Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

水泥是现代世界的隐形骨架，是支撑我们城市的材料。然而，制造水泥的过程是全球变暖的主要贡献者之一。当石灰石被加热以制造水泥时，会释放出大量的二氧化碳，这是一种会将热量困在地球大气中的温室气体。为了阻止这一现象，工程师们已经开发出了在气体逃逸到天空之前将其捕获的方法。其中一种最可靠的方法涉及用一种特殊的液体清洗废气，这种液体可以吸收二氧化碳。然而，这种液体最终会变得“饱和”，需要经过清洗才能再次使用。清洗过程需要大量的热量，通常超过了工厂所能提供的剩余热量。如果工厂找不到足够的足够热量来清洗液体，碳捕集系统就无法高效工作，从而导致污染问题无法解决。

与此同时，一旦二氧化碳被捕集，就必须将其转化为液体以便运输储存。这种转化过程需要将气体冷却到极低的温度。在此过程中，用于冷却气体的机械设备会产生大量的废热，这些热量通常会被直接排放到空气中。这造成了一个令人沮丧的悖论：工厂需要热量来清洗液体，但准备气体进行运输的过程却恰恰丢弃了它所需要的热量。挪威科学技术大学和SINTEF能源研究中心的科研人员提出了一种解决这一难题的方法。他们建议将冷却系统与加热系统连接成一个巧妙的循环，将废弃物转化为有用的资源。

该团队专注于水泥厂中使用的一种特定设置，即捕集二氧化碳并随后将其液化的过程。在这一过程的标准版本中，气体使用依赖于氨（一种常见的工业制冷剂）的制冷循环进行冷却。当氨从二氧化碳中吸收热量以使其降温时，氨本身也会变热。在典型的工厂中，这种变热的氨通过向周围空气释放热量来进行冷却，这本质上是将它刚刚吸收的能量白白浪费掉了。研究人员提出了一个简单的问题：如果我们不丢弃这些热量，而是将它们用于清洗捕集碳的液体，会发生什么呢？

为了实现这一目标，他们设计了一个类似于“热电梯”的系统。他们在现有的氨设置中增加了第二个循环，使用一种名为戊烷的不同流体。来自冷却循环的温热氨将其热量传递给戊烷。这些热量足以使戊烷沸腾并转化为气体。当戊生成的戊烷气体被压缩时，它会变得更加炎热。这种过热的戊烷随后被送往工厂中需要清洗碳捕集液的部分。在那里，它释放出热量，使液体升温，从而使捕捉到的二氧化碳释放出来，以便液体可以重复使用。随后，戊烷冷却下来，重新变为液体，并准备好吸收更多的热量，从而形成一个持续的循环。

研究人员使用复杂的计算机模拟来测试这个想法在现实场景中的效果。他们模拟了一座每年捕集一百万吨二氧化碳的工厂。他们的计算表明，这个新系统可以成功回收很大一部分清洗液体所需的能量。具体而言，如果液体需要标准量的能量进行再生，该系统可以提供总热量需求的22%。如果工厂使用的是一种更高效、所需热量更少的液体，该系统甚至可以覆盖高达34%的需求。这意味着工厂将需要燃烧更少的燃料来产生蒸汽，从而节省成本并减少进一步的排放。

研究还调查了运行该新系统所需的泵和压缩机消耗了多少能量。虽然增加额外的循环确实需要一些额外的电力，但整体平衡是积极的。研究人员发现，该系统在将所做的功转化为有用热量方面效率极高。在他们的模拟中，该设置的效率达到了57%以上，对于一个同时承担冷却气体和加热液体两项任务的系统来说，这是一个很强的表现。这明显优于标准系统，后者仅负责冷却气体并浪费热量。团队发现，当二氧化碳在冷却前被压缩到特定压力时，该系统运行效果最好，这一细节使得热回收能在合适的温度下发生。

该方法的一个关键优势在于它不依赖于天气或工厂所在地。在世界许多地方，水泥厂很难找到废热，因为原材料是潮湿的，需要干燥，这会消耗掉所有的热能。在这些潮湿的气候条件下，从工厂其他部分“窃取”热量的常规方法往往会失败。然而，这个新系统会在需要的地方直接生成自己的热源，利用冷却过程本身产生的能量。它将冻结二氧化碳的行为转变为加热清洗液的方式，有效地回收了原本会流失的能量。

研究人员承认，建造这样一个系统需要比标准工厂更大、更强大的压缩机，这是一个重大的工程挑战。机械设备需要高效处理戊烷流体的流动而不浪费能量。他们还指出，尽管其结果是基于计算机模型，但设计背后的物理原理是可靠的，并基于成熟的热力学原理。研究表明，通过为现有的碳捕集工厂加装这种双循环系统，可以成为一条可行的路径，特别是对于那些缺乏其他废热来源的设施。通过将工厂的冷却需求与加热需求相联系，这项技术提供了一种让碳捕集过程不再那么耗能且更具实用性的方法，有助于将主要的污染源转化为解决方案中可控的一部分。