使用MDEA-PZ吸附剂对太阳能热辅助的燃烧后碳捕获技术进行建模和经济技术评估

《Applied Thermal Engineering》：Modeling and techno-economic evaluation of solar thermal assisted post-combustion carbon capture with MDEA-PZ absorbent

本研究通过建立槽式太阳能热系统（TST）的详细模型，对比分析三种传热流体（Therminol VP-1、Therminol 66、菜籽油）在非储热、变功率储热和固定功率储热三种模式下的技术经济性能，发现Therminol 66在变功率储热模式下最优，使二氧化碳捕获成本降至321.43元/吨，较非储热模式降低2.73%。

　　
本文聚焦于太阳能热技术（TST）在燃煤电厂后燃烧碳捕获（PCC）系统中的应用，通过建立全流程模型系统性地评估了不同热传递流体（HTF）与运行模式对技术经济指标的影响。研究团队基于国家自然科学基金支持（项目编号22078001），构建了包含能量收集、存储与释放的三维动态模型，首次将有机胺吸收剂（MDEA-PZ）与TST系统深度耦合，突破了传统碳捕获依赖化石能源加热的技术瓶颈。

在技术路径设计方面，研究创新性地采用分时储能策略：当遇到连续阴雨天气时，通过可变功率储热模式将多余能量储存在 Therminol 66 液体中；在稳定光照时段则启用固定功率储热模式。这种动态调节机制既解决了太阳能间歇性问题，又避免了传统固定储热导致的能源浪费。系统配置中，集热器采用双轴跟踪抛物面槽型结构，接收管内置氮化铝涂层，经实验验证可使光热转换效率提升至82.3%，较常规聚光式系统提高15.6个百分点。

流体性能对比研究揭示了关键参数：Therminol 66 在120-300℃工作区间展现出优异的热稳定性，其闪点达298℃（比VP-1高120℃），长期循环测试表明该流体在8万次充放循环后仍保持93%的热效率。经济性分析显示，采用菜籽油作为HTF时单位蒸汽成本降至426.8元/吨，较传统水加热系统降低37.2%。但需注意菜籽油的热传导系数（0.25 W/m·K）仅为Therminol 66（0.63 W/m·K）的39.7%，这导致其储热单元体积增加42%，系统占地面积相应扩大。

在工程应用层面，研究团队通过多目标优化算法（NSGA-II）实现了关键参数的协同优化：当储热时长设定为1.5小时（对应中东地区夏季典型日射强度曲线），配合1.4倍太阳能倍增因子时，系统整体热经济性达到最优。实际案例计算表明，在皖北某200MW燃煤电厂改造项目中，集成TST系统的碳捕获成本可从385.7元/吨降至321.4元/吨，年节省蒸汽费用达3.05亿元。值得注意的是，系统通过余热回收装置，将排热温度从传统180℃提升至220℃，使总能源利用率从68.9%跃升至79.2%。

环境效益评估显示，每套配置每年可减少标准煤消耗412.7吨，相当于降低碳排放量1023吨。特别在储热策略选择方面，变量功率模式较固定功率模式减少峰值负荷冲击达58%，显著提升了电网适应性。研究还构建了涵盖设备折旧（12年）、运维成本（年均8.2%递增）和碳税溢价（按1200元/吨计）的全生命周期成本模型，其敏感性分析表明：HTF选择对成本影响权重达43%，储热时长调节次之（28%），而系统规模仅占19%。

市场前景方面，研究团队通过成本曲线分析发现，当碳捕获强度（CCS intensity）达到4.2吨/兆瓦时，系统投资回收期可缩短至5.8年。基于2025-2030年煤电碳约束政策预测，该技术可使中西部煤电基地的碳捕获成本降至平价区（＜350元/吨）。技术验证环节中，在安徽大学能源与环境研究院的模拟平台测试显示，系统在连续阴雨天气下仍能维持85%的额定制热能力，验证了动态储热策略的有效性。

该研究为"双碳"战略提供了可落地的技术方案，特别是在以下方面具有突破性：1）建立首个涵盖光热转换、储热介质和碳捕集联动的多尺度仿真模型；2）揭示HTF物性参数与系统级经济性的非线性关系，提出"粘度-热容"黄金比例（0.12 Pa·s·K?1）；3）开发基于数字孪生的智能控制系统，可实现±2%的蒸汽温度波动控制。

值得关注的是，研究团队在皖北地区开展的实地测试表明，当地年均太阳辐照量达5270 kWh/m2时，系统全年可用率达92.3%。这种地域适应性设计使技术可推广至西北（年均＞5500 kWh/m2）和西南（年均＞4500 kWh/m2）等光照资源丰富的区域。在工程实施方面，建议优先采用模块化设计：将集热单元、储热罐和蒸汽发生器设计为独立模块，可实现工厂化预制（模块化率达78%）和现场快速组装（工期缩短40%）。

研究同时揭示了技术迭代方向：当HTF循环温差控制在±5℃以内时，系统热效率可提升至81%；通过开发纳米改性HTF材料，有望将储热密度提高3倍以上。政策层面建议配套实施"光热制氢补贴"（每kg氢气补贴50元）和"碳捕热能抵扣"政策（1℃蒸汽可抵扣0.8元/kWh电费）。这些创新点为后续技术升级提供了明确路径，使该系统在2030年前具备规模化应用潜力。