吸附法CO₂直接空气捕集技术能耗现状

赵俊德 ^1,² 周爱国 ²陈彦霖 ^1,²郑家乐 ²葛天舒 ¹

（1. 上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240； 2. 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20240963

摘要 CO₂直接空气捕集（DAC）技术相对于传统的固定源烟气捕集技术具有位置灵活、应用广泛等优势，但由于大气中CO₂浓度极低（仅为0.04%左右），DAC技术的高能耗成为阻碍其商业化的首要难题。聚焦吸附法DAC技术的能耗问题，先后进行理论分析和案例引证。DAC技术的CO₂分离理想最小功为19.64 kJ·mol^-1（温度298.15 K，捕集率50%，纯度95%），为同等条件下烟气捕集技术的3.5倍。再生温度393 K时变温真空吸附循环（TVSA）第二定律分离效率为22.75%。吸附、排空、再生、冷凝、压缩等过程主要通过机械能和热能推动。其中排空过程机械能仅占3%左右；冷凝过程热能可以通过回热循环回收；压缩过程机械能由目标压力决定，在部分研究中计入DAC能耗。吸附过程流动机械能受反应器压降主导，床层厚度减小和吸附剂有序堆积均能够改善流动损耗问题。再生过程热能占DAC能耗的主要部分，为50%~80%，再生温度、反应器与吸附剂的质量比、吸附剂对H₂O吸附性的强弱，均能造成热耗的成倍变化。在分析过程能耗的基础上，给出了吸附法DAC在反应器设计、循环方式及操作参数、自然环境及能量来源等方面的能耗优化建议。

关键词二氧化碳捕集；能耗；吸附；脱附；温室气体

引用本文：赵俊德, 周爱国, 陈彦霖, 郑家乐, 葛天舒. 吸附法CO₂直接空气捕集技术能耗现状[J]. 化工学报, 2025, 76(4): 1375-1390(ZHAO Junde, ZHOU Aiguo, CHEN Yanlin, ZHENG Jiale, GE Tianshu. Current status of energy consumption of adsorption CO₂ direct air capture[J]. CIESC Journal, 2025, 76(4): 1375-1390)

引言

直接空气捕集（direct air capture，DAC）^[9]区别于燃烧前捕集（pre-combustion）^[10-11]、燃烧后捕集（post-combustion）^[12-13]和富氧燃烧（oxy-fuel combustion）^[14-15]等传统的碳捕集技术，是一种应用物理或化学方法从大气中直接捕获CO₂，实现碳负排放的温室气体控制技术^[16]。空气中的CO₂是一种微量气体，在DAC研究中，通常使用0.04%表示其浓度。由于要从空气中捕获超低浓度的CO₂，DAC技术通常被认为是一种能耗高、难度大的碳捕集方式^[17]。然而，DAC能够灵活地应对移动式分布源CO₂^[18]，可以将工厂选址在CO₂最适宜封存点附近，最终能够实现碳捕集技术与能源基础设施的脱钩，具有不可替代性和良好发展前景^[19]。

本文聚焦吸附法DAC技术的能耗问题，通过理论推导与案例分析相结合的方式开展研究。首先，在理论层面对CO₂分离最小功进行计算，并应用热力学第二定律分析其分离热效率，为后续实际计算提供理论指导。其次，对吸附法DAC技术的循环过程进行分解研究，针对每一过程提出能耗推导式，并通过案例进行引证、探究和评价。最终，给出吸附法DAC循环全过程能耗分布，分析各参数作用强度，确定技术中的能量密集环节并给出降耗优化建议。

DAC能源需求总体上约为80%热能和20%机械能^[65]。其中前三组使用吸附剂涂层结构化反应器，并通过蒸汽辅助开展变温循环；最后一组使用堆积吸附剂的常规反应器开展变温真空循环。显热量均远超过CO₂的脱附热量，Sinha等^[37]的研究结果中加入了用于未凝蒸汽的冷凝热量。第一组和第四组考虑了产气的压缩（均为0.417 GJ·t^-1），对比看出使用结构化反应器有效降低了吸附阶段的风机机械能。此外，无论是哪种情况，真空泵的机械能均占比很小。另外，第一组和第四组均使用干燥空气开展研究，如果将预干燥的能耗（16.9 GJ·t^-1[33]）计入，系统能耗将翻倍。而对于多数DAC吸附剂，水分的存在会提升吸附剂的工作容量^[66]，故通常无须预干燥空气。

图20 DAC过程能耗统计Fig.20 DAC process energy consumption statistics

总结

本文通过理论推导和计算分析，对吸附法DAC系统的最小功和效率进行预测，并对变温变压循环实际过程的各部分能耗进行了参数研究。

（1）理论上，DAC的理想分离最小功为19.64 kJ·mol^-1（α=50%，y₀=0.04%，y₁=95%），为烟气捕集的3.5倍；TVSA循环的第二定律效率为22.75%（T_des=393 K）。最小功随着捕集率和产气纯度提高而增加，随着二氧化碳浓度增加而减小；循环温差和二氧化碳浓度增加，效率随之提高。

（2）循环过程中，再生热量占DAC过程能耗的50%~80%，再生温度是影响能耗的关键参数。显热量通常高于脱附热量，应尽量减小反应器与吸附剂的质量比；改善吸附剂对H₂O的共吸附，使用蒸汽辅助解吸有效避免这部分热损失。

（3）风机克服流动阻力的机械能占据机械能耗90%以上，使用常规反应器时流动机械能（5.43 GJ·t^-1）甚至超过再生热量，结构化反应器能够将压降减小为1/1000，降低流速也可以改善阻力并提升捕集率。排空和再生过程的真空机械能均占比很低，与目标压力和排气量相关。

（4）根据过程能耗分析，提出吸附法DAC应从反应器设计、循环方式及操作参数、自然环境及能量来源等方面进行优化，以降低能耗并提升技术竞争力。

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