床式低温碳捕获技术：文献综述及利用相变材料的实验研究

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Bed-type cryogenic carbon capture: A literature review and experimental study using phase change material

　　

杨立忠|Jun Onn Khor|刘文|Syed Saqline|Alessandro Romagnoli

南京航空航天大学民航学院，中国南京，210016

摘要

碳捕获技术通常面临较高的运营成本，这主要是由于捕获的二氧化碳（CO₂需要经过高温再生和液化才能进行运输。尚未得到充分利用的液化天然气（LNG）的冷能可以用于高纯度和低温的低温碳捕获过程，从而降低碳分离和液化的能耗和成本。然而，使用传统导热材料的低温床层在能源效率上并不高，并且占地面积较大。在这项研究中，我们全面而批判性地回顾了关于基于床层的低温碳捕获技术的文献，提出并测试了相变材料（PCM）TESL-114在低温碳捕获中的应用，该材料在约-114°C时熔化，并将其与导热材料特氟龙（Teflon）进行了比较。这是首次在实验室规模上展示使用低温PCM TESL-114的完整三阶段低温碳捕获循环的实验。实验通过改变热能存储材料、入口CO₂浓度和气体流速来进行。结果表明，尽管TESL-114的重量比特氟龙轻30%，但由于其潜热优势和等温相变特性，它使CO₂的捕获时间延长了4.5%，并且在捕获相同量的CO₂的情况下节省了大约一半的冷能。增加入口CO₂浓度可以提高捕获性能，因为沉积温度升高，从而更好地利用储存的冷能；而较高的流速则减少了CO₂的捕获时间，这可以直接与气体停留时间的减少相关联。针对一艘使用LNG作为燃料的船舶进行了案例研究，证明基于PCM的低温碳捕获技术能够以更小的占地面积实现高效的海上碳捕获。这些发现突显了PCM相对于传统低温碳捕获材料的优越性，并展示了其作为未来有前景的气候缓解技术的潜力。

部分摘录

引言和文献综述

二氧化碳（CO₂）是人类活动产生的主要温室气体[[1], [2], [3]]。根据国际能源署的数据，为了将全球温度上升限制在1.5°C以内，必须在2050年前实现净零排放，同时CO₂排放量应在本十年达到峰值[4]。与此同时，全球能源引起的碳排放量已达到历史最高水平，达到37.8 Gt（2024年）[5]。向可再生能源和电气化转型是实现这一目标的关键步骤[[6], [7]

实验装置

关于碳捕获（CCC）的实验是在新加坡南洋理工大学的热能系统实验室（TESLab）中进行的，如图4所示。

结果与讨论

特氟龙和封装的TESL-114在碳捕获方面都表现出了良好的性能。图5显示了这两种材料所在胶囊表面固态CO₂沉积的情况。为了避免低温条件对相机造成的损坏，相机被短暂但分次地插入罐中。因此，无法直接从照片中可靠地测量干冰的厚度并比较这两种材料

结论与未来工作

在这项研究中，我们全面回顾了基于床层的碳捕获技术的相关文献，进行了四次实验，改变了TES材料、入口CO₂浓度和气体混合流速。主要研究结果如下：

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填充床层碳捕获技术具有一系列优势，如高效率和低复杂性。然而，传统的碳捕获床层捕获能力较低且能耗较高。此外，当与外部冷源结合使用时，传统床层无法

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致谢

作者感谢南洋理工大学的SJ-NTU企业实验室提供的资金支持。本研究得到了RIE2020产业对接基金——产业合作项目（IAF-ICP）资助计划的支持，以及Surbana Jurong Pte Ltd的现金和实物贡献。

作者还要感谢热能系统实验室、南洋理工大学能源研究所以及航空实验室