压缩"协同机制：第一级吸收热泵将130°C废热转换为95°C中温热源；第二级LVR通过闪蒸（40-80kPa）将溶剂沸点降至84-102°C，形成温度匹配的供热链条。系统可使废热利用率提升37%。

2. 单级LVR工艺比较
   发现闪蒸压力存在最佳区间（60-80kPa）：当压力从160kPa降至80kPa时，单位能耗减少25%（3.35 GJ/tCO₂），但低于60kPa会因压缩比过高导致电耗激增。废热用于再沸器（LVRR）比直接用于闪蒸（LVRRF）更有效，后者虽能额外降低0.3 GJ/tCO₂能耗，但会增加0.2%效率损失。

3. 级联热泵性能
   CHRF工艺在60kPa时实现最佳平衡：单位能耗2.62 GJ/tCO₂，净CO₂捕集率72.83%。补充蒸汽（CHRFS）可进一步降低能耗至2.23 GJ/tCO₂，但会牺牲0.2%电厂效率。热泵使低温废热（77°C以下）利用率提升至15MW。

4. 电厂集成影响
   蒸汽抽取使低压缸（LPT）出力减少35MW，但级联系统可最大限度维持出力在235MW。CO₂压缩（2.88%）和蒸汽压缩（4.12%）是效率损失主因，优化后整体效率损失控制在7.8%。

结论与讨论指出，该研究首次证实级联热泵在碳捕集中的技术经济可行性：1）突破传统吸收热泵输出温度不足（<100°C）的限制；2）相比单一吸收热变换器（AHT），能耗降低16%；3）为风光绿电耦合提供接口，未来配合可再生电力驱动压缩机可进一步降低效率损失。研究成果为电力、水泥等高耗能行业碳减排提供了可推广的技术范式，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。