用于溶剂法CO2捕集吸收塔与汽提塔的3D打印强化填料优化设计及技术经济分析

《Energy & Fuels》：Optimal Design and Techno-Economic Analysis of 3D-Printed, Intensified Packings for Absorbers and Strippers in Solvent-Based CO2 Capture

　　

CO₂吸收过程的一项潜在技术，是采用嵌入冷却/加热通道、可实现连续换热的强化结构化填料，以克服分段中间冷却与集中式再沸器等离散方法的局限，从而有助于降低能耗并减少成本。本研究针对汽提塔中的强化填料（IP）开展建模，并在既有吸收塔研究基础上进一步拓展，使热量能够在塔内部分布式供给，从而改善溶剂再生过程的热力学条件。模型包含用于产生不同蒸汽干度的蒸汽轮机抽汽子模型，以及用于计算蒸汽焓值的代理模型（surrogate model）。研究人员建立了一个面向工厂尺度吸收法捕集过程的成本模型，在两种不同电厂烟气来源条件下，以最小化捕集成本为目标，对装置设计进行优化。在该优化中，同时优化了两塔内IP的布置位置，以平衡强化传热与减小传质有效体积之间的权衡。对于天然气联合循环（NGCC）烟气，标准流程构型的最低成本为65.40美元/吨CO₂，而考虑IP后，最低捕集成本降至62.73美元/吨，且最优方案是在汽提塔中使用IP，可使年成本最多降低2.67百万美元/年。通过IP或中间冷却器对吸收塔进行冷却，仅在较高捕集率下才表现出优势；当两塔同时采用IP并在99.9%捕集率下运行时，捕集成本为68.08美元/吨，相较于同一捕集率下仅使用中间冷却器的方案降低12.64美元/吨。对于燃煤电厂（PC）烟气，当两塔同时采用IP时，最低捕集成本为44.18美元/吨（对应97%捕集率），而带与不带中间冷却器的标准构型分别为45.69和47.22美元/吨。这意味着相较于基准构型，年成本可降低16.98百万美元/年。在更高CO₂浓度下，吸收塔内由IP提供的冷却变得极为有利，可使能耗最多降低6%。

该论文发表于《Energy》，围绕燃烧后CO₂捕集（post-combustion capture, PCC）中胺法吸收过程的高能耗与高成本问题展开。研究背景在于，单乙醇胺（monoethanolamine, MEA）溶剂吸收虽已较为成熟，但汽提塔再沸器热负荷高、吸收塔放热显著，导致系统运行费用居高不下。传统强化方式如吸收塔中间冷却（intercooling, IC）与汽提塔再加热虽能缓解部分热力学不利因素，但本质上属于离散式供热/供冷，难以使塔内温度分布持续接近最优状态；同时，现有研究多采用灵敏度分析而非面向全流程的方程导向优化，难以实现设备尺寸、操作条件与流程耦合关系的同步寻优。因此，开展一种兼顾传热强化、流程集成与经济性的连续式塔内热管理研究具有明确必要性。

研究人员提出并系统评估了一种3D打印强化填料（intensified packing, IP）方案。该填料在规整波纹填料壁内嵌独立通道，使吸收塔可连续移除吸收热，汽提塔可沿塔高分布式输入再生热，从而替代或部分替代传统再沸器和离散中间冷却器。与常规塔器依赖塔底单点供热不同，汽提塔内IP允许在多个位置引入不同温度等级的蒸汽，提升温度分布调控自由度，并为低压蒸汽轮机（low-pressure, LP）不同级位抽汽创造经济收益空间。论文在先前仅针对强化吸收塔的模型基础上，进一步建立了强化汽提塔模型、蒸汽轮机抽汽模型和简化蒸汽物性代理模型，并构建了包含吸收塔、汽提塔、贫富液换热器、冷凝器、再沸器与泵的全流程技术经济优化框架。研究对象覆盖天然气联合循环（NGCC）与燃煤电厂（PC）两类烟气源，捕集率范围为90%–99.9%。

从总体结论看，研究表明IP能够显著提升溶剂法CO₂捕集系统的技术经济表现，但最优强化位置取决于烟气CO₂浓度与目标捕集率。对于低CO₂浓度的NGCC烟气，低至中高捕集率区间内最优策略主要是在汽提塔布置IP，最低捕集成本降至62.73美元/吨CO₂；对于高CO₂浓度的PC烟气，吸收塔冷却强化收益更显著，两塔同时强化时最低捕集成本可降至44.18美元/吨CO₂。在超高捕集率区域，连续式塔内供冷/供热明显优于离散式IC方案，显示出更强的成本抑制能力。论文的核心意义在于证明：通过3D打印强化填料实现吸收塔与汽提塔的连续热管理，可突破传统分段换热流程的局限，在保持或提升分离性能的同时降低单位捕集成本，为高捕集率CO₂捕集流程设计提供了新路径。

方法方面，研究人员基于MEA–CO₂–H₂O热力学与传质传热模型，建立了吸收塔/汽提塔的一维方程导向（equation-oriented）规整填料塔模型，并通过二元变量描述IP沿轴向分段布置；针对汽提塔，进一步耦合LP蒸汽轮机多级抽汽模型与饱和蒸汽焓/饱和温度代理模型，用于表征不同温度蒸汽的供热与发电机会成本；同时依据NETL QGESS框架建立全厂尺度成本模型，以平准化捕集成本（levelized cost of capture, LCOC）最小化为目标，对塔高、塔径、换热面积、回流温度、沸腾温度及IP布置比例等变量进行优化。烟气工况取自NETL基准案例，包括NGCC Case B31B与PC Case B11B。

在“Performance of Intensified Stripper Packing”部分，论文首先单独分析了汽提塔强化的作用。结果表明，对于NGCC烟气，IP在所有捕集率下均优先布置于汽提塔底部约5 m区域，并呈自下而上逐渐减弱的布置特征，以平衡局部供热需求与传质体积损失。对于PC烟气，低捕集率下汽提塔强化收益有限，至93%捕集率后才开始大范围布置，最高可覆盖塔底约10 m。研究人员通过温度分布与溶剂CO₂组成剖面证明，塔内分布式加热使整塔操作温度略有提高，促进热量沿塔内更有效传递，并降低IP覆盖区溶剂中的CO₂含量，说明再生热力学条件得到改善。对于PC工况，这种内部加热还能降低再生所需总热输入；对于NGCC工况，能耗改善较小，但依然带来经济优势。

在“Sensitivity of Heat Transfer Coefficient”部分，研究人员考察了汽提塔IP总传热系数（U）不确定性对结果的影响。结果显示，当U从750 W/(m²·K)降至450 W/(m²·K)以上区间时，IP利用率几乎不变；低于450 W/(m²·K)后，系统开始部分回退至再沸器供热，因为较低传热系数意味着需要更大IP面积才能满足热负荷，从而推高资本成本。即便将U降至250 W/(m²·K)，蒸汽总耗量变化也仅约0.2 MW，说明在合理范围内，模型主要结论对该参数具有一定稳健性。

在“Techno-Economic Optimization of IP in NGCC Applications”部分，论文比较了基准流程（BC）、仅吸收塔强化（IA）、仅汽提塔强化（IS）、两塔同时强化（IAS）以及带中间冷却器的基准流程（BCIC）。结果表明，在90%–98%捕集率范围内，最低LCOC出现在IS方案，97%捕集率下为62.73美元/吨CO₂，优于常规基准流程。此时吸收塔中几乎不布置IP，说明低CO₂浓度烟气下，吸收塔放热强度尚不足以支撑IP资本投入。超过98%捕集率后，吸收塔温度鼓包（temperature bulge）显著增强，若不冷却，将迫使系统采用更低贫液负载和更高塔高，导致再生能耗与资本成本急剧上升；而吸收塔布置IP后，能够持续移除吸收热，维持更有利的温度分布，使贫液负载保持在较高水平，并将最高比再沸器热负荷（specific reboiler duty, SRD）控制在3.96 MJ/kg CO₂以下。对应地，在99.9%捕集率下，IAS成本仅68.08美元/吨，而BC则升至118.24美元/吨；相比BCIC，连续冷却的IP也明显优于离散中间冷却。年度成本分析进一步指出，NGCC条件下汽提塔IP的主要收益来源并非显著节能，而是通过LP汽轮机较低温级抽汽提升电力收益，年成本最多可减少2.67百万美元/年；在高捕集率区域，吸收塔IP开始主导节能降本，IAS相较BC的年成本降幅最高达92.51百万美元/年。

在“Techno-Economic Optimization of IP in PC Applications”部分，高CO₂浓度烟气使吸收塔强化优势更早显现。研究发现，在所有考察捕集率下，IA均布置吸收塔IP，并将LCOC较BC最多降低约2美元/吨CO₂；两塔同时强化的IAS在97%捕集率下达到全局最优，最低成本为44.18美元/吨CO₂。与NGCC相比，PC烟气下吸收塔IP不仅缓解温升，还显著提高富液负载（rich loading），在部分条件下可达到0.52 mol CO₂/mol MEA，而常规填料下则受限于0.49以下。论文认为，这是因为内部连续冷却降低了温度并增强了高CO₂分压条件下的碳酸氢盐形成，从而突破了氨基甲酸盐主导时约0.5 mol/mol的表观容量限制。与此同时，吸收塔IP使系统所需溶剂循环量最多减少14%，直接降低了溶剂显热需求与汽提负荷。汽提塔IP在PC工况下仍能通过小幅提高贫液负载、降低循环量及利用较低温蒸汽带来附加收益，但其更主要价值体现在与吸收塔强化协同后，进一步压低高捕集率下的成本增长。99.9%捕集率时，IAS的LCOC仅50.25美元/吨CO₂，而BCIC为66.76美元/吨，BC更高达148.18美元/吨。年成本方面，IAS在97%捕集率下降本16.98百万美元/年，在99.9%捕集率下相较BC可降低533.19百万美元/年，显示出超高捕集率工况下连续式热管理的突出优势。

讨论部分强调，IP的价值并不只是单纯替代传统填料，而是在全流程层面改变吸收塔与汽提塔的热力学运行方式。吸收塔中，连续冷却较离散IC更能维持接近最优的温度轨迹，减轻温度鼓包的不利平衡影响，提高溶剂容量并降低循环量；汽提塔中，分布式加热较塔底集中再沸更有利于抑制多余水汽化造成的能量浪费，同时通过多级低温抽汽创造发电机会成本优势。论文也明确指出，IP的分数化轴向布置当前基于“制造完全灵活”的理想化假设，尚未纳入3D打印制造约束和汽轮机中间级抽汽流量限制，因此现阶段结果更接近最佳情形评估，但在模型假设范围内，各项结论均有原文支撑。

研究结论部分可译为：本研究表明，在吸收塔和汽提塔中应用强化填料（IP）的CO₂吸收系统具有显著的节能降本潜力。对于天然气等低CO₂浓度来源，最具经济优势的构型是在汽提塔中配置IP；在该构型下，97%捕集率时最低捕集成本为62.73美元/吨CO₂，相较标准构型年成本降低2.67百万美元。其主要收益来源于以更低温度抽取溶剂再生蒸汽所带来的额外发电收益。对于NGCC烟气，在98%捕集率以下，通过吸收塔IP或中间冷却器进行冷却均不是最优方案，因为其增加的资本成本会超过运行成本节约；但在98%以上捕集率下，吸收塔中的温度限制更加突出，两种方案均可显著降低捕集成本。尽管如此，由于中间冷却仅为离散式，99.9%捕集率时其成本升至80.72美元/吨CO₂，而吸收塔IP可将成本控制在69.55美元/吨CO₂。当两塔同时采用IP时，最高捕集成本为68.08美元/吨，并可使年成本较基准情形降低92.51百万美元。对于燃煤电厂等高CO₂浓度应用，吸收塔冷却更具优势。无中间冷却的基准方案在94%捕集率时最低成本为47.22美元/吨，加中间冷却后为45.69美元/吨，仅吸收塔采用IP时进一步降至45.65美元/吨，而两塔同时采用IP时最低捕集成本达到44.18美元/吨CO₂。这相当于相较基准方案年成本降低16.98百万美元。在高捕集率下，基准方案成本可升至148.18美元/吨CO₂，中间冷却可将其降至66.75美元/吨，而两塔同时采用IP时最高成本仅为50.25美元/吨，并带来最高533百万美元/年的年成本降低。这些成本下降主要源于溶剂再生能耗的显著降低。吸收塔内IP的连续冷却可使塔器在更有利的温度分布下运行，提高富液负载与溶剂容量，从而减少所需溶剂量；同时，汽提塔内IP的分布式加热可减少由于过量水汽化带来的废热损失，进一步降低总能耗。总体而言，本研究证明IP能够通过对塔器实施连续冷却/加热，克服传统离散方法的局限，在降低捕集成本方面优于中间冷却等常规技术。