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"固体吸附剂直接空气捕集CO2技术经济性分析：填充床与整体式结构的性能对比与优化策略"
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年09月08日 来源：Carbon Capture Science & Technology 10.5
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本研究针对直接空气捕集(DAC)技术的高能耗瓶颈，通过Aspen Adsorption模拟对比了Lewatit胺基吸附剂在填充床与整体式结构中的S-VTSA工艺性能。研究发现整体式设计可降低压降2个数量级(0.66 vs 26.5 kPa)，但填充床具有更高CO2产率(2.39 vs 1.17 kg/(h·m3))，最终捕获成本相近(2102 vs 2090 �/tCO2)。该研究为DAC吸附床设计提供了关键的技术经济参数优化方向。
随着全球碳中和进程加速，直接空气捕集(Direct Air Capture, DAC)技术因其可处理分布式排放的特性备受关注。然而，当前DAC技术面临的最大挑战是高昂的捕集成本（1500 �/tCO2以上）和巨大的能源需求。其中，吸附床的设计优化成为突破瓶颈的关键——传统填充床虽吸附性能优异但压降大，而新兴的整体式结构虽能显著降低能耗，其吸附容量却常受制约。为破解这一两难困境，研究人员在《Carbon Capture Science》发表论文，首次对Lewatit VP OC 1065胺基吸附剂的两种构型开展了系统的技术经济对比研究。
研究采用Aspen Adsorption软件建立动态模型，结合Aspen Process Economic Analyzer进行成本评估。关键技术包括：1)基于Toth和GAB模型的CO2/H2O二元吸附等温线拟合；2)线性驱动力模型(LDF)描述传质动力学；3)Ergun方程和Hagen-Poiseuille方程分别计算填充床和整体式通道压降；4)100 ktCO2/yr规模的经济性分析。
吸附性能对比
填充床在25°C、80%湿度条件下展现1.84 molCO2/kg的工作容量，比整体式(1.59 mol/kg)高15.7%。这得益于其更短的传质路径和更高的有效吸附表面积(5389 vs 907 m2/m3)。但整体式在1 m/s空速下仅产生1.31 kPa/m的线压降，远低于填充床的53 kPa/m，使风机能耗从13.2 MWh/tCO2骤降至0.41 MWh/tCO2。
能量消耗分析
整体式结构因需加热金属支撑体，再生热耗达15.8 GJ/tCO2，比填充床(10.6 GJ/tCO2)高49%。其中水脱附能耗占比达60%，这源于Lewatit在80%RH时会吸附2.1 tH2O/tCO2。研究首次量化了湿度对能耗的双重影响：虽提升CO2吸附量15%，但同步增加再生负荷。
结构参数优化
当整体式涂层厚度从500μm减至100μm时，传质系数提升100倍，产率增加58%。而填充床增大 pellet半径至1mm可降低压降83%，但会延长吸附周期。敏感性分析显示，吸附终止标准设为出口CO2浓度达入口50%时，能平衡产率(1.45 kg/(h·m3))与能耗(5.4 MWh/tCO2)。
经济性启示
在参考案例中，两种设计的平准化成本仅相差12�/tCO2。但情景分析表明：若整体式吸附层能减薄至100μm且支撑体成本下降80%，其成本可降至1200�/tCO2以下。研究特别指出，在电价高于70�/MWh时，整体式的低电耗优势将更加凸显。
这项研究为DAC吸附器设计提供了三个关键洞见：首先证实了湿度管理对胺基吸附剂的核心影响，其次量化了结构参数与能耗的定量关系，最后建立了不同能源价格下的技术选型标准。这些发现不仅为后续吸附材料开发指明方向——需同时优化CO2/H2O选择性吸附比和传质速率，更为工业化DAC装置的模块化设计提供了理论依据。随着吸附材料寿命从假设的2年向5年突破，研究预测DAC成本有望降至800�/tCO2区间，这将大幅加速其商业化进程。
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