耦合膜分離的新型CO2低溫捕集系統(tǒng)性能優(yōu)化

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)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，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實驗室(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)是國際熱點問題[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差異來實現(xiàn)CO2相變與分離，具有高捕集率、高產(chǎn)品純度、易于運輸及后續(xù)利用等優(yōu)勢[3]，近年來受到廣泛關(guān)注。

Tuinier 等[4]提出了基于動態(tài)填料床結(jié)構(gòu)的低溫CO2捕集系統(tǒng)，可對于10%CO2（體積分數(shù)）的模擬煙氣實現(xiàn)99%以上的CO2捕集。Naletov 等[5]進行了低溫CO2捕集的實驗研究，結(jié)果表明捕集率可達到98.8%且實驗獲得的固相CO2純度達99.94%。同時，各類研究也指出煙氣中CO2濃度對低溫捕集系統(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體積分數(shù)高于10%的煙氣時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)的能耗和捕集率對于氣體中CO2濃度十分敏感，對于高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，但對煙氣中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凝點溫度與其濃度相關(guān)，當(dāng)氣體CO2濃度達到30%左右時，相應(yīng)凝點溫度增長逐漸變緩，所需的低溫捕集條件也有所降低且更易于實現(xiàn)。因此，中高CO2濃度煙氣的供給能夠改善實現(xiàn)低溫捕集的冷源條件需求，同時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，具有操作簡單、無附加污染等優(yōu)勢，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，對于CO2體積分數(shù)為15%的煙氣，單一膜分離技術(shù)需要應(yīng)用選擇性高達200 的膜材料以同時滿足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，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)中進氣CO2濃度的系統(tǒng)設(shè)計思路（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)提高進氣CO2濃度，利用低溫捕集技術(shù)實現(xiàn)高捕集率，并通過耦合系統(tǒng)優(yōu)化實現(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

國內(nèi)外也有學(xué)者對此類耦合進行了可行性分析：Belaissaoui 等[12]的分析表明，當(dāng)進氣CO2體積分數(shù)在12%～25%之間時，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]對膜-低溫耦合系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性評估，指出低溫冷凝條件改善與膜性能及操作條件的同時變化可以進一步降低耦合系統(tǒng)投資成本。

綜上所述，低溫捕集系統(tǒng)具有對進氣中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)鍵運行參數(shù)。

因此，本文基于不同傳統(tǒng)低溫捕集系統(tǒng)特點，綜合考慮不同耦合模式提出多種耦合系統(tǒng)，通過對比分析獲得最優(yōu)耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并針對最優(yōu)系統(tǒng)進行運行參數(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)實現(xiàn)了傳統(tǒng)低溫捕集系統(tǒng)中的進氣壓縮與膜上下游壓差驅(qū)動來源的壓縮過程集成，并利用膜材料對CO2與N2選擇滲透性不同實現(xiàn)CO2在膜滲透側(cè)的富集，而膜組件中滯留側(cè)（即未滲透側(cè)）剩余進氣則將通過膨脹機-1 進行膨脹做功。

以圖3(c)為例，回?zé)嵝婉詈喜都到y(tǒng)包括五個基本過程：①進氣壓縮與冷卻（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，中間換熱器實現(xiàn)進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低溫冷源制冷量需求得到降低。預(yù)冷型耦合系統(tǒng)則實現(xiàn)進氣壓縮前預(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償壓縮過程耗功。

1.1 計算模型

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

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)計算。

式中，cp,frost是每個控制體中固相CO2的平均比熱容[17]。

膜材料進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是進氣側(cè)和滲透側(cè)的壓力；x和xp是進氣和滲透側(cè)中CO2的濃度。對于微分膜面積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是膜進氣側(cè)體積流量；α是CO2對N2的膜選擇性；φ是進氣側(cè)與滲透側(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價本文各系統(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)初始進氣質(zhì)量流量和捕集到的CO2質(zhì)量流量；win代表進氣中的CO2質(zhì)量分數(shù)，通過與CO2體積分數(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、膨脹機與低溫冷源壓縮機。

1.3 模擬假設(shè)

本文進行的捕集系統(tǒng)模擬計算主要基于以下假設(shè)。

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

表1 模擬進氣的條件

（2）膜組件材料為聚合物膜，氣體流動形式為錯流，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]，滲透側(cè)壓力設(shè)置為150kPa。膜滲透側(cè)CO2濃度將通過不同膜面積的選取進行調(diào)節(jié)[12,21]。

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

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

2 耦合系統(tǒng)模式對比

2.1 流程最低溫度對各系統(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，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氣中CO2凝點差距降低，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。同時膜的選擇滲透作用使得進入凝華換熱器的進氣流量減小，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時捕集率降低3.8%。

圖4 流程最低溫度對各系統(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量減少的同時降低了低溫冷源壓縮設(shè)備的機械功投入，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，回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)捕集能耗將相對于傳統(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%。這主要是因為耦合系統(tǒng)通過膜提升進氣CO2濃度后降低了進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氣滯留未能通過膜，導(dǎo)致預(yù)冷器中用以實現(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氣溫度將高于其他系統(tǒng)，因此低溫分離過程對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。

2.2 壓縮壓力對各系統(tǒng)捕集性能的影響

圖5 給出了在流程最低溫度為155K 時，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?？梢钥闯觯S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，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。這是因為受到膜材料選擇比的限制，壓縮壓力的提升對于膜滲透側(cè)CO2濃度變化的影響趨于穩(wěn)定，且膜滲透側(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 壓縮壓力對各系統(tǒng)性能的影響

如圖5(b)所示，壓縮壓力的提升對各系統(tǒng)捕集能耗增長十分明顯，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，回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)捕集能耗為1.92MJ/kg，相對于回?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)中實現(xiàn)流程節(jié)能的性能優(yōu)勢。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)勢的同時實現(xiàn)了捕集能耗的有效降低，具有明顯節(jié)能優(yōu)勢。因此，本文將重點針對回?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)將以膜后滲透側(cè)CO2濃度的變化為主要變量，結(jié)合流程最低溫度、壓縮壓力與進氣CO2濃度等耦合性能影響條件，探究不同膜提升濃度對耦合系統(tǒng)捕集性能的影響并對耦合系統(tǒng)整體性能進行優(yōu)化。

3.1 流程最低溫度對回?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，使得耦合系統(tǒng)能耗最低的膜滲透側(cè)CO2體積分數(shù)范圍為20%～25%，且最高捕集率對應(yīng)的膜滲透側(cè)濃度向接近初始進氣CO2濃度范圍。當(dāng)該溫度高于170K 時，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，可使得耦合系統(tǒng)在保持初始進氣CO2濃度的條件下同時獲得捕集率與能耗最優(yōu)。因此，對于回?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)在不同膜滲透側(cè)濃度下的CO2捕集率，當(dāng)壓縮壓力由200kPa 提升至300kPa 時，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，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)提升時耦合流程捕集能耗逐漸增大，這主要是因為壓縮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 進氣CO2濃度對回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

圖6 流程最低溫度對回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

圖7 壓縮壓力對回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

圖8 進氣CO2濃度對回?zé)嵝婉詈舷到y(tǒng)性能的影響

如圖8 所示，進氣CO2濃度的提升對于回?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氣CO2濃度增大逐漸變緩，當(dāng)進氣CO2體積分數(shù)為35%時，耦合系統(tǒng)最高捕集率達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現(xiàn)性能提升，且當(dāng)進氣CO2濃度升高時，耦合系統(tǒng)捕集能耗最小的膜滲透側(cè)濃度范圍逐漸拓展。例如當(dāng)進氣CO2體積分數(shù)為35%，滲透側(cè)體積分數(shù)為35%～50%時，捕集率均高于92%，且捕集能耗將維持在1.6MJ/kg左右。

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

3.4 進氣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的膜滲透側(cè)CO2濃度。以進氣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側(cè)CO2濃度為縱坐標(biāo)，可以得到耦合系統(tǒng)性能提升與進氣濃度間的對應(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)，對應(yīng)的滲透側(cè)CO2濃度與進氣CO2濃度具有很高的線性關(guān)系。例如，當(dāng)進氣CO2體積分數(shù)為15%時，可通過調(diào)節(jié)膜面積使得膜后滲透側(cè)CO2體積分數(shù)為21.5%，此時將取得耦合系統(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 不同進氣CO2濃度下捕集性能最優(yōu)膜滲透側(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側(cè)CO2濃度關(guān)系

由于膜滲透側(cè)CO2體積分數(shù)與膜材料面積有關(guān)，本文提出的最優(yōu)性能計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)不同的進氣CO2濃度條件，即針對不同來源煙氣可通過選取適當(dāng)膜材料面積使得膜滲透側(cè)濃度得到調(diào)控，從而分別達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)時各狀態(tài)點參數(shù)

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)單一低溫CO2捕集系統(tǒng)對于進氣CO2濃度敏感的特點，利用選擇性滲透膜對進氣CO2濃度進行調(diào)控，構(gòu)建了耦合膜分離的新型低溫CO2捕集系統(tǒng)，分析了膜滲透側(cè)CO2濃度與系統(tǒng)運行參數(shù)對耦合系統(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側(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達到最優(yōu)，此時耦合系統(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，對于本文提出的耦合捕集系統(tǒng)將存在最優(yōu)膜滲透側(cè)CO2濃度，且該濃度與進氣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側(cè)CO2濃度計算關(guān)系，可為不同來源氣體實現(xiàn)耦合捕集系統(tǒng)中膜組件的選型提供參考。

符號說明

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)量分數(shù)，%

x—— 氣體中CO2體積分數(shù)，%

α—— 膜對CO2與N2的選擇比

δ—— 膜厚度，m

φ—— 膜進氣側(cè)與滲透側(cè)壓力比

下角標(biāo)

comp—— 壓縮機

CS—— 低溫冷源

exp—— 膨脹機

f—— 膜進氣側(cè)

in—— 換熱器進口

out—— 換熱器出口

p—— 膜滲透側(cè)