2022-06-06
 
从空气中捕获和转化二氧化碳的新工艺
2022年06月06日   阅读量:1080

随着二氧化碳排放量持续增长,世界越来越依赖于从大气中去除二氧化碳来实现紧迫的气候目标。直接空气捕捉(DAC)是一种通过液体或固体吸附剂从环境空气中提取二氧化碳的有前途的新技术。该工艺提供的CO2可以储存在地质构造中,也可以用作生产碳中性燃料和能源载体的原料。弗朗西斯科·萨巴蒂诺(Francesco Sabatino)在其博士研究中设计并优化了利用空气中捕获的二氧化碳和可再生氢生产合成天然气的工艺。

可再生能源的必要增长要求制定措施,平衡与太阳能和风能等能源相关的固有波动。在这方面,在讨论未来可再生能源系统时,经常会提到功率转换(power-to-X,PtX)。PtX是指通过两步过程将电力转换为各种燃料或能源载体的技术。氢最初通过水电解产生,并通过与CO或CO2的合成转化为气体或液体能量载体。这些载体的化学键将为储存和运输大量可再生能源提供一种非常有效和可扩展的方式。

此外,我们社会的完全脱碳不会在一夜之间实现,一些部门(如航空业)需要进行关键的技术飞跃,才能完全独立于碳源。利用由大气碳和可再生氢生产的致密能源载体将减少甚至消除分布式和难以脱碳来源的排放,例如与运输部门相关的来源。

直接空气捕捉

直接空气捕捉(DAC)仍然是一项非常昂贵的技术,具有很大的改进潜力。当前DAC工艺的高成本将对任何CO2捕获和利用系统的经济性产生相当大的影响。因此,萨巴蒂诺博士研究的第一个目标是优化DAC流程,以降低成本。他与他的团队合作,研究了最成熟、最有效的DAC工艺,该工艺通过氢氧化钾水溶液或通过吸附在不同固体材料上来捕获CO2。此外,他还设计了基于电化学技术的新工艺,这些工艺特别有趣,因为它们可以很容易地与可再生能源集成,因为唯一的能量输入是电。萨巴蒂诺用详细的过程模型模拟这些系统,并通过遗传算法优化其性能。

萨巴蒂诺使用从专利或发表的论文中检索到的数据来准确地模拟这些过程并验证我的模型。“我发现,由于严格的优化和智能设计,所有技术都有可能实现低于200美元/吨二氧化碳的成本。然而,采用固体吸附剂的工艺通常表现更好,前提是实现了较高的传质速率。”

优化处理

他的研究的第二个目标是确定DAC和二氧化碳甲烷化之间的最佳工艺集成。吸附剂再生需要大量能量,而CO2与氢气的反应是放热的,即释放热量。萨巴蒂诺研究了不同的整合策略,以确定和量化二氧化碳捕获及其转化的智能组合可能产生的协同效应。他开发了一个动力学模型来描述二氧化碳在碳酸钾上的吸附和解吸,并将其应用于现有的反应器模型中。

萨巴蒂诺发现,通过有效的热集成,可以大大减少能源需求。通常,可以实现整体自动热运行,这意味着无需向DAC单元提供外部热量。此外,由于更有效的热集成和避免CO2压缩,在同一反应器中进行二氧化碳捕获和转化的新型强化过程提供了最佳结果。

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