白亞迪，鄧帥，趙睿愷，趙力，楊英霞

（1 天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2 天津市超低能耗碳捕集國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300350；3 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必要的技術(shù)基礎(chǔ)，2021 年出臺(tái)的《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》要求建立健全碳達(dá)峰、碳中和標(biāo)準(zhǔn)[1]，這需要加快相關(guān)領(lǐng)域的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供給。隨后，國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和標(biāo)準(zhǔn)化總體組成立，以期加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化工作的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)[2]；市場(chǎng)監(jiān)管總局等16部門聯(lián)合印發(fā)的行動(dòng)計(jì)劃中列出了實(shí)施碳達(dá)峰、碳中和標(biāo)準(zhǔn)化提升工程的重點(diǎn)任務(wù)，涉及節(jié)能和能效、溫室氣體管理、可再生能源、碳捕集利用與封存等多個(gè)領(lǐng)域[3]；國(guó)家能源局[4]也發(fā)布了能源領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化提升行動(dòng)計(jì)劃，明確了非化石能源、新型電力系統(tǒng)、儲(chǔ)能、氫能、能效提升以及產(chǎn)業(yè)鏈碳減排方面的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)任務(wù)。在國(guó)際能源署（IEA）提出的可持續(xù)發(fā)展情景中，碳捕集、利用與封存技術(shù)（CCUS）貢獻(xiàn)的累計(jì)減排量比例約為15%[5]，其技術(shù)發(fā)展、項(xiàng)目實(shí)施等都亟需標(biāo)準(zhǔn)的支持。捕集作為整個(gè)技術(shù)鏈條中至關(guān)重要的前置環(huán)節(jié)，加快修訂一批碳捕集領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要引領(lǐng)作用。

在碳捕集領(lǐng)域，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有5項(xiàng)，其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，對(duì)應(yīng)用化學(xué)吸收法的碳捕集系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)范[6]；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3 項(xiàng)，對(duì)應(yīng)用于燃煤煙氣的化學(xué)吸收法碳捕集系統(tǒng)的所用裝備、系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)工作進(jìn)行了規(guī)定[7-9]；團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，規(guī)定領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)[10]。此外，由中國(guó)華能集團(tuán)牽頭的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 27927《燃燒后CO2捕集吸收溶液的關(guān)鍵性能指標(biāo)及測(cè)試方法》已正式立項(xiàng)[11]；由國(guó)家能源集團(tuán)牽頭制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠煙氣二氧化碳捕集系統(tǒng)能耗測(cè)定技術(shù)規(guī)范》也已立項(xiàng)[12]。由此可見，目前的標(biāo)準(zhǔn)多面向吸收法，近年來(lái)在中小型點(diǎn)源排放控制方面?zhèn)涫芮嗖A的吸附法的標(biāo)準(zhǔn)還處于空白狀態(tài)。該技術(shù)目前的技術(shù)成熟度（TRL）在5～7，處于示范前端至初步示范階段[13]。按照吸附劑再生的方式不同，吸附法主要分為變壓吸附（PSA）和變溫吸附（TSA）兩類。TSA由于無(wú)需對(duì)常壓狀態(tài)下的煙道氣進(jìn)行壓縮且可以利用低品位的余熱作為驅(qū)動(dòng)吸附劑再生的能源[14]，具有較大的節(jié)能提效潛力而受到廣泛關(guān)注。

一般而言，某項(xiàng)技術(shù)的一次能耗水平往往與其工業(yè)應(yīng)用規(guī)模呈現(xiàn)緊密相關(guān)性，圖1[15-36]匯總了當(dāng)前報(bào)道的不同類型的吸附碳捕集技術(shù)的吸附腔容積及相應(yīng)的單位能耗。從圖中可以看出，PSA的單位能耗通常低于3.00MJ/kg，而TSA 的單位能耗整體略高且跨度范圍較大，從1.15MJ/kg到12.6MJ/kg不等，而且多以模擬為研究方法，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法的成果較少且多為原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，吸附腔容積較小，大多在10-7～10-4m3之間，這表明目前TSA 技術(shù)仍多集中于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別，成熟度較低。

圖1 吸附碳捕集技術(shù)的規(guī)模及單位能耗匯總[15-36]

TSA技術(shù)的發(fā)展與規(guī)模化推廣必須協(xié)調(diào)好付出與收益之間的關(guān)系。技術(shù)層面涉及技術(shù)性能，即追求性能的提升，研究人員在這一方面做了大量工作。首先是新型吸附劑的開發(fā)，主要優(yōu)化方向?yàn)槲侥芰?qiáng)、選擇性高、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)/熱穩(wěn)定性高、吸附熱小以及成本低[14]，基本思路是擴(kuò)大碳基、沸石、MOF 等吸附材料的比表面積，改善其孔結(jié)構(gòu)以及進(jìn)行表面改性。其次是工藝流程和裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，比如Wang 等[37]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了結(jié)合變溫和變壓兩種再生方式所形成的TVSA 的性能，結(jié)果顯示，TVSA 的再生條件與VPSA 和TSA相比變得更加溫和，無(wú)需很低的真空壓力和較高的加熱溫度，具有經(jīng)濟(jì)性。Jung等[38]研究了一種從冷卻過(guò)程中回收顯熱以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱量集成的多固定床快速變溫吸附技術(shù)，分析結(jié)果表明該技術(shù)經(jīng)優(yōu)化后的能耗為272kW·h/t，顯熱回收率為58%。Zhao等[39]提出將太陽(yáng)能集成到TPSA 系統(tǒng)中用于CO2捕集，結(jié)果表明該技術(shù)在不同吸附劑下的能耗范圍為25.96～87.76kJ/mol。Jiang 等[40]指 出 在 四 步TSA 循環(huán)中加入熱回收過(guò)程，理論?效率將提高20%～30%。最后是運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，比如Mulgundmath等[41]設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的使用熱氣直接吹掃再生的TPSA 系統(tǒng)，結(jié)合響應(yīng)曲面法評(píng)估了各參數(shù)（吹掃進(jìn)料比、吹掃時(shí)間、吹掃氣溫度和吸附塔壓力）及參數(shù)間的相互作用對(duì)CO2回收率的影響程度。

然而由于目前缺乏健全的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量體系及可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法，如測(cè)試選用的性能指標(biāo)、測(cè)試方法和工況的相關(guān)規(guī)定，使得不同研究者在制定機(jī)組性能測(cè)試方案時(shí)所參考的依據(jù)往往停留在經(jīng)驗(yàn)范疇，導(dǎo)致改進(jìn)的TSA技術(shù)的相關(guān)性能結(jié)果難以進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，這不利于技術(shù)的發(fā)展。以能耗研究為例，首先機(jī)組運(yùn)行一般要消耗熱能和電能，這兩種能量的品位不同，不同研究者在計(jì)量時(shí)采用的折算方式不同。比如Jiang等[26]在計(jì)算TVSA的再生能耗時(shí)采用了直接相加的方式，Mendes 等[31]、Bui 等[42]使用固定熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)將熱能轉(zhuǎn)換為等效功然后相加，Jung 等[38]、Young 等[43]則通過(guò)卡諾效率將熱能轉(zhuǎn)化為等效功。其次不同研究者在計(jì)算能耗時(shí)所包括的能耗項(xiàng)不同，表1是根據(jù)Chen等[44]提出的對(duì)標(biāo)分析方法總結(jié)的一些研究人員在報(bào)道單位能耗時(shí)的能耗項(xiàng)覆蓋范圍。表1中顯示，Liu等[14]計(jì)算的單位能耗包括了吸附劑和被吸附的氣體的顯熱、解吸熱、吸附腔金屬壁的顯熱及其向環(huán)境的散熱。Marx等[25]在計(jì)算其所搭建的TSA系統(tǒng)的能耗時(shí)發(fā)現(xiàn)如果不計(jì)算吸附腔金屬壁的能耗，系統(tǒng)的單位能耗將從12.6MJ/kg 變?yōu)?.85MJ/kg。因此，推動(dòng)能效測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的建立以科學(xué)合理地評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能是促進(jìn)技術(shù)規(guī)模放大的重要前提。

表1 單位能耗的計(jì)算范圍

基于上述問(wèn)題，參考空調(diào)領(lǐng)域在制冷劑、壓縮機(jī)等組成設(shè)備和機(jī)組層面各自有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)，在制定吸附法標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也應(yīng)按照吸附劑和其他裝備層面到機(jī)組層面的遞進(jìn)模式進(jìn)行。對(duì)于機(jī)組性能測(cè)試，可參考國(guó)內(nèi)熱泵等制冷機(jī)組的能效測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中主要關(guān)注的測(cè)試工況、測(cè)量設(shè)備、性能指標(biāo)等方面的內(nèi)容。本文的主要工作便是從這幾個(gè)方面著手，初步建立了一套面向變溫吸附機(jī)組的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方案，而后以樣機(jī)規(guī)模的真空變溫吸附機(jī)組為案例，在標(biāo)準(zhǔn)工況下測(cè)試了機(jī)組的性能，并分析了不同再生策略如解吸溫度、真空壓力等對(duì)機(jī)組性能的影響。

1 測(cè)試方案

為了說(shuō)明本測(cè)試方案的通用性，將變溫吸附碳捕集機(jī)組抽象為吸附碳泵機(jī)組。在吸附碳泵機(jī)組附近劃定邊界，可組成如圖2所示的具有質(zhì)量和能量流動(dòng)的系統(tǒng)，其通過(guò)消耗能量（Qi、Wi）從低CO2濃度的原料氣（Ff）中將CO2分離出來(lái)然后富集至高CO2濃度的產(chǎn)品氣（Fp）中，并產(chǎn)生廢氣（Fw）和廢熱（Qw）。

圖2 具有進(jìn)料流Ff、產(chǎn)品流Fp、廢氣流Fw、熱輸入Qi、功輸入Wi以及廢熱輸出Qw的系統(tǒng)

1.1 測(cè)試工況

確定測(cè)試工況給機(jī)組的性能測(cè)試提供了基準(zhǔn)條件，是衡量機(jī)組性能的前提和標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以空氣源熱泵為例，其制熱性能受所服務(wù)地區(qū)的環(huán)境、建筑類型等影響，所以在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同的名義工況以合理評(píng)價(jià)熱泵的能效水平。吸附碳捕集機(jī)組的性能受所應(yīng)用場(chǎng)景的影響很大，而且不同應(yīng)用場(chǎng)景由于對(duì)機(jī)組所用吸附劑以及技術(shù)等方面的要求不同，也會(huì)使得技術(shù)的發(fā)展方向有所差別，所以需仿照熱泵的相關(guān)規(guī)定根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)測(cè)試工況，以合理評(píng)價(jià)機(jī)組的性能。本節(jié)所探討的測(cè)試工況的應(yīng)用場(chǎng)景為燃煤電廠領(lǐng)域。

（1）源側(cè)工況?？諝庠礋岜玫脑磦?cè)即為空氣中的低位熱能，其性能受室外氣候的影響很大，所以我國(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)將熱源側(cè)的名義制熱工況分為普通型和低環(huán)境溫度型兩類，相應(yīng)的干濕球溫度分別為7℃/6℃和-12℃/-13.5℃[45]。在吸附碳泵機(jī)組中，源側(cè)輸入的熱流因溫度不同會(huì)對(duì)機(jī)組性能產(chǎn)生較大影響，需要對(duì)輸入機(jī)組內(nèi)的熱源的溫度進(jìn)行規(guī)定，使測(cè)試在一致的溫度基準(zhǔn)下進(jìn)行。對(duì)于應(yīng)用于燃煤電廠的機(jī)組，可使用電廠的煙氣廢熱作為解吸熱源。燃煤電廠的設(shè)計(jì)排煙溫度為120～140℃，但是實(shí)際排煙溫度通常高20～30℃[46]，所以在測(cè)試時(shí)可將變溫吸附機(jī)組解吸熱源的溫度設(shè)置為160℃。解吸完成后，可使用環(huán)境溫度下的導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷卻，故將冷源溫度設(shè)置為環(huán)境溫度，在此，規(guī)定環(huán)境溫度為25℃。

（2）匯側(cè)工況。熱泵機(jī)組根據(jù)匹配的末端不同，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的出水溫度也不同。比如《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)組》（GB/T 25127.1—2020）中規(guī)定的出水溫度分別為地板輻射型的35℃、風(fēng)機(jī)盤管型的41℃和散熱器型的50℃[47]。參考上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工況依據(jù)不同換熱介質(zhì)和服務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行明確數(shù)值界定的方法，在變溫吸附碳捕集機(jī)組中，考慮導(dǎo)熱介質(zhì)會(huì)與周邊環(huán)境產(chǎn)生熱交換，所以環(huán)境溫度會(huì)對(duì)Qw產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響機(jī)組性能，因此，測(cè)試時(shí)機(jī)組應(yīng)處在恒定的25℃的環(huán)境溫度中，該測(cè)試條件可通過(guò)恒溫室營(yíng)造。

（3）進(jìn)氣側(cè)工況。在進(jìn)氣側(cè)，碳排放源中CO2濃度是影響捕集能耗的主要因素，濃度越高捕集能耗越低。Zhang等[48]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)從3%升高至15%時(shí)，理論能耗從18.81MJ/kg 降至3.76MJ/kg，當(dāng)石灰窯氣中CO2體積分?jǐn)?shù)從20%升高至42%時(shí)，理論能耗從2.8MJ/kg 降至1.26MJ/kg。Zhao等[49]根據(jù)碳泵循環(huán)模型計(jì)算的最小分離功也隨CO2濃度的增大而減小。Liu等[14]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)分別為15%、17%和19%時(shí)，機(jī)組的單位能耗分別為8.41MJ/kg、6.32MJ/kg 和4.79MJ/kg。Jiang 等[50]指出當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)從3.72%升高至8.94%時(shí)，使用活性炭的TSA系統(tǒng)的再生熱從4.92MJ/kg 降至3.28MJ/kg。碳排放源的溫度也會(huì)影響捕集能耗，Zhang等[48]指出理論能耗隨著溫度的升高而增加，沼氣溫度從283.15K升至313.15K時(shí)，理論能耗從0.41MJ/kg升至0.85MJ/kg。

燃煤電廠排放的煙氣具體組成（體積分?jǐn)?shù)）為70%～75% N2、10%～15% CO2、8%～10% H2O、3%～4% O2以及少量SOx、NOx和其他雜質(zhì)[51]。一般情況下煙氣在進(jìn)入吸附碳捕集裝置已經(jīng)過(guò)脫硝、脫硫以及干燥處理，在環(huán)境壓力下溫度可冷卻至環(huán)境溫度，所以在測(cè)試時(shí)可使用環(huán)境溫度下的N2和CO2的混合氣模擬電廠煙氣。我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染治理工程技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 2000—2010）指出，在使用吸附法處理氣態(tài)污染物時(shí)，流速應(yīng)根據(jù)吸附劑的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和性能確定；采用顆粒狀活性炭時(shí)，宜取0.20～0.60m/s；采用活性炭纖維氈時(shí)，宜取0.10～0.15m/s；采用蜂窩狀吸附劑時(shí)，宜取0.70～1.20m/s[52]。為保證捕集效果，吸附持續(xù)時(shí)間應(yīng)為機(jī)組經(jīng)突破實(shí)驗(yàn)后所得的突破曲線上的突破點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

綜上所述，應(yīng)用于燃煤電廠領(lǐng)域的變溫吸附碳捕集機(jī)組的測(cè)試工況見表2。

表2 測(cè)試工況

1.2 性能指標(biāo)

性能指標(biāo)指明了技術(shù)的發(fā)展方向，碳捕集機(jī)組作為消耗能源執(zhí)行氣體分離的裝置，其分離效果與經(jīng)濟(jì)性都需重點(diǎn)關(guān)注。通常使用純度和回收率來(lái)評(píng)估機(jī)組的分離效果，純度（ηp）是指機(jī)組工作結(jié)束后收集到的氣體中CO2的占比，回收率（ηr）則表示回收到的CO2與進(jìn)入機(jī)組內(nèi)的CO2的比值，如式(1)、式(2)所示。

比能耗（e）通常作為評(píng)價(jià)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，吸附劑再生過(guò)程的能量需求包括用來(lái)加熱和冷卻機(jī)組內(nèi)吸附劑以產(chǎn)生溫差的熱能和驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、真空泵等部件做功以克服壓降、傳輸氣體產(chǎn)生真空等的電能。在計(jì)算能耗時(shí)，由于這兩種能量的做功能力不同，所以一般不能直接相加，而且不同溫度的熱能的能量品位不同，故選擇一個(gè)固定的轉(zhuǎn)換系數(shù)也不合適，因此使用卡諾效率計(jì)算熱能的有效能[43]而后與電能相加，如式(3)所示。

基于對(duì)標(biāo)分析方法的基本理論，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得所需數(shù)據(jù)，得到E的各部分的計(jì)算方法見表3。

表3 各部分能耗計(jì)算方法

捕集單位質(zhì)量CO2的能耗如式(5)所示。

式中，m可由式(6)計(jì)算。

比能耗無(wú)法反映技術(shù)的節(jié)能潛力，所以需要定義一個(gè)介于0和1之間的指標(biāo)以反映機(jī)組有效利用的能量占總輸入能量的比例，可表示為能源效率（ηe），如式(7)所示。

由于混合氣體的壓力接近大氣壓且相互之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故可將其視為理想氣體，其摩爾?可根據(jù)《能量系統(tǒng)?分析技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T 14909—2021）[53]計(jì)算，如式(8)～式(10)所示。

規(guī)定的環(huán)境參考態(tài)為p0=100kPa，T0=298.15K，空氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為0.000314。式中，組分i的焓變和熵變通過(guò)式(11)、式(12)計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)誤差主要來(lái)自測(cè)量設(shè)備的測(cè)量誤差，計(jì)算參數(shù)U的精度可由誤差傳遞公式(13)計(jì)算[54]。

1.3 數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集

數(shù)據(jù)是計(jì)算性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)支撐，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)測(cè)量及采集工作，是客觀公正進(jìn)行機(jī)組性能評(píng)價(jià)的重要保障。綜合分析上述性能指標(biāo)所需的數(shù)據(jù)內(nèi)容和質(zhì)量，分析數(shù)據(jù)類型和特征，對(duì)應(yīng)測(cè)量參數(shù)、數(shù)據(jù)獲取以及記錄方法等方面進(jìn)行規(guī)范，結(jié)果見表4。為確保數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性和公認(rèn)性，在測(cè)量時(shí)所用儀器儀表應(yīng)經(jīng)法定計(jì)量檢驗(yàn)部門檢定合格，并在有效期內(nèi)。

表4 性能評(píng)價(jià)所需參數(shù)及獲取方法

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)的采集工作應(yīng)由測(cè)試單位負(fù)責(zé)完成，記錄實(shí)驗(yàn)日期、地點(diǎn)和人員；確保數(shù)據(jù)采集時(shí)不影響機(jī)組的正常運(yùn)行；確保動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被即時(shí)記錄并安全存儲(chǔ)，優(yōu)先使用自動(dòng)采集設(shè)備記錄數(shù)據(jù)，確保內(nèi)容齊全；測(cè)試單位還應(yīng)負(fù)責(zé)核對(duì)整理收集到的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確全面、規(guī)范可用，能夠滿足性能評(píng)價(jià)的需求。

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 機(jī)組介紹

機(jī)組采用的吸附材料是沸石13X-APG，一種球形的堿金屬鋁硅酸鹽。圖2、圖3 分別為機(jī)組實(shí)物及測(cè)點(diǎn)布置。每個(gè)固定吸附腔內(nèi)置3根翅片管式換熱器以加熱或冷卻吸附劑，沿縱向均勻布置5個(gè)測(cè)溫元件并在底部安裝壓力傳感器以監(jiān)測(cè)和記錄吸附腔內(nèi)溫度和壓力的變化。使用真空泵VP 在吸附腔內(nèi)進(jìn)行抽真空操作，由功率表PM 測(cè)量其功率。CO2檢測(cè)儀D2 和D3 分別監(jiān)測(cè)吸附和解吸時(shí)吸附腔出口處的CO2含量。

圖3 機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置

導(dǎo)熱油通過(guò)高溫回路和低溫回路進(jìn)行循環(huán)。高溫回路中的導(dǎo)熱油（圖3 中的紅線）由熱源HS 加熱，為吸附劑再生階段提供熱量，而低溫回路中的導(dǎo)熱油（圖3 中的藍(lán)線）由冷源CS 冷卻，為吸附和冷卻階段提供冷量。分別在吸附腔和冷熱源的兩端插入測(cè)溫元件T11～T18，并由金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1和F2分別測(cè)量導(dǎo)熱油的流量，計(jì)算吸附腔內(nèi)和機(jī)組內(nèi)所耗費(fèi)的熱量和冷量。通過(guò)四通閥QV1和QV2的切換實(shí)現(xiàn)吸附腔C1和C2的交替加熱和冷卻。輸送導(dǎo)熱油的管道均按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)使用巖棉管作保溫處理。

機(jī)組循環(huán)運(yùn)行時(shí)所涉及的電磁閥的動(dòng)作均由可編程邏輯控制器自動(dòng)控制，由數(shù)據(jù)采集儀采集相關(guān)檢測(cè)儀器的瞬態(tài)輸出信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)記錄其輸出的數(shù)據(jù)。機(jī)組的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)和測(cè)試儀器的詳細(xì)信息分別見表5、表6。

表5 機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)

表6 測(cè)試儀器的詳細(xì)信息

2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

按照表2規(guī)定的測(cè)試工況，將機(jī)組置入恒溫室中，接入氣源和冷熱源，調(diào)整好進(jìn)氣狀態(tài)、恒溫室內(nèi)溫度和冷熱源溫度后，打開數(shù)據(jù)采集設(shè)備，而后開始實(shí)驗(yàn)。

機(jī)組的循環(huán)流程可分為吸附、解吸、吹掃、冷卻4 個(gè)階段，其中解吸分為加熱和抽真空兩部分，如圖4所示。各階段的具體描述與相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如下所述。

圖4 機(jī)組運(yùn)行所經(jīng)階段示意

在吸附階段，由體積分?jǐn)?shù)15% CO2和85% N2組成的環(huán)境溫度下的混合氣（標(biāo)況）以36L/min 的流量進(jìn)入吸附腔，同時(shí)冷源輸送環(huán)境溫度下的導(dǎo)熱油冷卻吸附腔，記錄進(jìn)入機(jī)組內(nèi)的CO2的量、從機(jī)組中流出的氣體流量和相應(yīng)的CO2含量以及過(guò)程所耗冷量。解吸階段可分為加熱和抽真空兩部分，首先熱源輸出160℃的導(dǎo)熱油加熱吸附腔，觀察吸附腔內(nèi)溫度變化，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的解吸溫度時(shí)關(guān)閉熱源，停止熱量輸入，然后打開真空泵進(jìn)行抽真空操作，當(dāng)吸附腔內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的真空壓力時(shí)關(guān)閉真空泵，測(cè)量從機(jī)組中流出的氣體流量和相應(yīng)的CO2含量、所耗熱量以及真空泵運(yùn)行所耗電量。吹掃階段是向吸附腔內(nèi)通入N2將吸附劑表面殘余的CO2吹出。在冷卻階段，冷源輸出環(huán)境溫度下的導(dǎo)熱油冷卻吸附腔內(nèi)吸附劑，測(cè)量本階段所耗冷量。

完成上述4 個(gè)階段后，吸附腔進(jìn)入下一循環(huán)，兩個(gè)吸附腔交替運(yùn)行的時(shí)序如圖5所示。

圖5 機(jī)組運(yùn)行時(shí)序

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6顯示了機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)每個(gè)階段吸附腔內(nèi)吸附劑的平均溫度（取吸附腔內(nèi)5個(gè)熱電偶所測(cè)溫度的平均值）和壓力隨時(shí)間的變化情況，從圖中可以看出，機(jī)組連續(xù)運(yùn)行了4 個(gè)循環(huán)，歷時(shí)約10h，吸附劑在50℃下吸附，隨后將吸附劑加熱至90℃，再運(yùn)行真空泵使吸附腔內(nèi)壓力降至0.02MPa進(jìn)行解吸，最后用室溫下的導(dǎo)熱油將吸附劑冷卻至50℃，進(jìn)行下一次循環(huán)。循環(huán)可重復(fù)運(yùn)行，證明該機(jī)組的循環(huán)過(guò)程的轉(zhuǎn)換易于控制。在經(jīng)歷兩次循環(huán)后，循環(huán)過(guò)程中的溫度和壓力達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，因此根據(jù)后兩組循環(huán)所測(cè)參數(shù)計(jì)算的性能指標(biāo)的平均值作為機(jī)組性能評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖6 機(jī)組連續(xù)運(yùn)行中吸附腔內(nèi)吸附劑平均溫度和壓力隨時(shí)間變化情況

圖7顯示了在規(guī)定的測(cè)試工況下，在一組典型運(yùn)行參數(shù)下機(jī)組實(shí)測(cè)的突破曲線，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)25min的持續(xù)吸附后，突破點(diǎn)出現(xiàn)，所以吸附時(shí)間定為25min。

圖7 機(jī)組實(shí)測(cè)的突破曲線

根據(jù)機(jī)組性能評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)需求，單次循環(huán)中各測(cè)量設(shè)備所測(cè)的應(yīng)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 所測(cè)的應(yīng)測(cè)數(shù)據(jù)展示

3.2 敏感性分析

3.2.1 解吸溫度

本節(jié)分析了在40℃的吸附溫度和0.02MPa的真空壓力下，不同解吸溫度對(duì)機(jī)組性能的影響，結(jié)果如圖9 所示。從圖中可以看出，CO2的純度和回收率隨著解吸溫度的升高而增大，分別由90℃的89.20% 和82.94% 增 大 至120℃的98.62% 和93.41%。這是因?yàn)槲絼?duì)CO2的吸附量隨溫度的升高而減少，因此較高的解吸溫度使得吸附劑再生更加徹底，解吸出的CO2的量增多，且數(shù)量遠(yuǎn)超增多的N2的量，致使回收的CO2的量及其在回收的氣體中所占比例增大，所以純度和回收率增大。而提升溫度勢(shì)必要投入更多的能量，其增幅將逐漸增大直至高于回收的CO2的量，所以比能耗會(huì)隨著解吸溫度的升高先減小后增大，在100℃時(shí)達(dá)到最小，為6.13MJ/kg。機(jī)組的能源效率隨解吸溫度的變化趨勢(shì)與比能耗相反，先增大后減小，整體處于3.5%～6.5%之間。因此盡管解吸溫度越高，機(jī)組的分離效果越好，但是機(jī)組的能源效率會(huì)降低，而且過(guò)高的解吸溫度也會(huì)破壞吸附劑結(jié)構(gòu)，降低吸附劑的工作壽命，因此，需參考機(jī)組所集成的低品位熱能的特點(diǎn)，確定合適的解吸溫度。

圖9 解吸溫度對(duì)機(jī)組性能的影響

圖10 分析了在不同解吸溫度下各部分能耗的所占比例。由圖可知，如果僅計(jì)算“吸附劑”邊界內(nèi)的能耗（e1+e2+e3+e8）時(shí)，比能耗在120℃時(shí)最小，這與“機(jī)組”邊界內(nèi)的能耗隨解吸溫度的變化趨勢(shì)略有差異。這是因?yàn)楣艿赖炔考娘@熱及向環(huán)境散熱（e6+e7）部分的能耗并未被考慮，過(guò)高的解吸溫度導(dǎo)致管道等部件的顯熱需求顯著增長(zhǎng)，且與環(huán)境之間的換熱增強(qiáng)，熱損失增大。從圖中可以看出，（e6+e7）的占比隨解吸溫度的升高而大幅增加，從29.05%增至39.67%，而吸附劑的顯熱需求則沒(méi)有明顯升高，所以會(huì)出現(xiàn)此種情況。Jung等[38]指出通過(guò)回?zé)岬榷鄠€(gè)吸附床之間的熱整合措施，熱能需求將減少47%；Jo等[55]表示兩個(gè)反應(yīng)器之間的熱整合有助于降低約0.5MJ/kg 的熱耗；而Wu 等[56]的研究結(jié)果顯示，該機(jī)組通過(guò)回?zé)醿H降低了0.2MJ/kg的熱耗，這表明該機(jī)組回?zé)嵫b置的效果需進(jìn)一步升級(jí)。因此在擴(kuò)大變溫吸附機(jī)組的規(guī)模時(shí)，需通過(guò)優(yōu)化管道布置，增加回?zé)嵫b置等以降低機(jī)組的運(yùn)行能耗。

圖10 解吸溫度對(duì)各部分比能耗的影響

3.2.2 真空壓力

吸附劑的吸附等溫線顯示，降低壓力可有效降低吸附劑對(duì)CO2的吸附量，因此在加熱結(jié)束后，通過(guò)真空泵的運(yùn)行降低吸附腔內(nèi)的壓力，可以使得吸附劑的再生更加徹底。圖11 顯示了吸附溫度為40℃、解吸溫度為100℃時(shí)真空壓力對(duì)機(jī)組性能的影響。從圖中可看出，當(dāng)真空壓力從0.03MPa降至0.015MPa時(shí)，CO2的純度上升幅度較小，而回收率則上升明顯，從75.72%升至92.44%。這是由于隨著真空壓力的降低，吸附劑對(duì)CO2的吸附量進(jìn)一步下降，對(duì)N2吸附量下降極少，致使回收的CO2量增多，N2占比下降，所以純度和回收率都呈上升趨勢(shì)。隨著真空壓力的降低，比能耗先降低后升高，而能源效率則與之相反。圖12 分析了不同真空壓力下各部分能耗的占比，從圖中可以看出，隨著真空壓力的降低，真空泵運(yùn)行能耗（e8）的占比一直增大，從6.78%大幅增至35.86%。所以增大吸附與解吸時(shí)的壓力變化幅度，可以有效增大吸附劑的工作容量，提升機(jī)組性能，但是過(guò)低的真空壓力使得真空泵的運(yùn)行能耗大幅上升，遠(yuǎn)超增長(zhǎng)的CO2回收量，進(jìn)而導(dǎo)致比能耗的上升，能源效率下降。

圖11 真空壓力對(duì)機(jī)組性能的影響

圖12 真空壓力對(duì)各部分比能耗的影響

4 結(jié)論

針對(duì)目前因缺乏可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方案所導(dǎo)致的變溫吸附碳捕集機(jī)組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性低的情況，提出了變溫吸附碳捕集機(jī)組的規(guī)范化實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案，并針對(duì)樣機(jī)規(guī)模的真空變溫吸附機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試，得到以下結(jié)論。

（1）機(jī)組性能的科學(xué)評(píng)價(jià)是技術(shù)發(fā)展的前提，這需要建立性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中測(cè)試工況、評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)據(jù)測(cè)量方法的制定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需根據(jù)技術(shù)發(fā)展需要、適用工作場(chǎng)景等因素科學(xué)設(shè)定，目前所建立的方案可執(zhí)行度高，可應(yīng)用于將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)進(jìn)一步放大的機(jī)組的測(cè)試。

（2）機(jī)組的測(cè)試結(jié)果顯示，該機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)容易控制，易于放大規(guī)模，但是能效相對(duì)較低，在3.5%～6.5%之間。通過(guò)調(diào)研其他文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組可通過(guò)增加回?zé)嵫b置、優(yōu)化解吸溫度、真空壓力等運(yùn)行參數(shù)來(lái)進(jìn)一步降耗提效。同時(shí)對(duì)標(biāo)分析結(jié)果顯示，機(jī)組內(nèi)的管道等部件損失的能耗占比30%～40%，所以在放大規(guī)模前需要解決優(yōu)化管道線路布置、提高吸附腔內(nèi)的換熱效率等問(wèn)題。

符號(hào)說(shuō)明

cp,i——組分i的定比壓熱容，MJ/(mol·K)

CCO2——?dú)怏w中測(cè)得的實(shí)時(shí)的CO2體積分?jǐn)?shù)，%

E，Eth，Eel——分別為機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的總有效能、熱能有效能、電能消耗量，MJ

ΔEx——分離前后氣體的?變，MJ

e——比能耗，MJ/kg

ex,i(T,p) ——組分i在某一狀態(tài)下的摩爾?，MJ/mol

——組分i的標(biāo)準(zhǔn)摩爾?，MJ/mol

Δex,i(T0,p0→T,p) ——組分i從環(huán)境參考態(tài)溫度T0與壓力p0變化到給定溫度T和壓力p下的?變，MJ/mol

Fads，F(xiàn)des——分別為吸附階段和解吸階段出口處測(cè)量的實(shí)時(shí)流量，L/min

Δhi(T0,p0→T,p) ——組分i從環(huán)境參考態(tài)溫度T0與壓力p0變化到給定溫度T和壓力p下的焓變，MJ/mol

M——CO2的摩爾質(zhì)量，kg/mol

m——回收到的產(chǎn)品氣中的CO2的質(zhì)量，kg

NCO2,ads，NCO2,des，NN2,des——分別為吸附階段進(jìn)入機(jī)組的CO2量、解吸階段回收到的CO2和N2量，mol

Q——消耗的熱能，MJ

Rg,i——組分i的氣體常數(shù)，MJ/(kg·K)

ΔSi(T0,p0→T,p) ——組分i從環(huán)境參考態(tài)溫度T0與壓力p0變化到給定溫度T和壓力p下的熵變，MJ/(mol·K)

Te，Ts——分別為環(huán)境溫度和熱源溫度，K

tads，tdes——分別為吸附階段和解吸階段持續(xù)的時(shí)間，min

xi——測(cè)量值

yi——組分i的摩爾分?jǐn)?shù)

——在環(huán)境參考態(tài)溫度T0與壓力p0下組分i的摩爾分?jǐn)?shù)

ηc——卡諾效率

ηp——純度

ηr——回收率

下角標(biāo)

ads ——吸附階段

des ——解吸階段