复杂结构枯竭气藏中CO2封存潜力评估：南非海上案例研究与混合捕集技术的经济性分析

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【字体：大中小】 时间：2025年08月29日 来源：Carbon Capture Science & Technology 10.5

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　　针对工业领域CO2捕集成本高的难题，研究人员系统评估了VPSA-膜、膜-VPSA等四种混合捕集技术，发现膜基方案在中等CO2浓度（>13%）下成本最优（40-70€/tCO2），而化学吸收（MEA）在低浓度（<10%）仍占优势。该研究为工业碳捕集技术选择提供了首个系统性经济优化框架。

随着全球1.5°C温控目标迫近，工业领域深度减排亟需经济高效的碳捕集与封存（CCS）技术。当前化学吸收法（如30%wt MEA）虽成熟但能耗高，膜分离和真空变压吸附（VPSA）等新兴技术又面临纯度与回收率难以兼顾的瓶颈。尤其对于CO₂浓度跨度大（3.5%-30%）、规模各异（200-5000 t/h）的工业烟气，如何选择最优捕集方案成为制约CCS推广的关键难题。

Luca Riboldi团队在《Carbon Capture Science》发表的研究，首次构建了涵盖VPSA-膜、膜-液化等四种混合工艺的全局优化模型。研究者采用人工神经网络（ANN）加速VPSA模拟，建立膜系统多级分离算法，并开发低温液化代理模型，通过10万+次模拟计算，绘制出不同CO₂浓度、电价下的成本地图。

技术方法创新

1.
基于ANN的VPSA快速建模：训练含20神经元双隐藏层的网络，替代传统耗时的微分方程求解
2.
膜系统多级优化：采用交叉流模型计算驱动压差与级联配置
3.
混合制冷剂液化循环：通过Aspen HYSYS建立多项式代理模型
4.
技术经济优化框架：以CO₂避免成本（CAC）为目标函数，约束纯度≥95%、回收率≥90%

关键发现

1.
成本竞争力边界
- •
  在欧盟平均电价（76€/MWh）下，膜基方案在>13% CO₂时成本最低（如22%浓度仅54€/t_CO2）
- •
  MEA在低浓度保持优势（3.5%时89€/t_CO2），但需注意蒸汽来源（废热利用可降本30%）
2.
规模效应颠覆认知
- •
  膜/VPSA因模块化特性，在200t/h小规模仍保持稳定成本，而MEA成本随规模减小骤升
3.
材料性能的杠杆效应
- •
  将吸附剂粒径从1.5mm增至4.5mm、孔隙率从0.3提至0.65，可使VPSA-Membrane成本降低12%
- •
  膜选择性若衰减50%，膜-液化工艺成本将增加23%
4.
电力系统的关键作用
- •
  当电价<40€/MWh时，膜技术竞争力延伸至10% CO₂浓度
- •
  VPSA-Membrane在70€/MWh高电价区展现独特优势

这项研究揭示了混合工艺的潜在价值：在特定场景（如15-25% CO₂、高电价）下，VPSA-Membrane可比传统方案降本10%。研究团队特别指出，未来需通过产研合作获取工业级材料数据，以验证实验室性能参数的工程适用性。该成果为钢铁、水泥等高排放行业提供了定制化碳捕集技术选型指南，也为政策制定者优化电力市场与碳价机制提供了量化依据。

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