[發明專利]建立濕氣源碳捕集競爭吸附性熱力學評價框架及計算方法

在審

• 申請號: 202110349206.5
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113051764A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 鄧帥;趙潔;趙力;李雙俊;杜振宇;陳麗錦;吳開龍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京智橋聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 11560
• 代理人: 程小艷

本發明公開了一種建立濕氣源碳捕集競爭吸附性熱力學評價框架的方法，包括競爭吸附順序推演和主要熱力學驅動力的貢獻項分析。該評價框架通過確定目標吸附質、確定熱力學評價參數以完成多組分競爭吸附熱力學過程的吸附順序推演。其次建立了包括吸附焓變、吸附熵變、吉布斯自由能變的多組分吸附的熱力學評價參數判別表，完成對濕氣源下碳捕集技術中競爭吸附優先順序的熱力學角度判別。本發明還建立計算方法，并推導出具體的數學表達式。本發明填補了利用重要熱力學參數，吉布斯自由能作為競爭吸附過程的熱力學評價標準的空白，完善了計算流程與方法，為后續的競爭吸附行為研究提供重要的熱力學理論基礎。

技術領域

本發明涉及碳捕集技術的熱力學研究領域，尤其是在濕氣源下多組分吸附競爭性的評價參數領域與計算方法領域，具體為建立濕氣源碳捕集競爭吸附性熱力學評價框架及計算方法。

背景技術

二氧化碳與其他溫室氣體含量的不斷增加，是加劇全球變暖的人為因素中最主要的因素。全球性的溫度增量除了帶來海平面的上升，各種極端氣候事情的發生，譬如洪水、旱災、熱浪和颶風等，同時也會造成其他嚴重的后果。據悉，全球變暖導致的農作物減產、物種消失以及疾病肆虐愈發嚴重。

根據國際能源署(IEA)2℃，在《聯合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)第22屆締約方會議上宣布，到2040年碳捕集行業目標是每年捕集40億噸二氧化碳。碳捕集與封存(CCS)技術被普遍認為是未來大規模減少二氧化碳排放、減緩全球變暖的一種經濟、可行的方法。在二氧化碳的減排技術中具有十分明顯的優勢：1)CCS可以作為化石燃料向可再生能源過渡的一種中介措施，解決化石燃料時代的二氧化碳排放問題，同時為可再生技術的發展提供喘息的空間；2)CCS適應于大型密集型工廠，如二氧化碳火電廠、煤化工、鋼鐵廠等。具有運行穩定，安全系數高的特點；3)對于直接從空氣中捕集二氧化碳的技術，生物質CCS技術(BECCS)可以為大規模的負碳排放帶來希望。

CCS碳捕集技術的核心領域包括吸附劑材料的選擇。需要考慮的因素包括低廉的生產成本、較高的二氧化碳吸附性能、較高的熱穩定性以及水解穩定性。工業吸附中沸石材料常常被認為是吸附二氧化碳優勢材料的第一選擇。此外，一些納米多孔材料也同樣表現出較高的CO₂/N₂選擇性，良好的CO₂吸附容量，以及相較于傳統的胺溶液吸收更少的能耗需求，例如有機金屬框架(MOF)、分子篩陽離子交換沸石(CEZ)、多孔聚合物網絡(PPNs)等。然而基于納米多孔材料的CO₂物理吸附技術會受到水蒸氣的嚴重阻礙。

因為水蒸氣在許多工業氣流中，譬如工業煙氣、天然氣、生物燃料氣是一直存在的。典型的燃燒后捕集煙氣中，水蒸氣占比為5％_～7％，CO₂占比為80％_～85％。由于水分子相較于二氧化碳分子，具有強烈的極性，即使少量的水蒸氣也會造成吸附劑的CO₂吸附性能的降低甚至喪失。

研究CO₂與H₂O競爭吸附行為的評價指標目前多集中在CO₂/H₂O混合組分吸附等溫線，CO₂/H₂O吸附選擇性，CO₂工作容量等表觀形式。而對于CO₂與H₂O發生競爭吸附行為的機制分析從熱力學角度來看，主要受到吸附焓(也稱作吸附熱)的影響。在整個CO₂吸附過程中，關于其他熱力學評價參數，例如吸附熵、吉布斯自由能仍處于缺失階段，尤其是在濕氣源下CO₂與H₂O的競爭吸附研究中。造成該研究領域空白的主要原因是基于熱力學框架下的競爭吸附模型缺乏相對統一的評價標準，此外關于吸附過程的吸附熵與吉布斯自由能的全局計算方法復雜，并沒有形成一套完備的計算流程與數學表達形式以提供理論支撐。