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混合CO2捕集工艺的技术经济潜力探索：从材料特性到工业应用优化
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年08月30日 来源：Carbon Capture Science & Technology 10.5
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本研究针对工业烟气中CO2浓度差异导致的单一捕集技术效率局限，系统评估了VPSA-膜、膜-液化等四种混合工艺的技术经济性。通过集成ANN模型与多目标优化框架，发现膜基混合系统在中等CO2浓度(13%-30%)下成本可降至40-70�/tCO2，为工业碳捕集提供了模块化解决方案。
随着全球1.5°C温控目标迫近，工业领域深度减排需求日益紧迫。当前化学吸收法虽成熟但能耗高，膜技术和真空变压吸附(VPSA)又受限于特定CO2浓度窗口，这种"技术-工况"错配导致碳捕集成本居高不下。Luca Riboldi团队在《Carbon Capture Science》发表的研究，首次通过系统建模揭示了混合工艺在工业碳捕集中的经济潜力，为破解这一困局提供了新思路。
研究团队开发了融合人工神经网络(ANN)的跨尺度优化框架，构建了涵盖7种CO2浓度(3.5%-30%)和6种烟气规模(200-5000 t/h)的工业场景矩阵。关键技术包括：1)基于ANN的VPSA快速模拟替代传统PDE求解；2)多级膜系统交叉流模型；3)混合制冷剂液化循环的代理模型；4)集成CAPEX/OPEX的 techno-economic评估体系。
2.1 工业应用矩阵
通过建立CO2浓度-烟气量二维矩阵，覆盖从金属冶炼(3.5%)到钢铁工业(30%)的典型场景，并引入电价(25-150�/MWh)和电网碳强度(0-500kgCO2/MWh)作为敏感性变量。
3.1 CO2避免成本图谱
在基准条件下(电价76�/MWh)，膜-液化混合工艺在18%CO2浓度时成本为58�/tCO2，较VPSA-膜低12%。值得注意的是，所有混合工艺在CO2>13%时均展现40-70�/tCO2的成本区间，但始终比最优单一技术高15%以上。
3.2 能源价格影响
当电价<70�/MWh时，膜技术竞争力显著提升。在10%CO2浓度下，电价每降低10�可使膜法成本下降8�/tCO2，这种敏感性远高于热驱动的MEA工艺。
3.4 材料特性突破
将吸附剂粒径从1.5mm增至4.5mm并结合选择性提升50%后，VPSA-膜工艺在15-25%CO2区间成本降低10%，成为高电价(>70�/MWh)条件下的最优选项。
这项研究首次绘制出混合碳捕集技术的经济性全景图，揭示出两个关键突破点：一是膜-液化组合在中等浓度场景的性价比优势，二是材料创新对VPSA-膜工艺的颠覆性改进。特别值得注意的是，当吸附剂孔隙率从0.3提升至0.65时，设备尺寸可缩减40%，这为工业用地受限的场景提供了解决方案。研究结果不仅为技术选型提供了量化依据，更指明了通过材料研发降低CAPEX的创新路径，对推动碳捕集技术从"实验室优化"向"工业适配"转型具有重要指导价值。
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