炼油厂中试规模电化学CO2捕集示范的实验结果与机理建模启示

《Carbon Capture Science & Technology》：Olivine dissolution rates in wet CO? match or exceed aqueous rates

　　

研究人员介绍了在欧盟ConsenCUS项目支持下开发的一套电化学驱动CO2捕集示范装置的结果。该示范采用来自罗马尼亚OMVPET炼油厂的工业烟气（CO2浓度3.5 vol%）开展测试。系统集成烟气预处理、碳酸钾吸收回路以及用于溶剂再生的双极膜电渗析（BMED）栈，设计处理量可达500 Nm3/h、CO2含量4–18 vol%的烟气分流，下游设水洗塔以降低溶剂夹带。BMED栈含126个膜对，操作电流密度150–800 A/m2，K+传输效率0.5–0.8 mol K+/mol e-，产生酸性和碱性流股用于溶剂再生；酸性罐兼作闪蒸单元释放纯度>98 vol%的CO2，碱性流股恢复贫液碱度。捕集与再生模块稳定连续耦合运行逾500小时。结果表明电化学溶剂再生可放大至示范规模，在高纯度CO2释放的同时规避热解吸的高温需求；但因水离解效率偏低，比能耗（SEC）达15–45 GJ/t CO2，捕集效率演示区间为10–90%。该研究为电化学低排放CO2捕集技术在能量需求、溶剂管理与工艺柔性方面提供了关键判断依据。

研究背景与立项依据

工业点源与电力部门后燃烧烟气中的CO₂减排依赖高效且低能耗的碳捕集（CC）技术。传统胺法吸收-热解吸路线因再生温度过高、比能耗（SEC）大且溶剂降解严重而受限。电化学溶剂再生通过双极膜电渗析（BMED）以电能替代蒸汽，可在低温下完成pH摆动（pH swing）与碱液恢复，被视为具备与低碳电力耦合潜力的替代路径，但此前缺乏基于真实工业烟气的长期集成示范与机理量化分析。研究人员在《Carbon Capture Science & Technology》发表上述中试研究，以炼油厂烟气为对象，验证电化学CO₂捕集从实验室走向示范级的技术可行性并识别放大瓶颈。

主要关键技术方法

研究人员依托欧盟ConsenCUS项目，在罗马尼亚OMVPET炼油厂取用实际工业烟气（CO₂约3.5 vol%）作为样本队列来源；构建集成烟气预处理、K₂CO₃吸收回路与126膜对BMED栈的中试装置，处理量上限500 Nm³/h；同步采集BMED电流密度、K⁺迁移数、酸/碱室pH与CO₂纯度等运行数据，并将逾500小时连续运行观测与机理建模耦合，用以解释捕集效率、溶剂再生行为与能耗构成。

研究结果

Experimental setup and demonstration campaign

研究人员搭建并运行了包含烟气预处理、碳酸钾吸收塔、BMED再生单元及水洗塔的中试系统，在真实炼油厂烟气下连续运行超500小时，证明吸收与电化学再生模块可稳定集成。

BMED performance and solvent regeneration

BMED在150–800 A/m²下运行，K⁺传输效率0.5–0.8 mol K⁺/mol e^-；酸性侧闪蒸释放>98 vol% CO₂，碱性侧恢复贫液碱度，证实电化学路径可替代高温热解吸完成溶剂再生。

Capture efficiency and energy demand

演示区间内捕集效率10–90%，随操作条件大幅波动；比能耗（SEC）15–45 GJ/t CO₂，主要损失来自双极膜水离解效率不足，揭示当前电化学路线能耗仍高于成熟热法。

Mechanistic modelling insights

研究人员将实验观测与机理模型结合，量化膜对产酸/碱速率、电流效率与溶剂碳酸化平衡的关系，指出膜性能、电流效率、溶剂管理与系统耦合是放大优化优先级。

讨论与结论翻译

讨论部分指出，电化学溶剂再生已在真实工业烟气、中试规模与500余小时连续运行层面验证技术可行性，其低温、电驱特性利于匹配可再生电力，但水离解损失导致的SEC偏高、捕集效率对运行窗口敏感、BMED膜成本与污染问题仍是制约工业放大的核心。结论部分原文要义为：电化学驱动CO₂捕集可在炼油厂烟气分流中实现>98 vol%纯度CO₂释放与连续溶剂再生，证明该路线超出实验室尺度仍具运行稳定性；当前15–45 GJ/t CO₂的比能耗源于双极膜水离解限制，后续应通过膜材料改良、电流密度优化与吸收-BMED参数协同降低能耗，电化学低排放捕集由此具备面向工业部署的研究与工程价值。