《Fuel》：Integration of CO
2 capture using rotating packed beds in heavy-duty trucks: Process modeling and techno-economic optimization
编辑推荐：
本研究首次探讨了在重型车辆中集成并优化一种基于旋转填充床(RPB)的碳捕集系统，旨在减少交通相关的排放。该系统通过化学吸收废气中的CO2于30 wt.%的单乙醇胺(MEA)水溶液中，随后对溶剂进行热再生。研究人员开发了一个自定义数学模型以
本研究首次探讨了在重型车辆中集成并优化一种基于旋转填充床(RPB)的碳捕集系统，旨在减少交通相关的排放。该系统通过化学吸收废气中的CO2于30 wt.%的单乙醇胺(MEA)水溶液中，随后对溶剂进行热再生。研究人员开发了一个自定义数学模型以表征其潜在的物理化学过程，同时应用优化算法来确定最优的尺寸和操作设置。所采用的目标包括成本和重量最小化，同时最大化捕集性能。研究人员进行了敏感性分析和情景分析，以评估优化方案的可靠性。最优方案的结果表明，碳捕集效率为52%，相当于每辆卡车每年捕集34.7吨CO2。最优配置导致年化资本支出为7,123欧元/年，运营支出为15,063欧元/年。该捕集系统使总燃料相关支出增加了36.73%，而额外的车载系统重量仅为126公斤。尽管该系统带来了额外的重量和成本，但这些在重型车辆的操作限制内仍可接受，并可通过潜在的碳信用或监管激励措施来抵消。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
交通运输部门是全球温室气体排放的主要贡献者之一，其中公路货运，特别是重型卡车，是碳排放最为密集的领域之一。尽管重型卡车主要依赖柴油发动机，其高能量密度、长续航里程和耐久性在长途和高负载应用中难以被替代，但电动化面临电池容量有限、充电时间长及基础设施不足等重大技术与经济障碍。因此，迫切需要一种能立即实施的、切实可行的解决方案来减少该难以脱碳行业的CO
2排放。在众多技术中，从废气中进行车载CO
2捕集是一个有前景的方向，它能在不改变燃料类型或车辆架构的情况下实现减排。旋转填充床（RPB）作为一种过程强化技术，因其增强的传质性能、紧凑的设计和较低的设备体积，在工业CO
2捕集中受到关注，但其在移动源，特别是车载环境中的应用研究尚属空白。现有研究主要集中于固定式工业源或船舶应用，而针对陆地运输系统，特别是重型卡车，集成胺基溶剂与RPB配置的研究尚未开展。因此，本研究旨在填补这一空白，通过详细的工艺建模和技术经济评估，分析基于胺基溶剂的RPB系统在重型卡车中应用的可行性、集成潜力及操作性能。
**研究内容与结论**
本研究提出并分析了一种基于胺基溶剂的RPB系统，用于重型卡车的CO
2捕集。研究人员开发了一个详细的稳态模型，并采用多目标模拟退火（SA）优化算法，在考虑成本、重量和捕集性能三个相互冲突的目标下，对系统进行优化。研究得出以下关键结论：优化后的系统能够实现52%的CO
2捕集效率，相当于每辆卡车每年捕集34.7吨CO
2。系统总年成本为22,186欧元/年，其中年化资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)分别占32%和68%。特定捕集成本为0.639欧元/公斤CO
2。系统总重量约为126公斤，验证了其紧凑性。帕累托前沿分析表明，中等捕集效率（35-45%）可以通过有限的成本和重量增加实现，而更高的捕集效率则需要不成比例的投资和能量输入。该研究首次将强化传质设备与移动式CO
2捕集相结合，并证明了其作为一种近期减排解决方案的经济和技术可行性。论文发表在《Fuel》。
**主要关键技术方法**
研究人员为开展此项研究，主要应用了以下关键方法：首先，基于速率的方法建立了旋转填充床(RPB)吸收器的稳态数学模型，该模型结合了双膜理论、经验流体动力学相关性以及热力学模型，以描述吸收过程中的传质、传热和压降。其次，应用模拟退火(SA)算法进行多目标优化，目标函数为总年成本(TAC)、总系统重量(W
total)和CO
2捕集水平(CCL)的加权组合。再者，采用主成分分析(PCA)识别对系统性能影响最大的关键变量，并指导SA算法的初始化，以提高优化效率。最后，通过帕累托前沿分析，揭示了成本、重量与捕集性能之间的权衡关系。模型输入数据来源于意大利北部中型车辆在联合行驶循环下的排放数据，并进行了缩放。
**研究结果**
**5.1. 优化结果：** 通过模拟退火(SA)算法优化，确定了系统的关键设计变量和性能指标。主要结果包括：溶剂与烟气比从6.1降至1.43 kg MEA/kg烟气，显著降低了溶剂循环量和再沸器负荷；再沸器温度略微升至390.40 K，再生压力增至220 kPa，改善了再生效率；再生能量需求为6.19 GJ/tn CO
2，经余热回收后降至4.85 GJ/tn CO
2；优化后的CO
2捕集水平为52%，虽低于初始目标77%，但被认为是成本最优解；RPB转速降至714 rpm，权衡了传质效率和机械能耗。年化资本成本为7,123 �/y，运营支出为15,063 �/y，总年成本为22,186 �/y，系统总重量为126 kg，年捕集CO
2 34.7 tn，特定捕集成本为0.639 �/kg CO
2。研究还分析了捕集系统对燃料消耗的影响，发现每捕集1公斤CO
2需要额外消耗0.434 �的运营成本，相当于每100 �燃料支出增加36.73 �的捕集成本。
**5.1.1. 资本支出分解：** 总资本支出(CAPEX)为48.535 k�，其中RPB占据了最大份额，估计为46.645 k�，约占总CAPEX的96%，反映了其复杂性和精密制造要求。再沸器和辅助部件分别贡献1.294 k�和0.596 k�。
**5.1.2. 运营支出分解：** 总运营支出(OPEX)估计为15.16 k�/y，其中再沸器是最大的成本贡献者，占9.35 k�（约62%），主要归因于溶剂再生的热能需求。冷凝器、RPB和辅助设备分别贡献3.95 k�、1.16 k�和0.6 k�。敏感性分析表明，电费(C
elec)对运营成本影响显著，而柴油价格主要影响捕集成本相对于基准燃料支出的相对经济性。
**5.2. 帕累托前沿分析：** 研究人员构建了两个帕累托前沿：总年成本(TAC)与捕集CO
2量，以及总重量与捕集CO
2量。TAC-捕集量曲线显示正的单调相关性，表明更高的捕集水平需要更高的年化成本，且曲线在捕集效率超过50%后变得陡峭，呈现收益递减规律。重量-捕集量曲线同样显示单调递增趋势，表明系统重量随捕集量增加而增加。帕累托分析证实了经济性能、系统重量和CO
2捕集效率之间存在明确的权衡关系，中等捕集水平（40-55%）是成本效益最高的操作区域。
**总结讨论与研究结论**
**讨论总结：** 帕累托前沿分析确认了在成本、重量和捕集效率之间存在清晰的权衡。低成本和轻量化的配置对应于30-40%的中等捕集水平，而超过50%的更高捕集率会导致成本和系统总重量的显著增加。帕累托曲线的非线性性质表明，在中等捕集水平（如35-45%）下，微小的效率提升可以通过相对较小的成本或重量增加实现，但超过某个阈值后，再微小的捕集效率提升也需要不成比例的高额资本和运营支出。这反映了吸收器性能、溶剂再生负荷和组件尺寸之间的内在耦合。研究结果强调了在移动碳捕集系统中，需要平衡经济可行性与物理和操作约束，并指出没有单一配置能同时最小化所有目标，而是存在一组帕累托最优解，代表成本、性能和重量之间的不同权衡。
**研究结论（翻译）：** 本研究提出了一个技术经济框架，用于设计和优化专门针对重型卡车的旋转填充床CO
2捕集系统。通过将详细的稳态建模与多目标模拟退火优化相结合，本研究确定了平衡捕集效率、成本和重量这三个决定移动碳捕集系统可行性的关键参数的操作条件。高强度RPB吸收器与紧凑型印刷电路换热器及优化热管理的集成，实现了轻量化和高能效的设计，支持了CO
2捕集在交通领域的实际实施。优化后的配置证明了：CO
2捕集效率为52%，相当于每辆卡车每年捕集34.7吨CO
2，为重型车辆提供了可行的减排潜力；总年成本为22,186 �/y，其中年化CAPEX占32%，OPEX占68%，再沸器因其热能需求被确定为运营支出的主要贡献者；特定捕集成本为0.64 �/kg CO
2，考虑到新兴的碳信用机制或监管激励措施，该成本处于经济可行范围内；系统总质量约为126 kg，验证了所提配置的紧凑性，并确认了额外载重相对于车辆总重可忽略不计；溶剂与气体比从6.1降至1.43 kg MEA/kg烟气，反映了通过降低再沸器负荷和泵送功率需求而实现的能源效率提升。帕累托前沿分析揭示了系统的技术经济行为，表明中等捕集效率（35-45%）可以通过有限的成本和重量增加实现，而进一步的性能提升则需要不成比例的投资和能量输入。这种非线性的权衡突显了移动CCS应用存在一个实际的操作包络线。再沸器相关能源成本的主导地位表明，热回收和低品位能源利用的进一步进展可以提升系统的可行性。使用RPB捕集系统导致每公斤CO
2捕集所需的总燃料相关支出增加36.73%，CAPEX相关支出增加24.28%。未来工作应评估不同的溶剂以降低再生能源和运营成本，将模型与瞬态重型行驶循环和动态排气条件相结合，并考虑更贴近实际的RPB资本成本估算。
