高捕集率、低能耗的燃烧后碳捕集方法——STRETCHER

作者: Jon Gibbins

中英（广东）CCUS中心副主任、英国碳捕集与封存研究团体联盟主任、谢菲尔德大学碳捕集与封存教授

“STRETCHER”方法，是一种针对高富液负载情境下解吸塔效率与目标捕集率进行系统性优化的创新技术，其主要目的是提升燃烧后碳捕集装置捕获CO₂的效率。此方法通过整合贫液与富液储存罐的使用，确保了设计捕集率在任何工况下均能实现。其理论基础源自先前在英国碳捕集与封存研究中心所开展的PCC-CARER项目的研究成果，该项目由Stavros Michailos、Daniel Mullen、Muhammad Akram及Mathieu Lucquiaud等学者共同推进。此外，本研究还得益于由SSE Thermal公司主导，并获得英国能源安全与净零排放部资助的FOCUSS项目的鼎力支持。该项目作为气候与能源科学创新（SICE）计划的一部分，同时与位于美国阿拉巴马州威尔逊维尔的美国国家碳捕集中心（NCCC）展开了紧密合作。尽管FOCUSS项目采用了质量分数为35%的MEA作为吸收剂，以确保研究结果的公开透明，但预计“STRETCHER”方法在满足热稳定性、可再生性等条件的前提下，同样能够适用于燃烧后捕集技术中的其他类型胺类吸收剂。

STRETCHER方法的关键特点可归纳如下：

a) 在给定的解吸塔压力下，实现贫液负载量的最小化，减少浪费能量；

b) 控制流向吸收塔的贫液流量，在目标CO₂捕集率下实现最大的富液负载量；

c) 使用贫液与富液储罐，使解吸塔和吸收塔的性能能够独立优化。

贫液负载优化：正如之前1篇文章所述，当解吸塔在内部温度曲线的拐点处运行时，再沸器中产生的过量蒸气在抵达解吸塔富液入口前，水蒸气仍能被有效冷凝。此时，在给定的解吸塔压力下，能够实现贫液负载量的最低化及能量的最大化利用。此操作状态可通过解吸塔温度曲线图进行准确判断（图a）。同时，绝对贫液负载量的确定也至关重要，它可通过贫液与蒸气两相平衡点的估算得出，或直接进行测量获取。

图 (a)美国国家碳捕集中心10 tCO₂/d试点项目的解吸塔内部温度变化曲线; (b) 恒定贫液负载量下贫液流量对捕集率的影响曲线

吸收塔目标CO₂捕集水平及贫液流量优化：针对既定的贫液负载条件，吸收塔顶部所能实现的最低CO₂浓度，受限于维持CO₂向吸收剂有效传质所必需的正向驱动力，这是在吸收剂被上升的烟气加热之后实现的。烟气的加热效应主要源自其显热及所含水蒸气的潜热释放；尤其在吸收塔顶部，鉴于捕集的CO₂绝对数量较少，化学反应引发的加热效应可忽略不计（显著的化学反应加热主要发生在吸收塔下部，即CO₂传质活动最为集中的区域）。

若烟气中CO₂浓度降低至接近与加热后的贫液吸收剂达到动态平衡的状态，吸收塔将面临“夹点”困境，此时，向下降的吸收剂中几乎不再发生进一步的CO₂传质，直至达到更低的温度与更高的CO₂浓度区域（即接近烟气入口处），方可重启传质过程。在此情境下，吸收塔的部分填料层将实质上丧失其功能。吸收塔的中间冷却可以在一定程度上弥补不足的贫液负载量，但它需要位于合适的位置，其效果也受到吸收剂的热容与烟气及其水蒸气可提供的加热效果的限制；如果贫液负载量足够低，中间冷却几乎没有优势。

实际上，对吸收塔出口CO₂浓度的进一步控制，还受制于填料层的数量。因为即便吸收塔未因贫液负载量而陷入“夹点”状态，为了保持较高的富液负载量，特别是在吸收塔上部，仍需依赖更高的烟气CO₂浓度，以补偿因填料层减少而导致的传质面积损失。

因此，燃烧后碳捕集装置的操作人员必须充分认识到，受限于贫液条件的目标捕集率，或更确切地说，是吸收塔出口处的CO₂浓度，这一关键指标最好使用跨管道平均方法（cross-duct averaging methods）进行测量。通过执行严格的性能测试程序，理应能够预先界定由贫液条件所制约的操作临界点。鉴于运行期间可能遭遇的诸如吸收剂降解、填料表面形态变化以及诸如冷却水温度等可变操作参数的影响，定期复验这些性能测试显得尤为必要。

倘若在性能测试过程中发现，特定的贫液负载量无法满足既定的捕集率要求，则需考虑调整解吸塔的操作条件，即提高压力与温度，以降低负载量。然而，此举可能会加剧热降解的风险，除非该风险能因贫液负载量的相应减少而得到有效抵消。另一种可行的策略是，在吸收塔的设计阶段即预留出填料高度增加的余地，具体做法是在一个或多个填料床的上方设置空位并确保有足够的通道空间，以便在必要时能够方便地增设填料层，从而提升捕集效能。

附加仪器仪表说明：操作人员有责任确保贫液流量维持在实现目标出口CO₂浓度所需的最低水平，此举旨在最大化富液的负载能力，并据此将再沸器的热负荷（SRD）降至最低限度。如图b所示，CO₂捕集效率与贫液流量之间存在着直接的变动关系。具体而言，贫液流量不足的情况易于通过较低的CO₂捕集率（即出口CO₂浓度偏高）来直观识别。然而，当贫液流量过高时，其识别则可能较为复杂，原因在于，一旦超出“吸收塔拐角”阈值，出口CO₂浓度对贫液流量的进一步增加反应相对迟钝，即变化不再显著。尽管吸收塔内部的温度分布情况或许能提供一定的辅助指示，但预计其变化幅度同样甚微。

因此，可以预见，在采用STRETCHER方法的过程中，于吸收塔出口处对富液负载量进行补充性测量将具有重要意义。尽管通过提取溶液样本进行离线分析是一种可行的方式，但显然，实现实时测量将带来更为显著的优势。在谢菲尔德大学进行的另一项研究工作中，Aisha Ibrahim正致力于升级由Bill Buschle及其团队最初研发的COMCAT技术（该技术旨在实现CO₂吸收塔的瞬时控制、优化及测量），以期在完成试点规模测试后，能够将其成功应用于商业装置中。其中，特别强调了富液的快速采样环节，旨在在富液进入吸收塔集液槽之前即完成测量工作。通过实施这些直接测量手段，我们有望在富液负载量开始出现偏离预期值的迹象时，迅速采取即时的纠正行动。此外，对贫液负载量进行直接测量，亦将成为检验解吸塔性能的一种有效方式。

平衡解吸塔和吸收塔中的溶液流量：原则上需维持两者的均衡状态，但根据可用的贫液和富液储存容量，这种平衡不必立即进行，其时间安排可以根据烟气组成和流量的变化（包括启动/停止）进行调整。除非可用的储存贫液不足，且当电力需求较高时，为了增加电力输出而停止为解吸塔再沸器提取蒸汽，否则通常应优先保证吸收塔的贫液流量，以捕集目标量的CO₂。此时，需独立调整解吸塔的运行，以在保持所需贫液负载的同时，实现贫液和富液罐的所需液位变化。

理想情况下，应保持贫液罐处于高液位状态，而富液罐则维持空置，以应对诸如电网电力短缺等突发状况。同时，由于储存的贫液比富液更不易降解，因此也应优先考虑贫液的储存。但储存的主要目的是增强整个系统的可操作性和经济性。对于一定程度可回收的溶液，通过优化储存条件与操作参数，可将溶液在储存过程中的降解程度控制在可接受范围内。

总结及未来展望：之前的建模和试点研究支持了STRETCHER概念，但显然需要尽快在实际中进行测试，这将在今年夏天的FOCUSS项目中进行。预计在未来几年内还会有其他测试机会，希望本文的一些读者也能进行相关测试并告诉我们结果如何！

Jon Gibbins教授欢迎各位读者留言提问，或就相关技术问题展开深入交流与探讨。

英文原文链接：https://www.linkedin.com/pulse/stretcher-method-optimising-amine-post-combustion-capture-jon-gibbins/