張春偉 柴棟棟 馬軍強 陳 靜 李山峰 時云卿

(北京航天試驗技術(shù)研究所 北京 100074)

1 引言

在太陽系主要天體中,火星的環(huán)境與地球最為相似,有可能存在過生命或適宜生命繁衍,所以火星在太陽系探測中占有重要地位[1]。迄今為止,人類已經(jīng)進行了眾多的火星探測活動,包括軌道勘測器、著陸器和火星車等,而成功到達火星表面并開展任務(wù)的著陸器和火星車大多由美國發(fā)射,包括海盜-1 號、海盜-2 號、火星探路者、勇氣號、機遇號、鳳凰號、火星科學實驗室、洞察號和毅力號等。2021 年,中國的祝融號火星車也成功登陸火星,并發(fā)回了寶貴的探測數(shù)據(jù)。

在火星探測任務(wù)中,推進劑的質(zhì)量占據(jù)整個航天器質(zhì)量的絕大部分。若將這些推進劑全部從地球運輸至火星,整個任務(wù)的成本將十分昂貴。一方面,每多運送1 kg 物資到火星,航天器從地球出發(fā)時的質(zhì)量就需增加226 kg[2];另一方面,當前采用的低溫推進劑難以長時間在軌貯存[3]。因此,單靠航天器自身攜帶的燃料難以滿足長時間和高機動性的星際航行探測任務(wù)的要求,導致上述著陸器和火星車也無一返回。

火星原位資源利用技術(shù)是指利用火星大氣和土壤等天然資源就地制備火箭推進劑,降低對地球補給的依賴,減少火星探測的難度。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)從20 世紀50 年代就開始對ISRU 技術(shù)進行了大量的研究,以提高航天器返回任務(wù)和載人探測任務(wù)成功的可能性[4]。中國也開始了火星探測任務(wù)中“回”階段的取樣返回任務(wù)的研究工作,行星表面推進劑制備技術(shù)被給予了最優(yōu)先發(fā)展的評級,計劃在2050 年前突破相應(yīng)技術(shù)并在后續(xù)任務(wù)中應(yīng)用[5]。

火星大氣中含有豐富的CO2資源,可通過還原反應(yīng)獲取甲烷推進劑,是最具潛力的火星推進劑原位制備原料,所以,具備富集和提純功能的高效CO2捕集方法是火星原位資源利用技術(shù)的基礎(chǔ)。因此,本文對火星表面CO2捕集方法的應(yīng)用發(fā)展進行詳細總結(jié)和對比分析,以期為中國未來的返回式火星探測任務(wù)和火星ISRU 技術(shù)體系的建設(shè)提供參考。

2 火星表面的環(huán)境特征

火星大氣的主要成分是CO2,占總量的95.32%,其次是N2和Ar,分別為2.7% 和1.6%,還有少量的O2(0.15%)、H2O(0.03%)、CO(0.07%)及其它氣體(0.000 291%)[6]。除大氣成分差異外,火星表面的氣候環(huán)境與地球也有較大不同。圖1 為好奇號火星探測車獲取的火星表面溫度和壓力參數(shù)變化情況[7],溫度方面,火星全年平均溫度在208—243 K之間波動,而由于稀薄的大氣層難以通過大氣運動傳遞熱量,晝夜溫差也相對較大,夏季溫度變化范圍約為185—244 K,冬季溫度變化范圍約為172—252 K;壓力方面,由于火星大氣層很薄,全年壓力在720—920 Pa 之間波動。

圖1 好奇號火星探測車測量的平均溫度和平均壓力情況[7]Fig.1 Evolution of average air temperature and average pressure measured by Curiosity Rover[7]

近年來,CO2捕集方法在碳中和政策的推動下得到了快速發(fā)展,但是火星表面特有的氣候環(huán)境給CO2捕集方法提出了新的挑戰(zhàn)。例如,火星表面溫度波動大,大氣最低溫度遠低于大多數(shù)機械設(shè)備的最低入口溫度約束;在壓力方面,雖然大氣中CO2組分占比很高,但仍需要進行大幅度提純及壓縮,以保證CO2原料氣的狀態(tài)滿足后續(xù)還原反應(yīng)要求;此外,火星的低溫和低壓環(huán)境對設(shè)備的穩(wěn)定性和密封性提出了更高的要求。

3 火星表面的CO2 捕集方法

連續(xù)且穩(wěn)定的CO2氣源是實現(xiàn)火星原位資源利用的前提。目前,潛在可行的火星表面CO2捕集方法主要包括冷凍分離法、吸附分離法、直接壓縮處理法和液化分離法等,下面將對各種方法進行詳細分析。

3.1 冷凍分離法

冷凍分離法利用CO2與其它氣體組分之間凝華點的差異來實現(xiàn)分離目標。CO2的相圖如圖2 所示,由其可知,火星大氣壓力對應(yīng)的CO2凝華溫度約為150K,可利用低溫冷機(或液氮等低溫介質(zhì))將火星大氣的溫度降低至150 K 以下,使CO2凝華并附著在低溫冷機的冷頭表面,當CO2固體層達到一定厚度后,將整個冷頭部分密封進行加熱,使固態(tài)CO2氣化并自增壓,當壓力達到設(shè)定值后,再將CO2氣體通入的后續(xù)還原系統(tǒng)進行資源化利用。NASA 對冷凍分離法的技術(shù)成熟度評級為3—6 級,該方法的有效性已經(jīng)被先鋒航天公司、洛克希德·馬丁公司和肯尼迪空間中心(Kennedy Space Center,KSC)所驗證,相應(yīng)的CO2冷凍分離裝置如圖3—圖5 所示,最大可實現(xiàn)約100 g/h 的CO2捕集速率,固態(tài)CO2的厚度可達1 cm,轉(zhuǎn)化成CH4的質(zhì)量約為32 g/h[8]。

圖2 CO2 冷凍過程相圖Fig.2 Freezing process of CO2 in phase diagram

圖3 先鋒航天公司采用液氮冷源的CO2 冷凍器[8]Fig.3 Pioneer Astronautics’s CO2 freezer using liquid nitrogen as cold source[8]

圖4 洛克希德·馬丁采用冷機的CO2 冷凍器[8]Fig.4 Lockheed Martin’s CO2 freezer using chiller as cold source[8]

圖5 KSC 中心的CO2 冷凍捕集系統(tǒng)[8]Fig.5 KSC’s CO2 freezer using chiller as cold source[8]

受限于低溫冷機的冷頭結(jié)構(gòu),火星大氣與冷頭之間的傳熱面積和可負載固態(tài)CO2的面積難以滿足要求,所以冷凍分離法的CO2凍結(jié)率通常在70%—80%之間。因此,設(shè)計高比表面積和均勻氣流分布的低溫冷機冷頭結(jié)構(gòu)是冷凍分離法的研究重點,NASA在此領(lǐng)域進行了大量研究。

2013 年,NASA[9]報道了基于自由活塞斯特林制冷機的CO2冷凍捕集裝置,冷頭結(jié)構(gòu)為球形翅片式,如圖6 所示,該裝置在壓力為660—1000 Pa 和溫度為-5 ℃的環(huán)境中測試了7 小時,總共有84.6 gCO2被凍結(jié),CO2捕集速率在12—15 g/h 之間。2018 年,KSC 中心[10-11]系統(tǒng)對比研究了不同類型冷頭結(jié)構(gòu)的CO2冷凍性能,冷頭結(jié)構(gòu)如圖7 所示,對應(yīng)的測試結(jié)果如表1 所示,由其可知,渦流分支型冷頭結(jié)構(gòu)的CO2捕集速率相對較差,而其它冷頭結(jié)構(gòu)的平均捕集率則相差不多。同年,NASA[12]又提出了捕集量更大的CO2冷凍捕集裝置,如圖8 所示,單臺裝置的CO2捕集速率設(shè)計為1.1 kg/h,目標環(huán)境的溫度和壓力分別為161 K 和790 Pa,裝置采用的AFCryo STC90 斯特林制冷機能在150 K 下提供300 W 的制冷量,然而此裝置的樣機及實際運行數(shù)據(jù)目前尚未報道。

表1 火星模擬環(huán)境下的冷頭結(jié)構(gòu)性能對比[11]Table 1 Performance comparison of cold head structures in simulated environment of Mars[11]

圖6 基于自由活塞斯特林制冷機的CO2 冷凍裝置及球形冷頭結(jié)構(gòu)[9]Fig.6 CO2 freezer driven by free piston stirling cooler and spherical cold head[9]

圖7 KSC 中心研究的5 種冷頭結(jié)構(gòu)[11]Fig.7 Five cold head structures studied by KSC[11]

圖8 NASA 提出大規(guī)模CO2 冷凍裝置結(jié)構(gòu)及新型冷頭結(jié)構(gòu)[12]Fig.8 Large scale CO2 freezer and new cold head structure proposed by NASA[12]

目前,美國已成功實現(xiàn)了實驗室規(guī)模的冷凍分離法CO2捕集,NASA 還計劃將其用于MARCO POLO火星登陸項目,然而,冷凍分離法也存在一定缺陷。在傳熱效率方面,隨著冷頭表面固態(tài)CO2厚度增加,熱阻也會大幅上升,導致CO2捕集速率會逐漸下降,導致現(xiàn)有冷凍分離裝置的CO2捕集量都相對較低且功耗較大,KSC 中心CO2捕集裝置的冷機溫度與其功率的關(guān)系如圖9 所示[8],當CO2捕集率為102 g/h時,冷機的平均功耗可達158 W,而洛克希德·馬丁公司[13]計算得CO2冷凍捕集的理想輸入功率為0.871 W·h/g。在運行流程方面,冷凍分離法通過密封加熱進行升華和自增壓,難以控制CO2的純度,容易混入O2和H2O 等影響后續(xù)流程的雜質(zhì)氣,同時,運行流程使得單臺裝置無法滿足CO2連續(xù)供應(yīng)的需求,須配置多臺裝置交替運行,增大了系統(tǒng)的體積及控制復雜度。

圖9 低溫冷機冷頭溫度和功耗之間的關(guān)系[8]Fig.9 Relationship between cold head temperature and power consumption of cryogenic chillers[8]

3.2 吸附分離法

吸附分離法利用吸附劑對火星大氣組分吸附性能的差異實現(xiàn)CO2的捕集。結(jié)合火星環(huán)境特征,運用變溫吸附法使吸附劑在低溫條件下吸附CO2,待吸附飽和后,通過加熱將CO2從吸附劑中解吸并完成收集。NASA 對吸附分離法的技術(shù)成熟度評級為6級,認為該技術(shù)已完成接近實際應(yīng)用環(huán)境下的原型系統(tǒng)測試[8]。

吸附劑的吸附量是影響吸附分離法CO2平均捕集速率的關(guān)鍵,其取決于兩方面因素,一是吸附劑本身的物理構(gòu)型和化學性質(zhì),二是吸附劑表面的溫度和CO2分壓等條件。相對于常規(guī)吸附碳捕集案例,火星表面的CO2分壓(720—920 Pa)較為特殊,介于直接空氣碳捕集(～40 Pa)和發(fā)電廠煙氣碳捕集(4 000—15 000 Pa)之間,相關(guān)研究較為缺乏。

目前,僅有少量文獻實際測量了吸附劑在500 Pa分壓下的吸附量,包括沸石類吸附劑[14]、金屬-有機骨架(Metal-Organic-Frameworks,MOFs)類吸附劑[15]以及復合吸附劑[16],其吸附量對比如圖10 所示。沸石13X 和沸石5A 等沸石類吸附劑是目前商業(yè)化程度較高的吸附劑,其在500 Pa 分壓下吸附量約為1.6 mmol/g,相較于其在煙氣捕集工況下的吸附量3.0 mmol/g 下降了46.7%[17]。對于MOFs 類吸附劑,目前大部分仍處于實驗室研究階段,其制備工藝復雜,成本較高,此外,MOFs 類材料在500 Pa 的分壓下的性能相較于沸石提升有限,僅有SIFSIX-3-Cu 的吸附量較商業(yè)化沸石提升了0.66 mmol/g。復合吸附劑是指將化學吸附材料負載至多孔基質(zhì)中組成的材料,可發(fā)揮化學吸附劑吸附量大和多孔基質(zhì)比表面積大的優(yōu)勢,同時避免了化學吸附劑的腐蝕問題,然而復合吸附劑吸附機理尚不明晰,吸附調(diào)控難度也相應(yīng)增大。

圖10 固體吸附劑的吸附量對比(500 Pa,298 K)[14-16]Fig.10 Comparison of adsorption capacity of solid adsorbents(500 Pa,298 K)[14-16]

火星表面平均氣溫約為216 K,由于常規(guī)吸附碳捕集不會涉及此溫區(qū),因此CO2低溫吸附性能測試鮮有報道,只能通過數(shù)學模型外推計算。Zhao 等[18]利用Toth 模型和Langmuir 模型對沸石13X、沸石5A、Mg-MOF-74 和活性炭的CO2吸附量進行擬合,獲得了CO2平衡吸附量模型。利用此模型可計算低溫工況下的吸附量隨溫度的變化關(guān)系,計算結(jié)果如圖11 所示,由其可知,吸附量隨著環(huán)境溫度的降低而提升,在216 K 的火星表面溫度下,沸石5A 的吸附量為7.61 mmol/g,相較于室溫298 K 下的吸附量提升了163.3%,鎂基MOFs 材料Mg-MOF-74 的吸附量較室溫下提升了85.6%。然而,由于溫度已超出擬合數(shù)據(jù)集的工況范圍,數(shù)據(jù)的準確性仍需進一步測量驗證。

圖11 根據(jù)文獻[18]模型外推獲得的CO2吸附性能(10 000 Pa)Fig.11 CO2 adsorption performance obtained by extrapolation from model in Ref.[18](10 000 Pa)

除前述基于物理吸附的固體吸附劑外,利用胺溶液和離子液體等化學吸附劑也可用于CO2捕集。Hadri 等[19]分析了常見胺溶液在煙氣碳捕集工況下的吸附量,當溫度低于313 K 時,濃度為30%的胺溶液吸附量均在0.52—1.35 mol/mol 之間。Buijs等[20]采用分子動力學模擬方法計算了伯胺官能化吸附劑VP OC 1065 的CO2吸附性能,結(jié)果顯示,當溫度為303 K 和CO2分壓為1 000 Pa 時,吸附量為1.97 mmol/g,較常規(guī)煙氣碳捕集工況(10 000 Pa)下的吸附量降低了24.2%。KSC 中心也對多種離子液體的CO2吸附性能進行了測試,其中AZ-3 離子液體在常溫常壓下的吸附量為3.55 mmol/g[8],但是在火星表面低溫低壓環(huán)境下的吸附性能尚不明確。此外,胺溶液等化學吸附劑的再生熱較高,并會發(fā)生氧化降解,導致溶劑損失和設(shè)備腐蝕等,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[21]。

Hasseeb 等[22]對比了4 種變溫吸附循環(huán)在火星環(huán)境下的性能,采用的商業(yè)吸附材料分別為Grace544 13X、BASF13X、Grace522 5A 和VSA10LiX。結(jié)果顯示,當吸附產(chǎn)品氣用于Sabatier 反應(yīng)生成CH4時,CO2捕集速率約為1.94 kg/h;當吸附溫度為253.15K,輸出壓力為350 kPa 時,Grace544 13X 所需的輸入功率為0.89 kW,是能耗最低的材料。NASA[8]已經(jīng)設(shè)計了基于吸附分離法的CO2捕集裝置,如圖12 所示,裝置功率為16.0 W,質(zhì)量為8.5 kg,體積為40 cm ×24 cm × 25 cm,當溫度在200—450 K 和壓力為0.587 54 ×105Pa 時,CO2捕集量約為0.75 g/h。隨后,NASA[9]還提出了由8個吸附單元組成的火星表面連續(xù)運行吸附系統(tǒng),吸附材料采用沸石13X,吸附單元通過轉(zhuǎn)動交替完成吸附和解吸,如圖13 所示。

圖12 NASA 采用吸附分離法的CO2 捕集裝置[8]Fig.12 NASA’s CO2 capture device using adsorption separation method[8]

圖13 NASA 提出的連續(xù)吸附捕集裝置幾何模型和運行流程圖[9]Fig.13 Geometric model and operation flow chart of continuous adsorption capture device proposed by NASA[9]

吸附分離法的技術(shù)成熟度較高,但其用于火星表面的CO2捕集仍需進行進一步地深入研究。一方面,后續(xù)的CO2還原反應(yīng)要求連續(xù)且穩(wěn)定的CO2氣源,但根據(jù)吸附分離法的運行特性,需要并聯(lián)設(shè)置兩臺及以上的吸附器,循環(huán)交替運行才可實現(xiàn)CO2的連續(xù)供應(yīng),而根據(jù)吸附劑在等溫條件下的解吸特性曲線,脫附速率隨時間不斷降低,所以還須同時開展解吸溫度的控制策略研究,穩(wěn)定CO2的供氣量。另一方面,火星大氣中雖然僅含有微量水,但其對于常規(guī)吸附材料是強吸附相,與CO2存在競爭性吸附,所以需設(shè)置額外的除水裝置。最后,變溫吸附雖然可以較好地適應(yīng)火星表面環(huán)境,但吸附劑的吸附量仍處于較低水平,須通過縮短吸附循環(huán)周期、增加吸附碳捕集裝置的體量和增加吸附壓力等方法保證CO2的捕集速率,這對系統(tǒng)的體積及控制復雜度提出了更高的要求[23]。

3.3 直接壓縮反應(yīng)法

直接壓縮反應(yīng)法是指將火星大氣進行壓縮后直接進行后續(xù)反應(yīng)。這是因為火星大氣中CO2的比例已達95.32%,已經(jīng)能夠滿足Sabatier 反應(yīng)、逆水-氣變換反應(yīng)和固態(tài)電解等轉(zhuǎn)化過程的要求[3]。因此,可以將火星大氣壓縮至反應(yīng)壓力后通入反應(yīng)器進行后續(xù)轉(zhuǎn)化,火星大氣中的次要成分則在反應(yīng)產(chǎn)物中進行分離。NASA 對直接壓縮反應(yīng)法的技術(shù)成熟度評級為4 級,該方法已經(jīng)完成實驗室環(huán)境下的測試。

先鋒航天公司[24]成功構(gòu)建了基于直接壓縮反應(yīng)的RWGS 和Sabatier 耦合實驗裝置,如圖14 所示,采用CO2/N2/Ar 的混合氣來模擬火星大氣,流量為600 cm3/min 的混合氣被渦旋泵從0.8 kPa 初步壓縮至100 kPa 后,繼續(xù)通過壓縮機將混合氣壓縮至500 kPa,最后通入RWGS 和Sabatier 反應(yīng)模塊,該裝置總質(zhì)量115 kg,體積為46 cm ×41 cm ×94 cm。經(jīng)過連續(xù)5 天的測試,催化劑沒有明顯失活,獲取的甲烷純度在98%以上,而CH4/O2產(chǎn)率可達1 kg/d,對應(yīng)功耗約為893 W(優(yōu)化后為678 W),其中壓縮功耗為242 W,占總能耗的27.1%。

圖14 先鋒航天公司的直接壓縮反應(yīng)裝置[24]Fig.14 Direct compression/processing system at Pioneer Astronautics[24]

Hecht 等[25-26]介紹了毅力號火星車上的氧氣原位資源利用實驗(Mars Oxygen ISRU Experiment,MOXIE)裝置,該裝置也采用了直接壓縮反應(yīng)方法,即通過Air Squared 公司提供的渦旋壓縮機將火星大氣直接壓縮后用于固體氧化物電解制氧工藝中,裝置實物圖如圖15 所示。渦旋壓縮機的壓比為5.8,容積效率約為0.86,CO2流量隨入口壓力及壓縮機轉(zhuǎn)速的變化如圖16 所示,當壓力為665 Pa 和轉(zhuǎn)速為3 500 r/min 時,CO2質(zhì)量流量為64 g/h。同時,研究表明,除CO2以外的火星次要大氣成分不會影響后續(xù)的電解過程。此后,Air Squared 公司獲得了NASA的一份合同,將進一步開發(fā)渦旋泵原型機,可在30—100 kPa 的壓力下提供2.7 kg/h 的CO2供給量,并需在火星模擬環(huán)境中運行10 000 h。因此,Starr 等[27]將Air Squared 公司渦旋泵視作目前直接壓縮反應(yīng)法中技術(shù)成熟度最高的選項。

圖15 MOXIE 裝置實物及其渦旋壓縮機[26]Fig.15 MOXIE device and its scroll compressor[26]

圖16 MOXIE 中CO2 流量隨入口壓力及壓縮機轉(zhuǎn)速的變化[26]Fig.16 Variation of CO2 flow rate with inlet pressure and compressor speed in MOXIE[26]

除CO2以外,真實的火星大氣中還含有N2、O2、CO 和惰性氣體等,這些次要成分對大部分反應(yīng)催化劑和反應(yīng)器性能的影響還不明晰,例如,火星表面已被探明存在富硫成分[28],而含硫化合物對Sabatier 反應(yīng)催化劑的活性影響顯著[29],同時,Sabatier 反應(yīng)需要氫氣作為還原劑,但由于反應(yīng)器內(nèi)部處于高溫狀態(tài),O2會極大增加發(fā)生爆炸的可能性[30],所以直接壓縮反應(yīng)法的真實應(yīng)用還需進一步地研究。

3.4 液化分離法

液化分離法是指通過壓縮機對火星大氣進行增壓,增壓后的壓力應(yīng)大于CO2三相點壓力,隨后利用外部冷源對高壓火星大氣進行冷卻,使CO2液化并通過氣液分離實現(xiàn)液態(tài)CO2的收集。NASA 對液化分離法的技術(shù)成熟度評級為1—2 級,處于技術(shù)概念應(yīng)用初級階段[8]。

目前,利用液化分離法捕集火星大氣CO2相關(guān)的樣機及性能測試尚無報道,仍停留在理論分析層面。美國噴氣推進實驗室[31]提出了一種火星表面氣體宏量捕集和利用的概念性系統(tǒng):將大量的火星大氣壓縮至1.3 MPa 后進行冷卻,將大部分CO2液化分離,隨后將殘余氣體進一步壓縮至3 MPa 后進行二次冷凝,將剩下的CO2和水蒸氣液化分離,最后通過精餾完成其余組分的收集,流程如圖17 所示。該系統(tǒng)主要針對未來的火星殖民活動,由于運行壓力較高,需要對大量的氣體進行壓縮,導致系統(tǒng)的體積較大,同時系統(tǒng)對功耗要求較高,需要考慮配置核反應(yīng)堆,因此不適用于早期的火星探索活動。

圖17 利用液化分離法捕集CO2 流程圖[32]Fig.17 CO2 capture process using liquefaction separation method[32]

液化分離法雖然在火星應(yīng)用處于起步階段,但該方法在地球上已發(fā)展多年,具有較多的技術(shù)成果,可為未來的火星表面CO2捕集提供一定的指導。Song等[32]總結(jié)了5 種低溫液化CO2技術(shù)的回收率及能耗,包括Cryogenic packed bed 流程、Anti-sublimation流程、Cryocell 流程、Controlled freeze zone 流程和External cooling loop 流程等,見表2。這些流程的CO2回收率較高,可以達到90%以上,并且部分已完成實際測試或示范。Jensen 等[33]計算了基于External cooling loop 流程的煙氣CO2液化分離捕集能耗為0.74 MJ/kg,相較于吸收法(1.3 MJ/kg)、吸附法(2.0—5.6 MJ/kg)和膜分離法(0.95—1.9 MJ/kg)具有較大的節(jié)能潛力。

表2 CO2 低溫捕集法的性能對比[32]Table 2 Performance comparison of CO2 cryogenic capture methods

液化分離法已廣泛用于CO2分離和提純,可實現(xiàn)連續(xù)且穩(wěn)定的CO2原料氣供應(yīng),同時,后續(xù)的Sabatier 反應(yīng)器或逆水-氣變換反應(yīng)器均要求CO2原料氣達到一定的壓力,而液態(tài)CO2可通過調(diào)控氣化速率滿足這一條件,無需額外的增壓裝置。因此,若解決火星大氣的增壓問題并充分利用火星表面的低溫環(huán)境,液化分離法有望成為一種高效的火星CO2捕集方法。

4 火星表面CO2 捕集方法能耗計算

對前述4 種火星CO2捕集方法進行簡化計算,可較為直觀地對比能耗差異。假設(shè)火星大氣氣體初始狀態(tài)為:T0=216 K,P0=800 Pa,CO2濃度w=95.6%,雜質(zhì)氣體均為N2。捕集的CO2質(zhì)量mCO2=1 kg,CO2的比熱cpCO2、凝華潛熱HCO2等物性參數(shù)取自于計算軟件Engineering Equation Solver(EES)。

冷凍分離法所需能耗Qfre,e主要來自于低溫冷機和加熱器,對應(yīng) CO2和 N2等大氣成分的顯冷Qfre,c,sen、CO2凝華分離過程的潛冷Qfre,c,lat和CO2升華自增壓過程的潛熱Qfre,h,lat,計算方法如式(1)—(4)所示。假設(shè)冷凍溫度Tfre=150K,捕集效率ηfre=0.8,制冷機效率ηcooler=0.142[34]。

吸附分離法所需能耗Qads,e主要來自于加熱器,對應(yīng)脫附再生階段的吸附劑和CO2顯熱Qads,e,sen以及CO2的脫附熱Qads,e,des,計算方法如式(5)—(7)所示。假設(shè)吸附劑為沸石5A,脫附溫度Tdes=298.15 K,循環(huán)吸附量q(g/g)及脫附熱Hdes(J/g)根據(jù)文獻[18]計算。

直接壓縮反應(yīng)法所需能耗Qco-re,e主要來自于壓縮機,用于將初始狀態(tài)氣體壓縮至反應(yīng)所需壓力,計算方法如式(8)所示。假設(shè)壓縮機出口壓力Pco-re,1=500 kPa[24],壓縮過程多變指數(shù)k=1.3,壓縮機電效率ηcom=0.8。

液化分離法所需能耗Qliq,e主要來自于壓縮機,用于將初始狀態(tài)氣體兩次壓縮至液化所需壓力,計算方法如式(9)—(11)。假設(shè)兩級液化的壓力分別為Pliq,1=1.3 MPa,Pliq,2=3 MPa[31],一級液化溫度Tliq,1=216 K,一級液化效率ηliq,1=0.7。

根據(jù)上述公式計算得4 種方法的單位CO2能耗對比如圖18 所示。從圖中可以看出,冷凍分離法所需的能耗最高,主要來自制冷機的能耗,為4 544.6 kJ/kg,占總能耗的88.5%。吸附分離法單位CO2捕集能耗為1 095 kJ/kg,其中升溫所需顯熱和吸附劑再生熱各占37.3%和62.3%。直接壓縮反應(yīng)法由于不包括CO2提純過程,因此所需能耗最低,為865 kJ/kg。液化分離法CO2捕集能耗為1 141 kJ/kg,由于第一級壓縮的壓比較大,約為第二級壓縮的704 倍,且第一級壓縮的氣體流量也大于第二級壓縮,所以大部分CO2在一級液化中冷凝液化,第二級壓縮的能耗僅為0.033 48 kJ/kg。上述的計算過程僅簡要對比了不同CO2捕集方法的主要環(huán)節(jié)能耗,而在實際應(yīng)用中還需充分考慮方法的實現(xiàn)復雜度,兩者有機結(jié)合才能設(shè)計出最佳的CO2捕集裝置。

圖18 火星表面CO2 捕集方法能耗對比Fig.18 Comparison of energy consumption of CO2 capture methods on Mars

對4 種CO2捕集方法的能耗、純度、狀態(tài)、連續(xù)性以及成熟度進行了總結(jié),結(jié)果如表3 所示?？傮w來說,冷凍分離法、吸附分離法、直接壓縮反應(yīng)法和液化分離法均有特定的優(yōu)缺點,適用于不同的應(yīng)用工況及發(fā)展階段。

表3 4 種火星表面CO2 捕集方法綜合對比Table 3 Comprehensive comparison of four CO2 capture methods on Mars

5 結(jié)論

美國自20 世紀50 年代開始就已將目光投向月球和火星等天體的探索,并認識到原位資源利用技術(shù)的重要性,所以對火星表面的CO2捕集技術(shù)進行了大量研究并取得了眾多的原創(chuàng)性成果。本文對冷凍分離法、吸附分離法、直接壓縮反應(yīng)法和液化分離法等火星CO2捕集方法的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特征進行了分析和總結(jié),主要結(jié)論如下:

大學生與高中生有很大的不同，大學生屬于學習專業(yè)知識的階段，雖然專業(yè)知識的學習和提升很重要，但是大學生和高中生不同，大學生學習成績的好壞并不能評判一個人的專業(yè)化水平，不能單單以分數(shù)評判一個人的成敗，如果只看重專業(yè)知識，不利于大學生的全面發(fā)展，無法滿足社會上對大學生綜合素質(zhì)能力的基本需求。很多高等院校更多的站在自己和社會的角度建立目標，高度重視學生對社會應(yīng)盡的義務(wù)培養(yǎng)，但卻忽略了學生自身的綜合發(fā)展。人才資源的基本標準考慮的是學生在多個方面的表現(xiàn)，這就要求學生充分發(fā)揮自己的潛能，展現(xiàn)自己的才能，不斷地完善自己，成為德智體美勞全面發(fā)展的應(yīng)用型人才。

(1)冷凍分離法可充分適應(yīng)火星表面的低溫低壓環(huán)境,易于實現(xiàn),但由于需要低溫冷機提供CO2凝華冷量,導致能耗較大且CO2捕集量嚴重受限于冷頭結(jié)構(gòu),因此冷凍分離法適用于捕集少量CO2的工況。

(2)吸附分離法成熟度高且能耗低,但在吸附循環(huán)周期、吸附壓力調(diào)控以及水和競爭吸附等方面均需根據(jù)火星環(huán)境進行進一步適應(yīng)性改進,以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的CO2原料氣供應(yīng)。

(3)直接壓縮反應(yīng)法具有能耗低和操作簡單等優(yōu)勢,若能解決火星大氣中的次要組分對催化劑、反應(yīng)器以及安全性的影響,則具備較大的應(yīng)用潛力。

(4)液化分離法雖然成熟度較低,但在能耗、連續(xù)供氣和大批量CO2捕集等方面均有一定的優(yōu)勢,同時液化分離法還可利用火星大氣的冷能以進一步降低能耗,從長期發(fā)展角度考慮,有望成為來火星表面CO2捕集關(guān)鍵技術(shù)之一。