迈向净零排放：结合CCS与DAC策略的胺法-膜混合CO2捕集系统

《Energy》：Towards Net-Zero Emissions: Hybrid Amine-Membrane CO2 Capture Combining CCS and DAC Strategies

　　

研究人员分析了将联合循环燃气轮机(CCGT)与两种分离技术集成的混合CO2捕集系统：源自烟气(Flue Gas)的胺法(Amine-based)CO2捕集(CCS)与膜法直接空气捕集(Membrane-based Direct Air Capture, m-DAC)。该研究的创新点在于将两种方法结合在单一系统中以降低能量强度并提高运行灵活性。研究人员分析了不同运行配置，包括进入胺单元与膜单元的烟气分流比例，以及供给m-DAC单元的空气流量相对于烟气气流的比率(φ)。最佳结果为全部烟气送入吸收塔(γ=100%)且经净化的气体与空气混合后进入m-DAC模块。此举提高了m-DAC入口处的CO2浓度，能量强度范围为1.70至9.03 GJ/t CO2，捕集CO2流量为4819 kg/h至5742 kg/h（取决于φ）。φ比率还决定了系统的运行模式：低φ值时作为改善CCGT排放的常规CCS单元运行，高φ值时作为直接空气捕集单元运行。CO2回收率(Recovery Rate, R′)——基于CCGT中甲烷燃烧产生的CO2计算——在所有情景下均超过100%，表明厂界内实现净负CO2平衡。系统可实现高纯度CO2捕集：胺单元>95%，m-DAC模块>85%。结果证实混合CCS/DAC系统是未来CO2捕集技术中节能且灵活的解决方案。

《结合CCS与DAC策略的胺法-膜混合CO₂捕集系统以实现净零排放》论文解读

一、研究背景及开展原因

为实现《巴黎协定》及欧盟绿色新政提出的21世纪中叶气候中和目标，仅靠传统碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)自大型排放源捕集CO₂不足以达成净零排放(Net Zero Emissions, NZE)，还需移除大气中历史排放的CO₂，即直接空气捕集(Direct Air Capture, DAC)。目前，燃烧后胺法CO₂捕集(Post-combustion CO₂Capture, PCC)技术成熟但再生能耗高，尤其对于联合循环燃气轮机(Combined Cycle Gas Turbine, CCGT)烟气中CO₂浓度较低(约4~6 vol.%)时能耗更大；而单独膜法直接空气捕集(membrane-based Direct Air Capture, m-DAC)因大气中CO₂浓度极低(~400 ppm)导致分离驱动力小、能耗极高(文献报道可达64.8 MJ/t CO₂)。现有文献缺乏将胺法CCS与m-DAC整合于同一能源系统内、定量评估其能量性能、CO₂回收率、产品纯度及净排放的研究。因此，由波兰西里西亚工业大学(Silesian University of Technology)的Kamil Niesporek、Janusz Kotowicz及Adam Tatarczuk开展本研究，首次提出并分析集成胺吸收(适合较高浓度烟气)与膜分离(适合可灵活启停及全电气化运行)的混合CCS/DAC系统，探讨其实现厂界内净负CO₂平衡及降低整体能耗的可行性。该论文发表于《Energy》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用分步序贯耦合(manual sequential coupling)模拟方法：首先用Ebsilon Professional 16建立400 MW级CCGT模型获取烟气参数(干基流量18.55 kg/s，CO₂4.85 mol%，温度85.5 °C)；其次用CHEMCAD基于AMINE/Kent–Eisenberg电解质热力学框架建立30 wt.% 单乙醇胺(Monoethanolamine, MEA)吸收-解吸单元模型，采用冷溶剂分流(Cold Solvent Split, CSS)及段间冷却吸收器(Intercooled Absorber, ICA)改良措施，CO₂捕集率设定90%、再沸器热负荷3.87 GJ/t CO₂；再用Aspen Plus V.14建立四阶段交叉流毛细管膜m-DAC单元，假设CO₂渗透率为108 GPU(Gas Permeance Unit)、CO₂/N₂选择性α=70、进料压力1.02 bar、渗透侧真空0.01 bar(压比≈100)、等温过程、恒渗透系数、干基进气、理论完全除湿，逐阶冷却至15 °C并由四级真空泵抽气；最后将胺单元出口净化气(CO₂约0.45%)与外加环境空气混合作为膜单元进料，考察变量包括烟气分流至膜单元比例(γ=0%~100%)、空气/烟气比率(φ)及膜分离级数(1~4级)，定义系统总能耗为胺蒸汽提取导致的发电损失折合电功率与膜风机及真空泵电耗之和，计算综合CO₂回收率R′(含燃烧产生CO₂及进口空气中CO₂)、净碳去除效率(Net Carbon Removal Efficiency, NCRE)及能量强度(Energy Intensity, EI)。

三、研究结果

4. Analysis of the operation of the membrane capture system（膜捕集系统运行分析）

研究人员先分析单级膜单元中不同γ(进入混合器的烟气占离开余热锅炉总烟气百分比)对膜性能影响。结果显示：γ增大(更多烟气直供膜单元或混入吸收塔出口气)使膜进料CO₂浓度升高，膜单元能量强度降低(γ=0%时5.39 GJ/t CO₂，γ=100%时1.12 GJ/t CO₂)，渗透气CO₂纯度提高(γ≥50%时>20%)，膜自身CO₂回收率可达>99%。但在集成系统中，由于胺单元固定捕集约90%烟气CO₂，整体系统回收受γ影响较小。增加膜级数可提高渗透气纯度，四阶段膜在γ=100%且低φ时可获>99% CO₂，满足地质封存、强化采油(Enhanced Oil Recovery, EOR)甚至电化学转化要求；单级可用于微藻培养(10~20% CO₂)或温室增施CO₂。膜截留气(Retentate)CO₂控制在~300 ppm(工业革命前水平)以确保净负排放潜力。

5. Analyses for an integrated amine absorption and membrane separation system（胺吸收与膜分离集成系统分析）

对四阶段膜+胺集成系统，考察γ=0%、30%、70%、100%四种情形(固定φ使进入m-DAC的空气/烟气比为0.11)。结论如下：

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  γ=100%(全烟气去胺吸收塔，净化气混空气进膜)时总捕集能耗最低(1.70 GJ/t CO₂)，CCGT电功率占用率最低(16.52%)，所需膜面积最小(2525 m²)；胺单元捕集CO₂流约4819 kg/h，膜再从大气额外捕集约10.87 kg/h CO₂。
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  γ减小(更多烟气直入膜或混合器)使胺蒸汽消耗及电耗降低，但膜真空泵功耗上升，总系统能耗增至γ=0%时的2.22 GJ/t CO₂，CCGT功率占用升至20.68%。
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  各情形下综合CO₂回收率R(相对烟气中燃烧产生CO₂)≈99%；修正回收率R′(相对CH₄燃烧产CO₂，分母扣除进入系统的空气带入CO₂)均>100%(100.23%~100.31%)，证明厂界内净负排放。胺单元CO₂纯度>95%，膜单元四阶纯化后CO₂纯度85%~99%(γ=100%时99.0%)。

随后分析变动φ(加大供m-DAC的大气空气量)的影响：随φ增大，膜处理气流量增大，真空泵电耗上升，CCGT功率利用率η_CCGT上升；γ越大(更多烟气走胺塔)，系统可在不超限电厂用电前提下容纳更高φ(γ=100%时φ最大达90.98)，R′最高可达119.41%。φ增大时膜渗透气纯度略降(γ=100%满功率时仍>89%)，总能量强度升至约9.03 GJ/t CO₂(相当于当前DAC运行水平)，低φ时接近常规CCS能耗(1.70 GJ/t CO₂)。净碳去除效率(NCRE)在低φ时>75%，随φ增大因发电伴生间接排放而下降但保持正值。膜单元响应快，可通过调节φ实现与电网供需匹配运行。

四、讨论与结论翻译

研究人员指出，所提胺法与膜法混合CCS/DAC工艺是一种比传统捕集技术更灵活节能的方案。系统使CCGT可低排放运行：胺子系统确保来自烟气的CO₂高效高纯度捕集，膜DAC模块提升运行灵活性并提供厂界内净负CO₂排放潜力。

最佳配置为全部烟气(γ=100%)送往吸收塔，净化后气体送入m-DAC模块。这提升了m-DAC入口CO₂浓度从而大幅降低大气CO₂捕集能耗。此配置下过程能量强度依φ不同为1.70~9.03 GJ/t CO₂，CO₂捕集流量4819~5742 kg/h。

φ比率决定系统运行模式：低φ时主要作改善CCGT排放的常规CCS单元，高φ时近似常规直接空气捕集系统。修正CO₂回收率R′在所有分析案例中超出100%，表明厂界内净负CO₂平衡。需注意该净负平衡限于所采用厂界系统边界；更广能源系统视角下整体气候效益取决于捕集过程附加能耗的电力来源——若需补偿CCGT净输出减少则可能涉及其他机组排放。故提议m-DAC子系统未来应与可再生能源耦合，消除伴随排放并提升混合CCS/DAC系统整体碳移除有效性。此外增大φ会降低NCRE(因m-DAC能耗引起伴生甲烷发电排放)，但所有工况NCRE仍为正值。

所得结果表明进一步开发应聚焦于m-DAC子系统与可再生能源集成，可显著降低伴随排放并提升混合CCS/DAC系统整体气候效益，且依赖膜材料(高渗透率和选择性)的持续进步。