集成旋转填充床吸收–解吸系统与ChCl–MEA深共熔溶剂强化沼气CO2捕集：低再生能耗与紧凑化设计

《Clean Technologies》：CO2 Capture from Biogas Using a Rotating Packed Bed with Deep Eutectic Solvent (ChCl–MEA)

　　

将沼气升级至生物甲烷质量要求高效脱除二氧化碳（CO₂），同时最小化能耗和设备尺寸。传统填料塔受限于其较大高度、高溶剂循环速率和显著再生能耗。既往大多数关于旋转填充床（RPB, rotating packed bed）的研究主要集中于吸收器，而RPB解吸器——尤其是用于沼气升级时——受到较少关注。研究人员开发并分析了一种集成RPB吸收器–解吸器系统，使用由氯化胆碱（ChCl, choline chloride）和单乙醇胺（MEA, monoethanolamine）组成的深共熔溶剂（DES, deep eutectic solvent）（ChCl–MEA，1:6摩尔比），以强化气–液传质用于CO₂捕集。该模型采用文献中经实验验证的关联式来计算界面面积、传质系数和压降，以确保方法透明性和可靠性。关键设计参数——包括填料几何结构、溶剂流速和转速——得到优化。模拟结果预测，对于500 m³ h^?1的沼气流，CO₂脱除效率高于97%，吸收器和解吸器体积约减少70%。比再沸器负荷范围为1.5–2.11 GJ t^?1 CO₂，显著低于传统基于MEA的填料塔（通常为3–4 GJ t^?1 CO₂）。这些结果表明，集成RPB吸收器和解吸器单元用于沼气升级的有效性，并突显DES–RPB系统作为紧凑、节能CO₂捕集技术的潜力。

论文解读：集成RPB吸收–解吸与ChCl–MEA深共熔溶剂的沼气CO₂捕集

CO₂排放被广泛认为是气候变化的重要驱动因素，推动全球变暖、海洋酸化和极端天气事件。巴黎协定等国际协议强调在能源和工业部门部署碳捕集、利用与封存（CCUS, carbon capture, utilization, and storage）技术的紧迫性。2023年全球CO₂排放约37 Gt。胺基吸收是成熟的后燃烧CO₂捕集方法，但传统填料塔存在较大尺寸、高溶剂循环速率、高再生能耗（3.5–4.0 GJ t^?1 CO₂）以及溶剂降解导致腐蚀等限制。沼气升级通常涉及预处理脱除H₂S和水分，再分离CO₂以生产高纯度生物甲烷。沼气典型含50–65% CH₄、35–45% CO₂及少量H₂S和水蒸气，需将CH₄提高至95%以上以满足并网或车用燃料标准。水洗、变压吸附（PSA, pressure swing adsorption）、膜分离等商业化方法分别存在耗水量大、资本密集、甲烷滑移和更换成本高等问题；化学吸收选择性高，但需高填料塔、大溶剂存量和显著再生能耗。旋转填充床（RPB, rotating packed bed）通过离心加速度产生高重力场，强化气–液接触，传质系数可达传统填料床的2–5倍，吸收器体积可减少50–80%。然而，既往RPB研究多关注吸收器，RPB解吸器尤其是用于沼气升级的集成吸收–解吸系统研究较少；同时，将深共熔溶剂（DES, deep eutectic solvent）集成到RPB中的实验和建模研究仍有限。因此，研究人员开展本研究，以填补集成RPB吸收器–解吸器与ChCl–MEA深共熔溶剂用于沼气升级的研究空白。

研究人员开发并分析了集成RPB吸收器–解吸器系统模型，采用ChCl–MEA（1:6摩尔比）溶剂，结合RPB设计参数、溶剂性质和文献关联式，评估强化条件下的吸收与再生性能。研究优化填料几何、溶剂流量和转速等关键设计参数，并针对500 m³ h^?1沼气流进行模拟。结果表明，CO₂脱除效率高于97%，CH₄富集至95%以上；吸收器和解吸器体积约减少70%；比再沸器负荷为1.5–2.11 GJ t^?1 CO₂，显著低于传统MEA填料塔。该研究的意义在于，将RPB的高重力传质强化与DES的热力学优势耦合，实现紧凑、低能耗的沼气升级，为可持续CO₂捕集提供潜在路径。

为开展研究，作者采用概念建模与模拟方式，未涉及人体或生物样本队列；原料为典型沼气组成。主要关键技术方法包括：选用ChCl–MEA（1:6）深共熔溶剂，采用40 °C、1 atm下文献物性数据；依据Agarwal et al.的HiGee设计方法确定RPB吸收器和解吸器几何与操作参数；采用Onda修正关联式估算界面面积，采用Onda气相传质关联式和Tung–Mah液相传质关联式，采用Burns持液量关联式及RPB压降模型；建立能量平衡和再沸器负荷计算；用文献实验数据验证关联式，并对粘度和气流进行敏感性分析。

3.1 吸收性能：通过RPB吸收器模拟，在40 °C、1 atm、800 rpm、溶剂循环速率2120 kg h^?1条件下，针对500 m³ h^?1沼气（39.84% CO₂、59.75% CH₄、0.411% H₂S），吸收器实现约97% CO₂脱除，将CH₄分数富集至95%以上，满足生物甲烷质量标准。该高性能归因于不锈钢丝网填料的高比表面积1660 m² m^?3和填料边缘高于250 g的离心加速度，促进薄膜形成、均匀润湿和界面传质。设计的RPB吸收器填料体积为0.0619 m³，而相似气–液条件下传统填料塔约0.205 m³，体积减少约70%，与RPB通常实现60–80%体积减少的报道一致。

3.2 溶剂负载与循环容量：ChCl–MEA（1:6）深共熔溶剂在富负载0.30 mol CO₂ mol^?1 MEA和贫负载0.012 mol CO₂ mol^?1 MEA之间运行，循环容量（Δα）为0.30 mol CO₂ mol^?1 MEA。对应约331 kg h^?1 CO₂被富溶剂吸收，约317 kg h^?1在解吸器中释放。该循环容量高于传统MEA系统的0.20–0.25 mol CO₂ mol^?1 MEA，表明DES增强CO₂吸收并促进高效再生和循环。

3.3 水力学与压降：模拟显示，在800 rpm下，吸收器压降为0.8 kPa，解吸器为0.27 kPa，比传统填料塔在相近气–液通量下低20–30%。这主要归因于丝网填料的高空隙率（吸收器0.82，解吸器0.93）以及润湿RPB中液膜的润滑效应，降低气–固阻力。

3.4 溶剂再生与能耗：RPB解吸器在2 atm和110 °C下运行，并配置贫/富热交换器和釜式再沸器。测得再沸器负荷为153 kW（假设无水产汽）和251 kW（考虑5%水产汽）。在CO₂释放速率为317 kg h^?1时，对应比再生能耗为1.50 GJ t^?1 CO₂（干溶剂）和2.11 GJ t^?1 CO₂（含水5 wt%）。能量分析假设CO₂解吸焓为85 kJ mol^?1，总热损失5%，水汽化潜热为2257 kJ kg^?1。这些结果低于传统MEA基准3.3–4.2 GJ t^?1 CO₂，甚至低于RPB系统中哌嗪（PZ, piperazine）混合物约3.0 GJ t^?1 CO₂的结果。较低再沸器负荷归因于RPB中较小溶剂存量、ChCl–MEA溶剂较低比热容以及低水含量导致汽化热减少。

3.5 与文献比较：通过比较主要性能指标，ChCl–MEA基RPB系统实现高CO₂脱除效率、较低压降和显著降低的再生能耗。结果确认，DES系统与RPB吸收器和解吸器集成可同时实现过程强化和节能，为高效沼气升级提供有前景路径。

讨论部分指出，尽管本研究展示ChCl–MEA与RPB技术结合的潜力，仍需进一步研究验证和扩展。需要实验研究验证DES基系统的水力学关联式，并评估循环操作下长期溶剂稳定性。放大研究应考察设备耐久性、液体分布器性能以及真实沼气流中H₂S和硅氧烷等杂质影响。此外，技术经济评估及与现有沼气升级设施的工艺集成策略对确立工业可行性至关重要。模型不确定性分析表明，界面面积和压降经验关联式与报道实验数据偏差低于±10–15%；敏感性分析进一步确认，溶剂粘度或气体流量小幅度变化对CO₂脱除效率和能量需求影响较小（<4%），支持模型稳健性。ChCl–MEA系统再生能耗降低可归因于其深共熔性质：氯化胆碱与MEA之间氢键相互作用使CO₂通过较弱氨基甲酸酯键实现可逆吸收；低水含量和高热稳定性降低解吸期间汽化潜热和显热需求，从而相比传统水性MEA系统显著降低总能耗。

研究结论翻译：本研究考察了使用深共熔溶剂（ChCl–MEA，1:6摩尔比）的旋转填充床（RPB）系统从沼气中捕集CO₂的性能。吸收器和解吸器均在设计并分析了CO₂脱除效率、水力学和能量需求，代表了对双RPB吸收器–解吸器操作与DES溶剂用于沼气升级的首次集成评估之一。RPB吸收器实现约97%的CO₂脱除效率，将甲烷分数富集至生物甲烷标准以上（>95% CH₄）。这仅需0.8 kPa低压降，显著低于传统填料塔（1.5–2.0 kPa），证实RPB有利的水力学性能。ChCl–MEA溶剂显示循环负载0.288 mol CO₂ mol^?1 MEA，对应约331 kg h^?1 CO₂吸收和约317 kg h^?1解吸，证明连续循环条件下稳定可逆操作。RPB解吸器在2 atm和110 °C下运行，需要再沸器负荷156 kW（干溶剂）和251 kW（5 wt%水），相当于1.5–2.11 GJ t^?1 CO₂比再生能耗。相比传统MEA系统（3.3–4.2 GJ t^?1 CO₂）减少40–60%。较低再生能耗主要源于ChCl–MEA深共熔溶剂固有性质：强氢键网络削弱CO₂–胺键合并降低解吸热，而低水含量最小化汽化潜热。DES化学与强化RPB水力学集成提供协同优势，即增强气–液传质、降低溶剂循环速率和紧凑设备设计，导致相比传统填料床更低能量需求和压降。与文献数据相比，本RPB–DES系统以显著更低再生能耗和更小设备占地实现相等或更优CO₂脱除效率。总体而言，本工作证明将ChCl–MEA深共熔溶剂与双RPB吸收器–解吸器操作耦合用于沼气升级的新颖性和可行性。所提出系统实现紧凑设计、增强能效和稳定溶剂性能，为强化和可持续CO₂捕集技术提供有前景的途径。未来研究将集中于实验验证、循环操作下长期溶剂稳定性以及中试规模实施。