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基于高温热泵的碳捕集单元经济性脱碳创新方案研究
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年09月14日 来源：Carbon Resources Conversion 7.5
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本研究针对胺类溶剂碳捕集技术能耗高、依赖化石燃料热源的问题，提出了集成逆向朗肯循环高温热泵(HTHP)的创新型脱碳方案。研究人员通过Aspen Plus?流程模拟与热力学分析，开发了单级和双级HTHP集成系统，实现了27%-100%的热需求替代。结果表明，采用氨工质在常压再生条件下可实现完全电气化，使过程排放降低60%，级化碳捕集成本(LCOC)维持在84�/tCO2,cap。该研究为碳捕集单元(CCUS)的模块化设计和能源优化提供了重要技术路径。
随着全球温室气体浓度持续攀升，气候变化引发的极端天气事件日益频繁。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出，要实现2°C温控目标，能源系统必须在2050年前减少87-97%的净CO2排放。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术作为短期解决方案，特别是针对工业领域难以避免的排放，正发挥着关键作用。然而，当前主流的胺法捕集技术面临巨大挑战——溶剂再生过程需要大量热能，通常依赖化石燃料提供的蒸汽，这在一定程度上抵消了碳减排效果。
胺法捕集虽属成熟技术，但其高能耗特性严重制约了大规模应用。特别是在改造项目中，捕集单元往往被视作"黑箱"，依赖主体工厂提供蒸汽、电力和冷却水等公用工程。这种依赖关系不仅增加了改造难度，也限制了捕集单元的部署灵活性。更重要的是，当现有公用系统无法满足捕集单元新增的能量需求时，可能导致工艺产出降低或燃料消耗增加，反而产生更多排放。这些因素迫切要求开发低碳化的碳捕集单元变体。
为解决这一难题，德国航空航天中心(DLR)的研究团队开展了一项创新性研究。他们以挪威蒙斯塔技术中心(TCM)的工业试验装置为蓝本，基于2015年使用单乙醇胺(MEA)溶剂处理天然气电厂烟气的运行数据，建立了稳态流程模型。研究团队提出了两种新型工艺配置：常规高压再生系统(V1系列，1.91 bara)和低压再生系统(V2系列，1.01 bara)，并针对每个系统开发了三个电气化变体——单级热泵集成(部分脱碳)、双级热泵50%集成和双级热泵完全电气化。
研究采用Aspen Plus? V14进行流程模拟，选择电解非随机两液体-雷德利克-邝(ENRTL-RK)热力学方法，确保了酸碱性化学反应计算的准确性。通过Aspen Energy Analyzer?进行夹点分析，识别过程余热的高品质利用潜力。自主研发的Python工具配合CoolProp物性数据库，对123种工质进行筛选，最终选定碳氢化合物(异戊烷、正丁烷)和氨作为工质。技术经济评价(TEA)采用标准化工设备成本估算方法，考虑了设备尺寸、材料、设计压力温度等因素，并基于德国能源价格背景进行了敏感性分析。
研究结果揭示了不同配置的性能特征。在常规高压系统中，单级HTHP使用异戊烷工质可实现27%的脱碳程度，热泵性能系数(COP)为3.4；而完全电气化方案使用正丁烷工质，COP降至1.84，导致级化碳捕集成本(LCOC)增加37%，但过程排放减少33%。在低压系统中，单级氨工质HTHP可实现38%的脱碳，COP高达4.97；完全电气化方案COP为3.29，LCOC与高压系统50%电气化方案相当，但排放降低60%。
4.3.1. CAPEX分析表明，压缩机是电气化方案中资本支出(CAPEX)增加的主要驱动因素。完全电气化场景中，压缩机成本几乎占单元总CAPEX的一半，与传统CC单元中最昂贵的吸收塔相当。热交换器成本也随电气化程度提高而显著增加，V2.3方案比基础案例高出88%。
4.3.2. OPEX分析显示，年度成本主要由能源消耗主导。V1系列电气化变体的能源成本随电气化程度增加而上升，而V2系列因氨工质HTHP的高COP特性，所有场景均呈现下降趋势。价格比(rp)分析表明，德国当前的电价环境不利于电气化，但完全电气化仅带来轻微经济惩罚。
4.3.3. 情景对比发现，考虑欧盟碳排放配额(EUA)交易收入后，LCOC显著降低。TCM规模的CC单元可产生约30600个未使用的EUA，相当于近200万欧元/年的潜在收入。调整后的LCOC从基础案例的60�/tCO2,cap到完全电气化方案的84�/tCO2,cap。
敏感性分析显示，LCOC对电价波动高度敏感，完全电气化配置(V1.3和V2.3)响应最大。电网排放因子扰动表明，Scope II排放随电气化程度增加而增加，但即使最大值仍低于燃料排放因子增加50%时的V2.0和V2.1案例排放值。
研究结论强调，在不改变核心操作条件的情况下，最先进的HTHP技术可提供高达27%的过程热需求，导致LCOC增加约7%，但过程排放减少21%。多级热泵与中间热源结合可实现更高脱碳水平。虽然降低再生压力会增加过程能耗，但允许使用氨工质，实现更经济的完全电气化。完全电气化的常压案例还显示出显著的冷却水节约潜力(72%)，使未来CC单元可在水资源受限地区运行。
该研究的重要意义在于为CCUS技术提供商开发电气化变体提供了理论基础和方法框架。工作流体选择和再生压力的优化对单元的整体能量和经济性能至关重要。压力比作为工质选择标准强调了实际应用的重要性。研究发现，完全电气化可以在轻微经济惩罚下实现，如果能够获得本地可再生能源电力或提供进一步的税收激励，将获得更多收益。这项研究为工业过程脱碳和低碳经济转型提供了重要技术路径。
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