碳捕获先进胺基系统的综合评审：高排放工业部门关键技术系统混合胺的技术经济评估

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Comprehensive review of advanced amine-based systems for carbon capture: Techno-economic assessment emphasis on blended amines as the key system in high-emission industrial sectors

　　

• 混合胺类化合物在工业二氧化碳捕集方面展现出巨大潜力。
• MDEA/PZ/TETA、MEA/PZ、PZ/MDEA和AMP/PZ/MEA是前景广阔的系统。
• 工艺条件对能耗和捕集效率有重大影响。
• 技术经济评估结果取决于再生活热负荷、设备尺寸和工艺集成。
• 长期的工业验证是关键研究重点。

引言
高排放工业部门仍然是全球二氧化碳排放的主要贡献者之一，在加速气候变化方面发挥着重要作用。水泥、钢铁、石油精炼和化石燃料发电等行业由于其运营的高能耗和流程密集型特点，在减少碳足迹方面面临复杂挑战。在此背景下，对新兴技术及其技术经济可行性进行全面分析对于确定这些关键工业活动脱碳的有效途径至关重要。

为与联合国第13项可持续发展目标保持一致，高排放工业部门必须在2050年实现完全碳中和。实现这一目标需要实施先进的减排技术，特别是碳捕集、利用与封存技术。尽管CCUS具有战略重要性且取得了可观的技术进步，但其大规模部署仍受到重大的技术、经济、环境和基础设施障碍的阻碍。一旦捕集并运输，二氧化碳可用于提高石油采收率等应用，或永久封存于地质构造中。多种二氧化碳捕集技术已达到高度发展阶段，包括胺基化学吸收、固体吸附剂吸附、钙循环、低温分离和膜分离。然而，由于其广泛的工业实施面临挑战，因为二氧化碳捕集、溶剂再生、压缩和纯化的高能耗需求会带来大量惩罚并损害CCUS系统的技术经济可行性。此外，过程性能和可扩展性可能受到烟气杂质、溶剂降解、吸附剂失活、设备腐蚀和复杂工艺集成的影响。CCUS的部署还需要广泛的二氧化碳运输和封存基础设施，从而引入额外的基础设施要求和运营复杂性。这些挑战在捕集阶段尤为显著，该阶段被广泛认为是CCUS链中最关键和成本最密集的组成部分之一。

使用胺基系统的化学吸收被认为是排放量大的二氧化碳工业部门最有前景的CCUS策略之一。该方法在捕集烟气中的二氧化碳方面特别有效，即使在许多后燃烧排放物中典型的低分压下也是如此。行业标准胺基系统——30 wt.%的乙醇胺水溶液，因其高二氧化碳吸收效率、成本效益和在这一技术成熟行业（技术就绪水平，TRL 9）中成熟的运营记录而得到广泛应用。

传统的二氧化碳化学吸收工艺，使用胺水溶液（图1），通常由两个不同的单元操作组成：吸收和解吸（或胺再生）。烟气在吸收塔中与贫胺液逆流接触，导致二氧化碳在40-60°C和常压条件下通过化学反应被吸收。脱碳后的烟气随后进行水洗，以平衡系统中的水分并去除携带的胺滴或胺蒸汽。之后，废气离开吸收塔并排放到烟囱。含有化学结合二氧化碳的富胺液通过热交换器，由来自汽提塔（或再生器）的再生贫胺液加热，呈逆流流动。胺基溶剂的再生在汽提塔中进行，温度为100-120°C，压力略高于常压（1.7-2 atm）。二氧化碳贫胺液随后通过热交换器和冷却器泵回吸收塔。这确保了进入吸收塔的贫胺液温度与吸收反应发生的温度相匹配，从而完成循环。化学吸收的高选择性使二氧化碳去除效率达到90%，而再生阶段在汽提塔出口产生几乎纯净的二氧化碳产品。

用于二氧化碳捕集的胺基系统目前受到几个重大缺陷的限制。最关键的不利之处在于释放捕获的二氧化碳并因此再生胺系统所需的高能耗。其他问题包括胺类显著的高降解率，这降低了其随时间的有效性，以及由胺类及其降解产物引起的设备腐蚀，这增加了维护成本。此外，这些胺类即使在低温下也表现出相对较高的挥发性，导致额外的胺损失和运营挑战。

一些有前景的建议包括使用高浓度MEA（高达40 wt.%）、结合各种类型的胺类、采用催化剂增强的混合胺、配制胺类与有机化合物的体系、将胺与无机盐结合，或使用胺-离子液体组合。这些创新旨在提高二氧化碳捕集技术的效率和经济可行性，为更广泛的工业应用铺平道路。除了溶剂开发外，这些进步中的许多都有助于工艺强化。诸如相变（双相）系统、催化剂增强的吸收和解吸以及替代溶剂配方（包括非水基和混合系统）等策略旨在同时增强传质、减少能耗惩罚并最小化设备尺寸。这些方法超越了传统的溶剂优化，将反应、分离和热管理整合到更高效的工艺配置中。相应地，胺基二氧化碳捕集正越来越多地在更广泛的工艺强化框架内开发，这对于实现经济可行的规模化部署至关重要。尽管取得了重大进展，但仍需要对胺基二氧化碳捕集系统的最新进展进行更新的批判性评估。

本研究的首要目标是提供对近年来胺基溶剂系统用于后燃烧二氧化碳捕集的进展的批判性和最新综述。这些系统在二氧化碳去除效率、循环二氧化碳负载能力、吸收/解吸动力学、溶剂稳定性和比再生能耗（通常表示为再沸器热负荷）方面进行了比较评估。值得注意的是，表1中列出的可用综述涉及使用胺基系统进行化学吸收的多个方面，主要集中在反应动力学、降解、腐蚀和挥发问题以及新型烷醇胺系统中效率提高和能耗减少。一些综述集中在特定材料上，如纳米催化剂。然而，仅评估技术进步不足以确定胺基二氧化碳捕集系统的实际潜力，因为其工业实施最终取决于其技术经济性能。

混合胺类化合物在这方面尤为重要，因为结合不同的胺类可以利用互补特性和协同效应，同时提高二氧化碳吸收性能、动力学和/或再生能耗需求。然而，这些潜在优势必须与其经济影响进行评估。因此，本研究的第二个目标是汇编并批判性地比较现有混合胺类系统的技术经济评估研究。尽管已经针对这些系统进行了几项技术经济评估研究，但其发现仍然分散在文献中，迄今为止尚未在专门的综述中汇编和批判性地比较。此外，假设、方法学和经济指标的差异阻碍了稳健经济趋势的确定以及混合胺类可以超越传统MEA的条件。这正是本综述旨在通过系统地分析混合胺类系统的现有技术经济评估研究来填补的空白。通过整合胺基二氧化碳捕集技术进展的更新综述与混合胺类技术经济评估研究的比较研究，本研究提供了一个尚未在单一综述中综合的全面视角。这一综合视角可以支持工业决策，并有助于推进高排放行业的脱碳进程。

章节片段
文献综述方法
如前所述，本综述旨在评估使用胺基系统的后燃烧二氧化碳捕集技术的最新进展。重点是评估二氧化碳捕集性能和效率，并分析系统再生的能耗需求，特别是与胺基系统相关的热负荷。此外，本综述提供了技术经济视角，以界定混合胺类系统在高排放工业部门的可行性。

胺捕集二氧化碳的机理
胺基系统的二氧化碳吸收性能取决于所选胺类的化学结构。了解胺基系统捕集二氧化碳所涉及的化学反应至关重要，因为它有助于理解如何通过精心选择各种胺类的系统来提高负载能力和吸收速率，从而减少胺再生的能耗需求。

根据与氮原子结合的氢原子数量，胺可以分为——

新一代胺基系统
如前所述，尽管MEA已被广泛用于后燃烧二氧化碳捕集，但其广泛采用受到溶剂再生过程中大量能耗需求的限制。这一步骤所需的巨大热量推高了运营成本，使MEA基系统对大规模二氧化碳捕集应用而言经济可行性较低。最近的综述也突出了这些局限性。解决这些局限性已成为一个焦点。

高排放工业中混合胺用于二氧化碳捕集的技术经济评估和实施视角
本节提供了混合胺技术在用于高排放工业后燃烧二氧化碳捕集中的技术经济和实施视角的综合概述。首先考察了文献中报道的混合胺系统的技术经济性能，突出了主要成本驱动因素和经济效益。然后讨论了实施指南和必须解决的关键技术挑战，以支持大规模——

结论
本综述提供了对近年来胺基二氧化碳捕集系统进展的更新批判性评估，以及现有混合胺技术经济评估研究的系统汇编和批判性比较。通过将这些互补视角结合在一起，本综述提供了一个综合理解，即近年来胺基二氧化碳捕集技术的进展是否能转化为工业应用的技术经济效益。一个特别贡献在于——

CRediT作者贡献声明
Mahboobeh Attaei：撰写——原稿，方法论，调查，概念化，撰写——审阅与编辑。
Luísa Marques：撰写——原稿，方法论，调查，概念化，撰写——审阅与编辑。
Samuel Santos：撰写——原稿。
Miguel Monteiro：撰写——原稿，撰写——审阅与编辑。
José Conde?o：撰写——原稿，监督，概念化。
Maria Mateus：撰写——原稿，监督，资金获取，