吸附法CO₂直接空氣捕集技術能耗現狀

趙俊德 ^1,² 周愛國 ²陳彥霖 ^1,²鄭家樂 ²葛天舒 ¹

（1. 上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240； 2. 中國石油集團安全環保技術研究院有限公司，北京 102206 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20240963

摘要 CO₂直接空氣捕集（DAC）技術相對于傳統的固定源煙氣捕集技術具有位置靈活、應用廣泛等優勢，但由于大氣中CO₂濃度極低（僅為0.04%左右），DAC技術的高能耗成為阻礙其商業化的首要難題。聚焦吸附法DAC技術的能耗問題，先后進行理論分析和案例引證。DAC技術的CO₂分離理想最小功為19.64 kJ·mol^-1（溫度298.15 K，捕集率50%，純度95%），為同等條件下煙氣捕集技術的3.5倍。再生溫度393 K時變溫真空吸附循環（TVSA）第二定律分離效率為22.75%。吸附、排空、再生、冷凝、壓縮等過程主要通過機械能和熱能推動。其中排空過程機械能僅占3%左右；冷凝過程熱能可以通過回熱循環回收；壓縮過程機械能由目標壓力決定，在部分研究中計入DAC能耗。吸附過程流動機械能受反應器壓降主導，床層厚度減小和吸附劑有序堆積均能夠改善流動損耗問題。再生過程熱能占DAC能耗的主要部分，為50%~80%，再生溫度、反應器與吸附劑的質量比、吸附劑對H₂O吸附性的強弱，均能造成熱耗的成倍變化。在分析過程能耗的基礎上，給出了吸附法DAC在反應器設計、循環方式及操作參數、自然環境及能量來源等方面的能耗優化建議。

關鍵詞二氧化碳捕集；能耗；吸附；脫附；溫室氣體

引用本文：趙俊德, 周愛國, 陳彥霖, 鄭家樂, 葛天舒. 吸附法CO₂直接空氣捕集技術能耗現狀[J]. 化工學報, 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

直接空氣捕集（direct air capture，DAC）^[9]區別于燃燒前捕集（pre-combustion）^[10-11]、燃燒后捕集（post-combustion）^[12-13]和富氧燃燒（oxy-fuel combustion）^[14-15]等傳統的碳捕集技術，是一種應用物理或化學方法從大氣中直接捕獲CO₂，實現碳負排放的溫室氣體控制技術^[16]。空氣中的CO₂是一種微量氣體，在DAC研究中，通常使用0.04%表示其濃度。由于要從空氣中捕獲超低濃度的CO₂，DAC技術通常被認為是一種能耗高、難度大的碳捕集方式^[17]。然而，DAC能夠靈活地應對移動式分布源CO₂^[18]，可以將工廠選址在CO₂最適宜封存點附近，最終能夠實現碳捕集技術與能源基礎設施的脫鉤，具有不可替代性和良好發展前景^[19]。

本文聚焦吸附法DAC技術的能耗問題，通過理論推導與案例分析相結合的方式開展研究。首先，在理論層面對CO₂分離最小功進行計算，并應用熱力學第二定律分析其分離熱效率，為后續實際計算提供理論指導。其次，對吸附法DAC技術的循環過程進行分解研究，針對每一過程提出能耗推導式，并通過案例進行引證、探究和評價。最終，給出吸附法DAC循環全過程能耗分布，分析各參數作用強度，確定技術中的能量密集環節并給出降耗優化建議。

DAC能源需求總體上約為80%熱能和20%機械能^[65]。其中前三組使用吸附劑涂層結構化反應器，并通過蒸汽輔助開展變溫循環；最后一組使用堆積吸附劑的常規反應器開展變溫真空循環。顯熱量均遠超過CO₂的脫附熱量，Sinha等^[37]的研究結果中加入了用于未凝蒸汽的冷凝熱量。第一組和第四組考慮了產氣的壓縮（均為0.417 GJ·t^-1），對比看出使用結構化反應器有效降低了吸附階段的風機機械能。此外，無論是哪種情況，真空泵的機械能均占比很小。另外，第一組和第四組均使用干燥空氣開展研究，如果將預干燥的能耗（16.9 GJ·t^-1[33]）計入，系統能耗將翻倍。而對于多數DAC吸附劑，水分的存在會提升吸附劑的工作容量^[66]，故通常無須預干燥空氣。

圖20 DAC過程能耗統計Fig.20 DAC process energy consumption statistics

總結

本文通過理論推導和計算分析，對吸附法DAC系統的最小功和效率進行預測，并對變溫變壓循環實際過程的各部分能耗進行了參數研究。

（1）理論上，DAC的理想分離最小功為19.64 kJ·mol^-1（α=50%，y₀=0.04%，y₁=95%），為煙氣捕集的3.5倍；TVSA循環的第二定律效率為22.75%（T_des=393 K）。最小功隨著捕集率和產氣純度提高而增加，隨著二氧化碳濃度增加而減小；循環溫差和二氧化碳濃度增加，效率隨之提高。

（2）循環過程中，再生熱量占DAC過程能耗的50%~80%，再生溫度是影響能耗的關鍵參數。顯熱量通常高于脫附熱量，應盡量減小反應器與吸附劑的質量比；改善吸附劑對H₂O的共吸附，使用蒸汽輔助解吸有效避免這部分熱損失。

（3）風機克服流動阻力的機械能占據機械能耗90%以上，使用常規反應器時流動機械能（5.43 GJ·t^-1）甚至超過再生熱量，結構化反應器能夠將壓降減小為1/1000，降低流速也可以改善阻力并提升捕集率。排空和再生過程的真空機械能均占比很低，與目標壓力和排氣量相關。

（4）根據過程能耗分析，提出吸附法DAC應從反應器設計、循環方式及操作參數、自然環境及能量來源等方面進行優化，以降低能耗并提升技術競爭力。

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