《Applied Sciences》：Performance Simulation and Compression Cost Estimation of CO2 Membrane Capture at Low Feed Concentrations
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碳捕集与利用（CCU）是缓解化石燃料工业使用导致CO?水平上升影响的一种有前景的途径，尤其适用于无法将工艺相关排放降至零的行业。尽管基于吸收或吸附的常见CO?捕集技术已十分成熟并得到广泛研究，但这些方法需要大量工厂升级投资。膜捕集是一种可能的替代方案。已有比较
碳捕集与利用（CCU）是缓解化石燃料工业使用导致CO?水平上升影响的一种有前景的途径，尤其适用于无法将工艺相关排放降至零的行业。尽管基于吸收或吸附的常见CO?捕集技术已十分成熟并得到广泛研究，但这些方法需要大量工厂升级投资。膜捕集是一种可能的替代方案。已有比较研究考察了中等或高CO?浓度下的膜捕集效率——例如在燃煤电厂改造中——但针对低CO?浓度下膜性能的评估较为罕见。本研究对专门用于低浓度烟气的CO?捕集膜性能进行建模，并考察膜面积、厚度和压力比的影响。此外，研究人员以压缩进料流的电力成本作为每吨捕集CO?成本的估算指标，从而评估膜捕集作为中小型企业寻求减少CO?排放的改造选项的可行性。对于所研究的膜构型和进料气CO?浓度（1–5%），估算的CO?捕集成本范围为每吨捕集CO? 100至1200 �。这一宽泛范围凸显了需要更精细的改造方法。
**研究背景与问题**
自工业革命以来，化石燃料作为能源的使用持续增加，导致大气中二氧化碳（CO?）浓度超过400 ppm（百万分之一），由此引发平均气温升高以及干旱、热浪、风暴等极端天气事件，并伴随难民流动、生物多样性丧失、侵蚀和荒漠化等现象。为应对这些影响，需要类似"欧洲绿色协议"的全球性计划与倡议，以减轻长期损害并寻找解决大气CO?问题的方案。碳捕集与利用（CCU）是应对CO?排放的一种有前景的途径，通过将大气CO?作为碳原料生产甲醇或合成气（一氧化碳与氢气的混合物）等基础化学品，可使CO?水平真正下降或至少不再上升，尤其适用于因工艺固有CO?排放而无法将排放降至零的行业，如混凝土生产和生物质气化。从烟气中捕集碳是所有CCU过程的第一步，需要将CO?从烟气流中分离并去除潜在杂质。基于吸收（使用液体吸附剂，如胺或碱性溶液）或吸附（使用固体吸附剂，如沸石、树脂或金属有机框架）的CO?捕集工艺在洗涤和气体分离方面均已成熟，但这些技术的主要缺点是需要相当大的资本支出（CAPEX），尤其在连续过程中不仅需要洗涤单元还需要再生单元以回收吸附剂，因此对现有工艺进行吸收/吸附系统改造往往困难且昂贵，对中小型企业尤为不利。膜分离基碳捕集单元是一种有前景的替代方案：烟气被送入膜组件，根据膜的选择性，一种气体分子（如CO?）优先透过膜，从而产生一股未透过膜的贫化气流（渗余流）和一股透过膜的富集气流（渗透流）。在现有工艺中实施膜捕集更为直接，设备方面除膜组件外仅需压缩机即可达到碳捕集所需工艺压力。关于膜技术的运行成本，已有研究发现其每吨CO?成本与更成熟的吸收/吸附单元相比具有竞争力。然而，碳捕集研究通常针对高烟气浓度或具有极高流率的大型工厂（如混凝土厂或燃煤电厂）。低浓度碳捕集带来额外挑战，如每吨捕集CO?需处理的大气体体积以及因低CO?分压导致的分离驱动力降低。具体对于膜捕集，这些挑战引入额外要求，如大面积膜和上述进料压缩或渗透侧真空生成。因此，小规模过程（低CO?浓度和小烟气流率）的模拟通常包括真空泵送和/或使用极薄膜以抵消面积需求。为评估膜捕集作为低浓度烟气直接改造选项的可行性，需要性能数据和成本估算。本研究在不包括真空泵送的情况下，对低CO?浓度和小流率烟气的小规模膜技术碳捕集性能进行建模，同时使用更适合工业应用的膜厚度。研究人员使用过程模拟软件包Aspen Plus 15.0和程序MEMSIC 2.0对三个测试案例（CO?含量范围1.1%至5.9%，进料气流量在1775 kg·h?1至19,500 kg·h?1之间变化）进行性能评估。每吨CO?成本估算通过使用Aspen HYSYS 15.0计算必要进料压缩级的电力消耗获得。这些估算作为捕集成本的下限，因为设备投资（高度依赖具体工艺）和膜成本等成本项被省略。
**关键技术方法**
研究人员采用Aspen Plus 15.0结合MEMSIC 2.0程序（通过CAPE-OPEN标准集成以包含膜分离模型）模拟各种CO?分离膜对氮气-二氧化碳混合物的分离性能。气体流采用Aspen Plus中实施的IDEAL物性方法处理。膜分离采用恒定渗透率和交叉平推流条件的混合方法建模。膜组件建模为三股流：进料烟气、贫CO?渗余流和富CO?渗透流。使用5种不同膜（Mem1至Mem5），其特征由渗透率和CO?/N?选择性表征，渗透率以非SI单位barrer给出。单级性能测试考察三个主要工艺参数：膜面积A（m2）、膜厚度d（μm）和膜上下游压力比。多膜设置中膜厚度设为相同值（设置1和3为d=1 μm，设置2为d=0.5 μm），压力比固定为5，膜材料参数选取CO?渗透率和N?渗透率导致选择性α=20。CO?分离被认为充分的条件是CO?捕集率（CCR）>80%、渗透分数（PF）<20%且渗余流残余CO?含量<1%。考虑三种不同设置：两级膜串联、三级膜带循环流、四级膜级联。成本估算按每吨捕集CO?计算，其中压缩机功率使用Aspen HYSYS 15.0采用单级绝热压缩模型（绝热效率75%）和Peng-Robinson流体包计算，入口温度设为25 °C，出口压力设为5 bar，电力成本假设为0.05 �·kWh?1。样本案例的CO?含量为1.1%、2.9%和5.9%，烟气流量分别为1775、9500和19,500 kg·h?1。
**研究结果**
**单膜性能**：（1）压力比影响——对膜1–3在恒定面积1000 m2和厚度1 μm下建模，烟气流量在500至20,000 kg·h?1之间变化，CO?浓度在1%至15%之间变化。渗透流中CO?浓度随压力比增加至某一最大值后下降，此时所有CO?已透过膜，进一步增加压力仅迫使更多N?透过膜进入渗透流从而稀释CO?浓度。CCR和CO?浓度在压力比4至5之前呈近似线性增长，之后斜率趋缓。压力比5被视为压缩需求与效率之间的良好折衷。（2）膜厚度影响——对膜1–3在恒定面积1000 m2和压力比4下建模。CCR和PF均随厚度增加而降低。在分离实现的模拟中观察到两种情况：两者在较小厚度下达到100%附近，此时存在一个CCR随厚度下降比PF更慢的范围，即存在最优厚度；或CCR未达100%，此时CCR在整个考虑范围内下降比PF快，最小 investigated 厚度为最优。进料浓度变化不改变CCR和PF曲线的定性形状，增加进料浓度增加实现分离所需的最小厚度。（3）膜面积影响——对膜1–4在恒定厚度1 μm和压力比4下建模。所有膜的曲线基本形状相同：小面积时CCR和PF较小而CO?浓度为最大值；随面积增加CCR增长快于PF导致"环"状特征；面积进一步增大时两者趋近100%，此时渗透流CO?浓度降至进料浓度。渗透率影响环的起始位置（较大渗透率移至较小面积），选择性影响环宽度（较大选择性导致更宽环）和可达到的最大浓度。烟气流率影响显著：较高流量将环右移导致更大最优面积。
**多膜设置性能与成本估算**：使用Mem5作为膜类型，压力比固定为5，2膜和4膜单元膜厚度为1 μm，3膜单元为500 nm。双膜单元结果显示CCR>80%和PF<20%的要求无法同时满足，因此放宽PF标准。所有三个案例中膜后CO?浓度约可翻倍，每吨CO?成本随烟气浓度近似线性下降。三级膜带循环流模块产生显著优于双膜单元的结果，CO?浓度在渗透流中可增加4–6倍，但由于额外压缩步骤电力成本更高。四级膜允许渗透流中更高浓度，但膜面积更大且电力成本更高（共四级压缩），该设置相当灵活，膜可根据渗透流和渗余流要求独立调节。对于最低浓度进料流压缩成本最高（从双膜的599 �·t?1到四膜的1147 �·t?1），中等浓度案例捕集成本在197–377 �·t?1范围，最高浓度案例成本估算在109–219 �·t?1之间。
**讨论与结论**
讨论部分首先论证了所有模拟的两个基本假设：恒定渗透率（膜材料性质不退化且无跨膜梯度）和交叉平推流条件（沿膜稳定流动且膜附近无浓度梯度）。这两个假设用于简化：性能强烈依赖工艺具体情况（如烟气温度和压力、可能的污染物、膜组件几何形状、膜的状态和稳定性等）。为生成不依赖工艺具体情况的估算，假设稳态条件（稳定温度、压力、进料组成、无污染物）和清洁均匀膜。单膜模拟清楚展示了膜面积、厚度和压力比的相互依赖性，意味着膜分离可通过根据工艺具体情况（可用膜类型、烟气流率、CO?含量等）变化一个或多个参数进行高效调节。压力比方面，由于本研究中跨膜压差完全通过进料流压缩实现，分离效率与压缩电力成本之间存在权衡。厚度方面，薄膜导致高CCR值但不能导致足够的渗透浓度（因PF也高），而厚膜导致渗透流中CO?富集但降低CCR。面积方面，有意义分离仅在环内可能。所有单膜模拟清楚表明本研究使用的"成功"分离标准（CCR>80%，PF<20%）无法仅用单膜实现，需要三个或更多膜串联以达到满意碳捕集率和渗余流CO?减排。多膜模块性能模拟显示两个总体趋势：捕集成本和每吨捕集CO?电力消耗均随进料CO?浓度增加而降低；实现充分分离所需总膜面积随进料流率增长。2膜模块无法实现充分分离，仅获得约2倍的适度CO?富集。3膜和4膜设置均能满足两项要求，渗透流CO?浓度可增至进料浓度的约480%至1000%以上，但3膜与4膜配置之间未显示足够大差异以确定哪一种更优。与文献报道的高CO?浓度（>10%）烟气每吨成本相比，本研究的成本显著超出：如Lindqvist等报道混凝土厂膜捕集改造约35 �·t?1 CO?，Ramasubramanian等燃煤电厂约34 �·t?1 CO?，Giordano等约24–40 �·t?1 CO?，其CO?浓度分别为约23%和约13%，进料流量比本研究案例大多个数量级。本研究同样观察到浓度越高成本越低的趋势。以往低浓度（<10%）膜捕集研究估算的每吨成本也显著更小：Gatti等在约4% CO?含量下发现99–117 �·t?1 CO?，Adhikari等在1% CO?下发现约49 �·t?1 CO?。然而这些结果多采用额外真空泵送、极薄膜和/或不考虑膜捕集成本中的压缩成本。本研究有意未复制这些选择，主要目标是评估通过简单在现有工艺下游添加膜分离对中小型工厂进行"直接"改造的可行性。
研究结论：（1）面积、厚度和压力比等工艺参数对捕集性能的影响相互关联，意味着膜分离可根据工艺具体情况（可用膜类型、烟气流率、CO?含量等）变化一个或全部参数进行高效调节。（2）单膜不足以同时实现目标参数CCR>80%和PF<20%，需要三个或更多膜串联以达到满意碳捕集率和渗余流（即净化烟气）CO?减排。（3）文献报道的较高（>10%）CO?浓度烟气的每吨CO?成本被显著超出。（4）文献报道的较低CO?浓度（<10%）下的捕集成本也被超出。（5）然而许多报道结果使用真空泵送或极薄膜和/或不考虑压缩成本。本研究有意未复制这些选择，主要目标是评估通过简单在现有工艺下游添加膜分离对中小型工厂进行"直接"改造的可行性。（6）本研究结果清楚凸显了需要更精细的工程方法（相对于简单添加下游膜）以实现低CO?浓度下高效、经济的CO?捕集。
