3D印刷装置增强了二氧化碳排放的捕获

增强型二氧化碳捕获装置

由于在前向反应期间产生的热量,增强器件内的嵌入式冷却剂通道降低了柱温。信用:Michelle Lehman / Ornl,美国部门的能量

美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员设计并额外制造了一种新型铝制装置,可以增强对化石燃料工厂和其他工业过程排放的二氧化碳的捕捉能力。

减少热捕集温室气体等全球排放的解决方案,如CO2解决持续使用低成本,国内化石燃料资源,同时缓解潜在的气候影响。

Costas Tsouris和Eduardo Miramontes

2019年,Ornl研究人员Costas Tsouris和Eduardo Miramontes在吸收柱内部操作了加强装置,其中包含商业不锈钢包装元件。资料来源:Carlos Jones/ORNL,美国能源部

ORNL的设备集中在传统的用溶剂吸收碳的关键挑战上:这个过程通常会产生热量,从而限制了整体效率。通过使用增材制造,研究人员能够定制设计出一种多功能设备,通过去除多余热量,同时保持成本较低,从而极大地提高了工艺效率。

吸收,捕获CO的最常用和最经济的方法之一2,将烟道气流从烟囱与溶剂接触,例如单乙醇胺,称为MEA或其他胺溶液,其可以与气体反应。

该团队测试了这种新颖的圆形装置,它将热交换器与质量交换接触器集成在一个1米高、8英寸宽的吸收柱内,吸收柱由7个商用不锈钢包装元件组成。3d打印的强化装置安装在柱的上半部分包装元件之间。

添加剂制造使得可以在柱内具有热交换器,作为包装元件的一部分,而不会扰乱几何形状,从而最大化气体和液体流之间的接触表面区域。

“我们称该设备为强化的,因为它能增强质量转移(CO的量2从气体转移到液体状态),通过现场冷却,”Costas Tsouris说,他是ORNL项目的主要研究人员之一。“控制吸收温度对捕获二氧化碳至关重要。”

3D印刷强化设备

这种新型3d打印强化装置由铝材制成,并将热交换器和换质接触器集成到单个装置中,以加强二氧化碳的捕获。资料来源:Carlos Jones/ORNL,美国能源部

当CO.2与溶剂相互作用时,产生的热量会降低溶剂与CO反应的能力2。通过冷却通道降低柱子中的这种局部温度尖峰有助于提高CO的效率2捕捉。

“在设计3D印刷设备之前,很难将热交换器概念实施到CO中2由于吸收柱的填充元件几何形状复杂。有了3D打印技术,质量交换器和热交换器可以在一个多功能强化设备中共存,”ORNL项目首席研究员孙欣说。

在包装元件的波纹板内加入嵌入的冷却剂通道,以允许热交换能力。最终原型直径为20.3厘米,高度为14.6厘米,总流体容量为0.6升。由于其优异的可印刷性,高导热性和结构强度,因此选择铝作为强化装置的初始材料。

Costas Tsouris, Sun Xin和Eduardo Miramontes

ORNL的Costas Tsouris, Xin Sun和Eduardo Miramontes(图片摄于3月初)演示了3d打印的强化设备大大提高了二氧化碳捕获效率。资料来源:Carlos Jones/ORNL,美国能源部

“该装置也可以使用其他材料制造,例如新出现的高导热性聚合物和金属。随着时间的推移,奥诺伊州的领先制造研究员Lonnie Love,设计了一部分,如3D打印等加性制造方法通常会花费较少的时间,因为它需要更少的努力和传统制造方法。

该原型表明,它能够显著增强与胺溶液的二氧化碳捕获,选择胺溶液是因为其对CO的高度反应性2。结果发表在Aiche Journal.,Ornl研究人员进行了两种单独的实验 - 这是一个变化的合作社2- 占地气体流速和改变MEA溶剂流速的气流。实验旨在确定哪些操作条件将为碳捕获效率产生最大的益处。

这两个实验都产生了碳捕获率的显着改进,并证明捕获的大小一致地取决于气流速率。该研究还表明,捕获的峰值为20%的二氧化碳浓度,捕获速率的增加率为2.2%至15.5%,这取决于操作条件。

孙说:“这种3D打印强化设备的成功为进一步提高二氧化碳吸收效率提供了前所未有的机会,并证明了概念的可行性。”

未来的研究将集中在优化操作条件和器件几何形状,以产生额外的改善碳捕集吸收过程。

参考:“CO的过程强化2使用3D印刷的加强包装装置的吸收“由Eduardo Miramontes,Ella A.江,Lonnie J. Love,Canaia Lai,Xin Sun和Costas Tsouris,2020年5月30日,Aiche Journal.
DOI: 10.1002 / aic.16285

这项工作由Doe的化石能源办公室赞助。

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