田華，孫瑞，宋春風(fēng)，鄧帥，石凌峰，康克，舒歌群

（1 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；3 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津300350）

眾所周知，CO2的過量排放是造成全球氣候變化的主要原因之一，因此基于CO2捕集的排放控制技術(shù)是國(guó)際熱點(diǎn)問題[1-2]。低溫CO2捕集由于利用了CO2與其他氣體組分之間的凝點(diǎn)差異來實(shí)現(xiàn)CO2相變與分離，具有高捕集率、高產(chǎn)品純度、易于運(yùn)輸及后續(xù)利用等優(yōu)勢(shì)[3]，近年來受到廣泛關(guān)注。

Tuinier 等[4]提出了基于動(dòng)態(tài)填料床結(jié)構(gòu)的低溫CO2捕集系統(tǒng)，可對(duì)于10%CO2（體積分?jǐn)?shù)）的模擬煙氣實(shí)現(xiàn)99%以上的CO2捕集。Naletov 等[5]進(jìn)行了低溫CO2捕集的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明捕集率可達(dá)到98.8%且實(shí)驗(yàn)獲得的固相CO2純度達(dá)99.94%。同時(shí)，各類研究也指出煙氣中CO2濃度對(duì)低溫捕集系統(tǒng)性能影響十分顯著。Clodic 等[6]指出低溫捕集技術(shù)應(yīng)用于CO2體積分?jǐn)?shù)高于10%的煙氣時(shí)可使得捕集過程能耗明顯降低。Berstad等[7]指出低溫捕集技術(shù)的能耗和捕集率對(duì)于氣體中CO2濃度十分敏感，對(duì)于高CO2濃度煙氣，低溫捕集技術(shù)可始終獲得較高的CO2捕集率和較低能耗水平。

可以看到，低溫CO2捕集雖然具有較多優(yōu)勢(shì)，但對(duì)煙氣中CO2濃度有一定要求。如圖1 所示，各類工業(yè)排放源煙氣中CO2凝點(diǎn)溫度與其濃度相關(guān)，當(dāng)氣體CO2濃度達(dá)到30%左右時(shí)，相應(yīng)凝點(diǎn)溫度增長(zhǎng)逐漸變緩，所需的低溫捕集條件也有所降低且更易于實(shí)現(xiàn)。因此，中高CO2濃度煙氣的供給能夠改善實(shí)現(xiàn)低溫捕集的冷源條件需求，同時(shí)維持高效的捕集性能。然而，中高濃度煙氣的生成主要與排放來源有關(guān)，因此單一使用低溫捕集技術(shù)受到一定限制。

膜分離CO2捕集利用了膜材料選擇滲透性實(shí)現(xiàn)CO2分離，可用于待捕集氣體CO2濃度的初步提升，具有操作簡(jiǎn)單、無附加污染等優(yōu)勢(shì)，也是一種具有潛力的技術(shù)方案[8-9]。然而單一膜分離技術(shù)的應(yīng)用往往受到CO2捕集率與產(chǎn)品純度之間的相互制約問題[10]：Belaissaoui 等[11]指出，對(duì)于CO2體積分?jǐn)?shù)為15%的煙氣，單一膜分離技術(shù)需要應(yīng)用選擇性高達(dá)200 的膜材料以同時(shí)滿足90%捕集率與CO2產(chǎn)品純度的目標(biāo)，且相應(yīng)捕集能耗將達(dá)到3MJ/kg。由于膜分離過程主要由膜組件上下游顯著壓力差驅(qū)動(dòng)，捕集能耗主要來自壓縮過程能量投入。

圖1 不同工業(yè)排放源煙氣CO2濃度及相應(yīng)凝點(diǎn)溫度

為此，本文提出選擇滲透膜調(diào)控低溫捕集系統(tǒng)中進(jìn)氣CO2濃度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路（圖2），并基于該思路構(gòu)建了耦合膜分離的CO2低溫捕集系統(tǒng)，通過膜分離技術(shù)提高進(jìn)氣CO2濃度，利用低溫捕集技術(shù)實(shí)現(xiàn)高捕集率，并通過耦合系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最低能耗性能。

圖2 耦合膜分離的低溫CO2捕集系統(tǒng)構(gòu)建思路

國(guó)內(nèi)外也有學(xué)者對(duì)此類耦合進(jìn)行了可行性分析：Belaissaoui 等[12]的分析表明，當(dāng)進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)在12%～25%之間時(shí)，相比于胺吸收法系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)可有效減少約40%捕集能耗。Zhang等[13]對(duì)比分析了胺吸收、單一膜分離與膜-低溫耦合系統(tǒng)，結(jié)果表明耦合系統(tǒng)具有較低的捕集能耗和環(huán)境影響，相比于胺吸收系統(tǒng)可將捕集能耗降低17%，CO2等效排放值降低8.3%。Mat 等[14]對(duì)膜-低溫耦合系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，指出低溫冷凝條件改善與膜性能及操作條件的同時(shí)變化可以進(jìn)一步降低耦合系統(tǒng)投資成本。

綜上所述，低溫捕集系統(tǒng)具有對(duì)進(jìn)氣中CO2濃度敏感的特性，因此可利用膜的選擇滲透性調(diào)控待捕集氣體中的CO2濃度，實(shí)現(xiàn)待捕集氣體中CO2濃度與低溫捕集系統(tǒng)最優(yōu)性能之間的匹配。然而，膜分離過程在耦合系統(tǒng)中的位置差異將構(gòu)成不同耦合模式，已有研究未考慮不同耦合模式對(duì)低溫捕集性能的影響，且耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多參數(shù)相互制約，需要研究不同耦合模式，并深入優(yōu)化耦合后低溫捕集環(huán)節(jié)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。

因此，本文基于不同傳統(tǒng)低溫捕集系統(tǒng)特點(diǎn)，綜合考慮不同耦合模式提出多種耦合系統(tǒng)，通過對(duì)比分析獲得最優(yōu)耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并針對(duì)最優(yōu)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，最終獲得最優(yōu)的耦合膜分離CO2低溫捕集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，為低溫CO2捕集性能優(yōu)化提供新思路。

1 耦合系統(tǒng)構(gòu)建及計(jì)算模型

本文在低溫捕集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了膜選擇滲透過程[即圖3(c)和(d)中3-3’]，基于兩類基本低溫系統(tǒng)[如圖3(a)和(b)所示]，構(gòu)建了兩類耦合膜分離的新型CO2低溫捕集系統(tǒng)，分別稱之為回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)與預(yù)冷型耦合系統(tǒng)，如圖3(c)和(d)所示。耦合膜分離的低溫捕集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)低溫捕集系統(tǒng)中的進(jìn)氣壓縮與膜上下游壓差驅(qū)動(dòng)來源的壓縮過程集成，并利用膜材料對(duì)CO2與N2選擇滲透性不同實(shí)現(xiàn)CO2在膜滲透?jìng)?cè)的富集，而膜組件中滯留側(cè)（即未滲透?jìng)?cè)）剩余進(jìn)氣則將通過膨脹機(jī)-1 進(jìn)行膨脹做功。

以圖3(c)為例，回?zé)嵝婉詈喜都到y(tǒng)包括五個(gè)基本過程：①進(jìn)氣壓縮與冷卻（1-2-3）；②膜組件選擇滲透過程（3-3’）；③膜滲透氣與捕集剩余氣體換熱（3’-4與6-R1）；④凝華換熱器中CO2低溫分離（4-5）；⑤捕集剩余氣體膨脹（5-6）。作為流程節(jié)能的關(guān)鍵部件，中間換熱器實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣或膜滲透氣與捕集剩余氣體換熱，從而利用捕集剩余氣體的低溫冷能，其在低溫捕集系統(tǒng)中的位置對(duì)系統(tǒng)性能具有重要影響。根據(jù)該中間換熱器位置不同，可將耦合捕集系統(tǒng)分為兩類，即回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)與預(yù)冷型耦合系統(tǒng)，分別如圖3(c)和3(d)所示。

圖3 耦合膜分離的新型CO2低溫捕集系統(tǒng)

回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)利用剩余氣體低溫冷能實(shí)現(xiàn)膜滲透氣預(yù)先冷卻，使得膜滲透氣在凝華換熱器中對(duì)低溫冷源制冷量需求得到降低。預(yù)冷型耦合系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓縮前預(yù)冷以降低壓縮過程能量輸入。在兩類耦合捕集系統(tǒng)中，剩余氣體的壓力能可通過膨脹過程做功以部分補(bǔ)償壓縮過程耗功。

1.1 計(jì)算模型

本文構(gòu)建的耦合膜分離的低溫CO2捕集系統(tǒng)計(jì)算模型主要包括膜分離過程計(jì)算模型與低溫分離過程計(jì)算模型兩部分。

低溫分離過程基于凝華換熱器中的質(zhì)量和能量平衡[15-16]，如式(1)、式(2)所示。

式中，下角標(biāo)in 和out 分別表示流入和流出每個(gè)控制體（用下角標(biāo)i 表示）的能量和質(zhì)量流量；Δmfrost(i)代表捕集到的固相CO2質(zhì)量流量；H 代表進(jìn)氣焓值；Q(i)為低溫分離過程中的換熱量；hfrost(i)為固相CO2的比焓值，用式(3)計(jì)算。

式中，cp,frost是每個(gè)控制體中固相CO2的平均比熱容[17]。

膜材料進(jìn)行氣體分離的性能主要取決于膜材料的選擇滲透性[18]。通過膜的滲透通量可用式(4)表示。

式中，J 是滲透通量；p*是氣體滲透性；δ 是膜厚度；pf和pp是進(jìn)氣側(cè)和滲透?jìng)?cè)的壓力；x和xp是進(jìn)氣和滲透?jìng)?cè)中CO2的濃度。對(duì)于微分膜面積dA，CO2與N2的局部滲透率可表示為式(5)、式(6)。

根據(jù)式(5)、式(6)可以得到式(7)。

式中，A是膜面積；q是膜進(jìn)氣側(cè)體積流量；α是CO2對(duì)N2的膜選擇性；φ是進(jìn)氣側(cè)與滲透?jìng)?cè)的壓力比(pf/pp）。

1.2 捕集性能

CO2捕集率和捕集能耗被定義為評(píng)價(jià)本文各系統(tǒng)CO2捕集性能的關(guān)鍵參數(shù)。CO2捕集率定義見式(8)。

式中，min與mcaptured分別代表系統(tǒng)初始進(jìn)氣質(zhì)量流量和捕集到的CO2質(zhì)量流量；win代表進(jìn)氣中的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過與CO2體積分?jǐn)?shù)換算得到。

捕集每單位質(zhì)量CO2的系統(tǒng)能耗定義見式(9)。

CO2捕集系統(tǒng)的總耗功（Wtotal）包括壓縮過程和低溫冷源耗功減去可從膨脹機(jī)中回收的部分膨脹功，并用式(10)表示[19]。

式中，下角標(biāo)comp、exp 與CS 分別代表捕集系統(tǒng)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)與低溫冷源壓縮機(jī)。

1.3 模擬假設(shè)

本文進(jìn)行的捕集系統(tǒng)模擬計(jì)算主要基于以下假設(shè)。

（1）進(jìn)氣假定為N2和CO2的二元?dú)怏w混合物[18]，其中CO2體積分?jǐn)?shù)為15%。水和其他成分假設(shè)在進(jìn)行CO2捕集之前進(jìn)行了預(yù)處理。為簡(jiǎn)化模擬過程本文研究中忽略了這些預(yù)處理單元。模擬進(jìn)氣條件總結(jié)在表1中。

表1 模擬進(jìn)氣的條件

（2）膜組件材料為聚合物膜，氣體流動(dòng)形式為錯(cuò)流，滲透過程為等溫條件，假設(shè)氣體滲透率保持恒定且與壓力無關(guān)[18,20]，膜材料的CO2滲透率為3.35×10-7mol/(m2·s·Pa)，CO2/N2選擇性為50[14]，滲透?jìng)?cè)壓力設(shè)置為150kPa。膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度將通過不同膜面積的選取進(jìn)行調(diào)節(jié)[12,21]。

（3）進(jìn)氣在與低溫冷源換熱過程中實(shí)現(xiàn)CO2在換熱器壁面附近凝華相變，并通過機(jī)械刮刀及時(shí)有效地從換熱器壁面除去積聚的固態(tài)CO2，本文采用的試驗(yàn)刮除裝置結(jié)構(gòu)參見文獻(xiàn)[22]。

（4）各捕集系統(tǒng)中壓縮機(jī)和膨脹機(jī)以等熵過程運(yùn)行，等熵效率分別設(shè)定為80%和70%，換熱器窄點(diǎn)溫差設(shè)定為10K。低溫冷源輸入機(jī)械功通過換熱器換熱量與效能系數(shù)計(jì)算得到，并假設(shè)效能系數(shù)為0.4。

2 耦合系統(tǒng)模式對(duì)比

2.1 流程最低溫度對(duì)各系統(tǒng)捕集性能的影響

流程最低溫度指在低溫分離過程中進(jìn)氣可被低溫冷源冷卻到的最低溫度，其代表了低溫冷源的冷卻條件。圖4給出了在壓縮壓力為300kPa時(shí)，各系統(tǒng)CO2捕集率與捕集能耗隨流程最低溫度變化的情況。在此條件下，低溫系統(tǒng)與耦合系統(tǒng)CO2凝點(diǎn)溫度分別為185.3K及178.4K。

從圖4(a)中可以看出隨著流程最低溫度的增大，對(duì)于低溫系統(tǒng)與耦合膜分離的低溫系統(tǒng)來說，CO2捕集率均明顯減小，且耦合系統(tǒng)捕集率低于單一低溫系統(tǒng)。這是由于流程最低溫度的提升使得冷源制冷條件與進(jìn)氣中CO2凝點(diǎn)差距降低，因此發(fā)生相變分離的CO2量減少，從而降低了各系統(tǒng)捕集率。同時(shí)膜的選擇滲透作用使得進(jìn)入凝華換熱器的進(jìn)氣流量減小，因此耦合系統(tǒng)相比于未耦合的低溫系統(tǒng)捕集率略有降低，例如當(dāng)流程最低溫度為155K時(shí)捕集率降低3.8%。

圖4 流程最低溫度對(duì)各系統(tǒng)性能的影響

從圖4(b)中可以看出隨著流程最低溫度的增大，對(duì)于兩類傳統(tǒng)低溫捕集系統(tǒng)，將存在一定流程最低溫度條件（165～170K）使得系統(tǒng)捕集能耗最低。這是由于流程最低溫度的提升在使得發(fā)生相變分離的CO2量減少的同時(shí)降低了低溫冷源壓縮設(shè)備的機(jī)械功投入，因此獲得了在一定溫度條件下的捕集能耗最低。

對(duì)于兩類耦合膜分離的低溫系統(tǒng)，系統(tǒng)捕集能耗將隨流程最低溫度的增大而增大，且對(duì)于回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)，在155～170K溫度范圍內(nèi)捕集能耗將明顯低于兩類傳統(tǒng)低溫系統(tǒng)。當(dāng)流程最低溫度為155K 時(shí)，回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)捕集能耗將相對(duì)于傳統(tǒng)低溫回?zé)嵝拖到y(tǒng)中的2.30MJ/kg 降低至1.92MJ/kg，即降低16.5%。這主要是因?yàn)轳詈舷到y(tǒng)通過膜提升進(jìn)氣CO2濃度后降低了進(jìn)氣在凝華換熱器中的焓降與換熱量，從而降低了低溫冷源的輸入壓縮功。

而對(duì)于預(yù)冷型耦合系統(tǒng)，捕集能耗將增加至2.67MJ/kg，高于兩類低溫系統(tǒng)15.5%以上。這是由于膜選擇滲透性使得部分進(jìn)氣滯留未能通過膜，導(dǎo)致預(yù)冷器中用以實(shí)現(xiàn)壓縮前預(yù)冷的捕集剩余氣體流量減小，因此壓縮前預(yù)冷效果變差，壓縮機(jī)耗功高于傳統(tǒng)預(yù)冷型低溫系統(tǒng)。此外，預(yù)冷型耦合系統(tǒng)中凝華換熱器入口進(jìn)氣溫度將高于其他系統(tǒng)，因此低溫分離過程對(duì)低溫冷源制冷量需求增大。上述兩方面原因使得預(yù)冷型耦合系統(tǒng)在捕集能耗方面與傳統(tǒng)低溫捕集系統(tǒng)相比無顯著優(yōu)勢(shì)。

2.2 壓縮壓力對(duì)各系統(tǒng)捕集性能的影響

圖5 給出了在流程最低溫度為155K 時(shí)，各系統(tǒng)CO2捕集率與捕集能耗隨系統(tǒng)壓縮壓力變化的情況。可以看出，隨著壓縮壓力的增大，傳統(tǒng)低溫系統(tǒng)中CO2捕集率將隨壓縮壓力持續(xù)增大，而耦合系統(tǒng)中當(dāng)壓縮壓力由200kPa 增大到300kPa 時(shí)，捕集率將由54.9%增加至92.7%，繼續(xù)增大壓縮壓力后耦合系統(tǒng)CO2捕集率將無顯著變化。這是因?yàn)槭艿侥げ牧线x擇比的限制，壓縮壓力的提升對(duì)于膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度變化的影響趨于穩(wěn)定，且膜滲透?jìng)?cè)壓力保持不變從而凝華換熱器入口條件維持穩(wěn)定，因此耦合系統(tǒng)中CO2捕集率基本保持在92%左右。

圖5 壓縮壓力對(duì)各系統(tǒng)性能的影響

如圖5(b)所示，壓縮壓力的提升對(duì)各系統(tǒng)捕集能耗增長(zhǎng)十分明顯，這主要是由于壓縮壓力的提升造成了各系統(tǒng)中壓縮功的顯著提升。而對(duì)于回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)，在不同壓縮壓力下捕集能耗將始終保持低于其他系統(tǒng)。當(dāng)壓縮壓力為300kPa 時(shí)，回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)捕集能耗為1.92MJ/kg，相對(duì)于回?zé)嵝偷蜏叵到y(tǒng)與預(yù)冷型低溫系統(tǒng)分別降低16.5%與14.3%。

綜合上述流程最低溫度與系統(tǒng)壓縮壓力對(duì)各系統(tǒng)性能的影響可以看到，由于預(yù)冷型耦合系統(tǒng)在預(yù)冷過程受到捕集剩余氣體流量減小的影響，降低了傳統(tǒng)預(yù)冷型低溫捕集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)流程節(jié)能的性能優(yōu)勢(shì)。而回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)在保持低溫系統(tǒng)高于92%的高捕集率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了捕集能耗的有效降低，具有明顯節(jié)能優(yōu)勢(shì)。因此，本文將重點(diǎn)針對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)展開性能分析與參數(shù)優(yōu)化。

3 回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

通過上節(jié)對(duì)低溫捕集系統(tǒng)與耦合膜分離的新型低溫捕集系統(tǒng)的對(duì)比分析，明確了回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)相比于其他系統(tǒng)具有較優(yōu)性能。因此，本節(jié)將以膜后滲透?jìng)?cè)CO2濃度的變化為主要變量，結(jié)合流程最低溫度、壓縮壓力與進(jìn)氣CO2濃度等耦合性能影響條件，探究不同膜提升濃度對(duì)耦合系統(tǒng)捕集性能的影響并對(duì)耦合系統(tǒng)整體性能進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 流程最低溫度對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

如圖6(b)所示，當(dāng)流程最低溫度低于170K時(shí)，使得耦合系統(tǒng)能耗最低的膜滲透?jìng)?cè)CO2體積分?jǐn)?shù)范圍為20%～25%，且最高捕集率對(duì)應(yīng)的膜滲透?jìng)?cè)濃度向接近初始進(jìn)氣CO2濃度范圍。當(dāng)該溫度高于170K 時(shí)，耦合流程性能惡化十分明顯，例如當(dāng)流程最低溫度為180K 時(shí)最高捕集率僅為25%，相應(yīng)能耗則為3.9MJ/kg。這說明當(dāng)外界低溫冷源工作條件能夠滿足較低的制冷溫度時(shí)，可使得耦合系統(tǒng)在保持初始進(jìn)氣CO2濃度的條件下同時(shí)獲得捕集率與能耗最優(yōu)。因此，對(duì)于回?zé)嵝婉詈喜都到y(tǒng)，在冷源條件滿足情況下應(yīng)當(dāng)降低流程最低溫度，以獲得CO2捕集率與捕集能耗兩方面的性能提升。

3.2 壓縮壓力對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

如圖7所示，壓縮壓力的提升改善了耦合系統(tǒng)在不同膜滲透?jìng)?cè)濃度下的CO2捕集率，當(dāng)壓縮壓力由200kPa 提升至300kPa 時(shí)，可將捕集率由49.8%提升至96.5%，相應(yīng)最低能耗僅由1.87MJ/kg 略微增加至1.93MJ/kg。然而提升壓縮壓力對(duì)耦合系統(tǒng)最高捕集率的影響不大，當(dāng)壓縮壓力由300kPa 增加至500kPa 時(shí)，耦合系統(tǒng)最高捕集率均為96.6%左右。另一方面，當(dāng)壓縮壓力繼續(xù)提升時(shí)耦合流程捕集能耗逐漸增大，這主要是因?yàn)閴嚎s壓力的提升使得壓縮功投入持續(xù)增大造成流程總體耗能的提升。因此，可將300kPa 作為使得回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)捕集率與捕集能耗兩方面性能最優(yōu)的壓縮壓力條件。

3.3 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

圖6 流程最低溫度對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

圖7 壓縮壓力對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

圖8 進(jìn)氣CO2濃度對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

如圖8 所示，進(jìn)氣CO2濃度的提升對(duì)于回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)捕集能耗的減小影響十分顯著，且能耗降低程度隨進(jìn)氣CO2濃度增大逐漸變緩，當(dāng)進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，耦合系統(tǒng)最高捕集率達(dá)98.4%，相應(yīng)能耗為1.59MJ/kg。此外，將存在一定最優(yōu)膜后CO2濃度提升范圍，使得回?zé)嵝婉詈喜都到y(tǒng)在捕集率與捕集能耗兩方面實(shí)現(xiàn)性能提升，且當(dāng)進(jìn)氣CO2濃度升高時(shí)，耦合系統(tǒng)捕集能耗最小的膜滲透?jìng)?cè)濃度范圍逐漸拓展。例如當(dāng)進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為35%，滲透?jìng)?cè)體積分?jǐn)?shù)為35%～50%時(shí)，捕集率均高于92%，且捕集能耗將維持在1.6MJ/kg左右。

根據(jù)上述對(duì)回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，可獲得在進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)捕集能耗最低條件下系統(tǒng)中各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)見表2，此時(shí)耦合系統(tǒng)捕集率為92.7%，捕集能耗為1.92MJ/kg。

3.4 進(jìn)氣CO2濃度與耦合系統(tǒng)捕集性能最優(yōu)關(guān)系

表3 中列出了在不同進(jìn)氣CO2濃度下分別使得回?zé)嵝婉詈喜都到y(tǒng)能耗最低與捕集率最高時(shí)的膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度。以進(jìn)氣CO2濃度為橫坐標(biāo)，分別以獲得耦合系統(tǒng)最低能耗與最高捕集率的膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度為縱坐標(biāo)，可以得到耦合系統(tǒng)性能提升與進(jìn)氣濃度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖9）。如圖所示，分別以CO2捕集率與捕集能耗兩方面性能最優(yōu)為目標(biāo)，對(duì)應(yīng)的滲透?jìng)?cè)CO2濃度與進(jìn)氣CO2濃度具有很高的線性關(guān)系。例如，當(dāng)進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，可通過調(diào)節(jié)膜面積使得膜后滲透?jìng)?cè)CO2體積分?jǐn)?shù)為21.5%，此時(shí)將取得耦合系統(tǒng)捕集能耗最優(yōu)，相應(yīng)的捕集能耗為1.92MJ/kg，捕集率為92.7%。

表3 不同進(jìn)氣CO2濃度下捕集性能最優(yōu)膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度

圖9 耦合捕集系統(tǒng)捕集能耗最低與捕集率最高的膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度關(guān)系

由于膜滲透?jìng)?cè)CO2體積分?jǐn)?shù)與膜材料面積有關(guān)，本文提出的最優(yōu)性能計(jì)算公式將為耦合系統(tǒng)中膜組件的選取提供指導(dǎo)作用。根據(jù)不同的進(jìn)氣CO2濃度條件，即針對(duì)不同來源煙氣可通過選取適當(dāng)膜材料面積使得膜滲透?jìng)?cè)濃度得到調(diào)控，從而分別達(dá)到以捕集率最高為目標(biāo)或捕集能耗最低為目標(biāo)的耦合系統(tǒng)捕集性能最優(yōu)。

表2 回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能最優(yōu)時(shí)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)單一低溫CO2捕集系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)氣CO2濃度敏感的特點(diǎn)，利用選擇性滲透膜對(duì)進(jìn)氣CO2濃度進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)建了耦合膜分離的新型低溫CO2捕集系統(tǒng)，分析了膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)耦合系統(tǒng)捕集性能的影響，并得到了使耦合系統(tǒng)能耗最低與捕集效率最高的膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度關(guān)系，主要結(jié)論如下。

（1）回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)作為有效耦合系統(tǒng)模式，相對(duì)于傳統(tǒng)單一低溫系統(tǒng)捕集能耗可降低16.5%。

（2）在冷源條件滿足的情況下，降低流程最低溫度（低于150K）可獲得耦合捕集系統(tǒng)CO2捕集率與捕集能耗兩方面的性能提升；且存在適當(dāng)壓縮壓力（300kPa）使得捕集率與捕集能耗性能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)耦合系統(tǒng)捕集率為92.7%，捕集能耗為1.92MJ/kg。

（3）以改善低溫捕集性能為目的，對(duì)于本文提出的耦合捕集系統(tǒng)將存在最優(yōu)膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度，且該濃度與進(jìn)氣CO2濃度呈線性關(guān)系。本文分別得到了使得耦合系統(tǒng)能耗最低與捕集效率最高的膜滲透?jìng)?cè)CO2濃度計(jì)算關(guān)系，可為不同來源氣體實(shí)現(xiàn)耦合捕集系統(tǒng)中膜組件的選型提供參考。

符號(hào)說明

A—— 膜面積，m2

cp—— 比熱容，J/(kg·K)

H—— 焓值，J

h—— 比焓，J/kg

J—— 膜滲透通量，m3/(m2·s)

m—— 質(zhì)量流量，kg/s

p—— 膜上下游壓力，Pa

p*—— 氣體滲透性，m3·m/(s·m2·Pa)

Q—— 低溫分離過程中的換熱量，J

q—— 膜進(jìn)氣體積流量，m3/s

T—— 溫度，K

W—— 各過程耗功，W

w—— 氣體中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

x—— 氣體中CO2體積分?jǐn)?shù)，%

α—— 膜對(duì)CO2與N2的選擇比

δ—— 膜厚度，m

φ—— 膜進(jìn)氣側(cè)與滲透?jìng)?cè)壓力比

下角標(biāo)

comp—— 壓縮機(jī)

CS—— 低溫冷源

exp—— 膨脹機(jī)

f—— 膜進(jìn)氣側(cè)

in—— 換熱器進(jìn)口

out—— 換熱器出口

p—— 膜滲透?jìng)?cè)