基于有机胺的化学吸收技术用于二氧化碳捕集的生命周期评估与多目标优化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Life cycle assessment and multi-objective optimization of CO? capture via organic amine-based chemical absorption

降低CO2捕集系统能耗与环境负荷的综合评估研究采用生命周期评价方法对比MEA、PZ及AMP/PZ三种胺吸收剂，结合七种工艺优化策略（包括热泵集成、溶剂分阶段、闪蒸压缩等），发现AMP/PZ和PZ在降低环境冲击（分别减少16.2%和24.9%）及运营成本（13.69%和21.60%）方面优于MEA，而MHP-IC工艺优化可使环境负荷降低46.0%。

　　

张宏娟|曹洋洋|马云兵|潘一博|李静颖|徐龙|马晓迅

西北大学化学工程学院，中国西安，710069

摘要

通过有机胺的化学吸收方法被认为是实现电力和工业领域大规模二氧化碳（CO₂）减排最成熟的技术。然而，其广泛部署受到高能耗和相关环境影响的显著阻碍。本研究进行了全面的生命周期评估（LCA），以识别整个CO₂捕集系统的环境热点和改进机会。评估了三种吸收剂：传统的单乙醇胺（MEA）作为基准，以及哌嗪（PZ）和2-氨基-2-甲基-1-丙醇/哌嗪（AMP/PZ）的混合物。此外，系统地研究了七种工艺优化策略：阶段间冷却（IC）、富溶剂分流（RSS）、贫溶剂闪蒸气压缩（LSGC）、使用蒸汽压缩热泵的脱除器顶部废热回收（OHR-HP）、结合热泵的阶段间冷却（IC-HP）、结合三级分流配置的阶段间冷却（IC-3S）以及与阶段间冷却集成 的多热泵系统（MHP-IC）。同时，结合成本分析和环境评估，对使用三种不同吸收剂的CO₂捕集过程进行了全面评价。结果表明，蒸汽和电力是环境影响的主要因素。与MEA相比，PZ和AMP/PZ分别将标准化环境影响降低了24.9%和16.2%，运营成本降低了21.60%和13.69%。在七种优化方案中，MHP-IC配置最为有效，实现了46.0%的环境负荷显著降低。本研究旨在从生命周期的角度为胺基CO₂捕集的商业化部署提供可行的见解和系统指导。

引言

在全球气候持续变暖的背景下，减少CO₂排放已成为人类面临的最紧迫挑战之一。2024年，全球能源燃烧和大规模工业过程的CO₂排放量达到了374亿吨[1]。CO₂捕集、利用和储存（CCUS）技术被认为是减少CO₂排放的最有效方法，其中CO₂捕集是第一步也是最关键的一步[2]。CO₂捕集技术主要用于发电、运输、工业过程以及住宅和商业建筑中化石燃料燃烧产生的大规模固定源CO₂。

目前，基于胺溶液（如单乙醇胺（MEA）的化学吸收技术是最有前景且应用最广泛的碳捕集技术[3]。然而，它仍然存在高再生能耗、低CO₂吸收能力和高运营成本的问题[4]。鉴于当前情况，迫切需要开发新的吸收剂并改进工艺技术，以显著降低再生能耗。为了系统地识别环境热点并提高CO₂捕集过程中的资源利用效率，生命周期评估（LCA）非常重要。作为一种全面的环境影响分析工具，LCA可以用来评估整个生命周期的环境影响，并进一步优化工艺[5]。许多研究人员关注了新型吸收剂的捕集性能特征[6],[7],[8],[9]。赵等人[10]表明，2-氨基-2-甲基-1-丙醇/哌嗪（AMP/PZ）混合吸收剂的吸收率高于N-甲基二乙醇胺/哌嗪（MDEA/PZ）混合吸收剂。江等人[11]通过结合试点工厂数据和Aspen Plus建模，比较了PZ、AMP以及AMP/PZ混合物与MEA吸收剂的性能。他们发现新吸收剂的再生负荷低于MEA吸收剂。然而，关于新吸收剂应用的环境影响的研究较少。Badr等人[12]比较了MEA、PZ和MDEA/PZ吸收剂，发现MDEA/PZ混合吸收剂的环境影响最低。因此，这种混合吸收剂作为一个有前景的新研究方向值得进一步探索。Oreggioni等人[13]开发了一个环境尽职调查框架，用于评估MEA和AMP/PZ吸收剂的LCA。结果表明，MEA吸收剂实现了约70%的气候变化潜力减排，而AMP/PZ混合吸收剂实现了略高的71%减排。另一方面，许多工艺优化研究也实现了节能并减少了环境负荷[14],[15],[16],[17],[18]。孟等人[19]研究了几种低能耗捕集系统，包括阶段间冷却（IC）、贫溶剂闪蒸气压缩（LSGC）以及使用蒸汽压缩热泵的脱除器顶部废热回收过程（OHR-HP）、结合热泵的阶段间冷却过程（IC-HP）。与未优化过程相比，优化配置实现了39.04%的节能。Cousins等人[20]提出了针对30% MEA CO₂捕集过程的优化策略，包括富溶剂分流（RSS）、热集成和蒸汽再压缩过程。Muhammad等人[21]集成了热泵，以回收脱除器顶部的冷凝热和吸收器之间的显热，从而提高了低温废热的质量。燃烧后捕集过程经过修改，包括吸收器间冷却、富溶剂分流和脱除器间加热过程，以减少能耗。这些优化显著降低了再沸器的负荷，并将能耗降低了约16%[22],[23],[24]。然而，上述研究主要集中在高效吸收剂的开发和节能工艺的改进上。尽管对吸收剂的LCA已经受到了一些关注，但在工艺优化方面仍存在显著的知识空白。在工艺优化方面，虽然对工艺和能源进行了改进，但对环境影响的评估相对不足。因此，仍需进一步探索不同CO₂捕集技术的环境影响性能。

为了解决这些现有问题，本研究对使用MEA吸收剂的CO₂捕集的化学吸收进行了详细的生命周期环境影响分析和优化。在此基础上，还研究了新开发的吸收剂（PZ和AMP/PZ混合吸收剂）的应用环境影响。此外，系统地评估并比较了七种优化工艺：IC、RSS、LSGC、OHR-HP、结合三级分流方案的阶段间冷却（IC-3S）以及与阶段间冷却集成 的多热泵系统（MHP-IC）与传统工艺配置。成本分析对于CO₂捕集技术也很重要。因此，本研究还简单全面地分析了使用三种不同吸收剂的CO₂捕集过程中的环境和运营成本。本研究建立了一个涵盖三种胺吸收剂和七种工艺优化方案的全面溶剂-工艺评估框架。通过采用CML2001方法进行环境指标评估，并结合运营成本分析，实现了“环境-能源-成本”的三维协同评估。该研究在确保系统完整性的同时，增强了评估的全面性和工程适用性。

过程描述

过程描述

以MEA为基准，对CO₂捕集的吸收剂和工艺进行了优化。相关过程如下所述。

方法论

本文使用LCA方法研究CO₂捕集过程的环境影响。评估遵循ISO 14040和14044标准[30],[31]进行。

使用MEA吸收剂的CO₂捕集过程的LCA结果

如图10所示，MEA吸收剂用于CO₂捕集的特性表明，蒸汽是环境影响的主要贡献者，占总影响的约80%。主要的环境影响来源于燃煤蒸汽生产，这会释放大量污染物。电力是第二大的环境影响因素，占所有六个类别的13-15%。目前，电力供应主要依赖于

局限性

在本研究中，未考虑设备折旧、维护和劳动力成本。此外，在运营成本分析中，设备折旧、维护成本和劳动力成本被归类为固定成本[53]。具体会计方法如下：设备折旧采用直线法，使用寿命为20年，残值为初始成本的5%。年度维护成本估计为初始设备成本的4%

结论

本研究采用LCA方法系统地评估了基于MEA吸收剂的CO₂捕集技术的生命周期环境影响。为两种新型溶剂（PZ、AMP/PZ）和七种工艺配置（IC、RSS、LSGC、OHR-HP、IC-HP、IC-3S和MHP-IC）制定了优化措施。使用MEA吸收剂的CO₂捕集的LCA结果表明，蒸汽消耗是主要的环境热点，其次是电力消耗。

CRediT作者贡献声明

马晓迅：写作 – 审稿与编辑。徐龙：写作 – 审稿与编辑、资金获取、数据管理。潘一博：研究、数据管理。李静颖：监督、资源协调、资金获取。曹洋洋：验证、数据管理。马云兵：数据管理。张宏娟：写作 – 初稿撰写、可视化、软件应用、方法论设计、正式分析、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了陕西省重点研发计划（2024SF-YBXM-575）、陕西省创新支持计划（2024RS-CXTD-53）和陕西省博士后科学基金（2023BSHEDZZ231）的支持。