物理和热力学的限制
而任何个人空气捕捉技术将面临大量的工程挑战,有两个基本因素使空气捕捉更困难比传统燃烧后二氧化碳捕获流程:首先,气流通过的能源和原材料成本吸收器,和第二热力学障碍由于低浓度的二氧化碳在空气中。在本节中,我们描述了物理约束一个理想化的空气捕捉系统对这两个因素。
没有下界通过吸收空气移动所需要的能量。空气可以任意移动所需要的能量低,如果通过吸收空气的速度趋于零。然而,有一种强烈的能源成本和资本成本之间的权衡的吸收器。随着流速趋于0,捕获率每单位吸收表面也将接近零;因此,尽管能源成本接近零,平摊的资金成本将接近无穷大。这是因为每个单元的速度获取二氧化碳吸收器结构趋于0但仍有一个有限的掩盖了资本要求其建设成本和维护成本的保持运营。任何实际的设计必须平衡所需的能源成本驱动空气通过吸收器对资本成本和维护。
如果我们做一个合理的——虽然不是普遍适用的假设,通过吸收二氧化碳的结构是层状流,然后通过吸收器所需要的能量驱动空气和捕获率都与这一事实有关,即为层流,二氧化碳的运输和动量扩散过程发生在一个固定的比率。
忽视因素的统一,取决于特定的几何图形,我们可以计算所需的能量压缩工作来捕获一个单位层流的二氧化碳吸收剂制成的一种物质,是充分吸收空气中的二氧化碳吸收速率受限于运输(呆有限)。在这些假设下,特定的能源单位二氧化碳,E
rpco2 D
空气密度p,速度V和运动粘度;和二氧化碳的扩散常数D,二氧化碳分压和摩尔分数r。空气密度与400 ppm标准条件二氧化碳的空气速度10 m / s,最低能量0.15 GJ / tCO2。
这个结果可以在物理上直观的方式思考一个包裹空气,穿过一个结构涂上一个完美的二氧化碳吸收材料。随着包裹,气体分子接触表面的扩散、转移动力表面和失去二氧化碳。当包裹旅行足够远,大部分的二氧化碳吸收它也将大部分初始动量转移到表面,这将是足以让包裹停止如果没有压力梯度保持流动。捕获所需的最小压降小组成气体在一个完美的层流吸收器是因此,命令统一,流速的滞止压力,也就是说,Apmin = 1/2pV2缩放比例的扩散率本身的比率相对动量或二氧化碳浓度及其传输系数。
热力学所需最小能量分离二氧化碳的空气自由能混合,
p是纯二氧化碳的最终压力,p0是最初的分压,R是理想气体常数和T是工作温度。(注意,这个公式忽略了空气的自由能的变化,当二氧化碳提取,~ 1%回调)。在20°C操作温度所需要的最低能量捕获大气中的二氧化碳在400 ppm和交付在一个大气压0.43 GJ / tCO2。
现在,考虑比较捕获二氧化碳从空气和燃煤的排气流l雷竞技 假设要交付的二氧化碳压缩形式适合管道运输在150酒吧的压力。这一过程捕捉空气中的二氧化碳,原则上,贸易成本的擦洗比例更大,空气中的二氧化碳的成本附加空气如果捕获的比例更小。在实践中,捕获的分数将取决于一个复杂的优化之间的资本和运营成本。假设一半的二氧化碳捕获二氧化碳,因此必须除去空气平均浓度约为300 ppm,过去分子捕获,最终浓度200 ppm。假设最坏的200 ppm要求所有的捕获、最低能量从200ppm,1条0.47 GJ / tCO2和最小能量消耗的压缩二氧化碳从1到150条0.28 GJ / tCO2总共0.75 GJ / tCO2。
大多数设计燃烧后捕获从发电厂假定至少90%的二氧化碳从废气必须擦洗代表15%二氧化碳的浓度。再一次,重要的是最低能量捕获二氧化碳的最后一点废气在1.5%或15 000 ppm的最低能量0.23 GJ / tCO2,计算相同的压缩成本1条,总最小能量提供它在150酒吧0.51 GJ / tCO2。
比较从空气和电厂尾气二氧化碳捕获,内在thermo-dynamic罚款由于起点较低,因此在空气中二氧化碳的浓度大约是两倍的如果产品是1条纯二氧化碳流和约1.5倍,如果产品是二氧化碳管道压力。这些比率接近1.0倍作为捕获二氧化碳的比例增加;然而,能源成本每吨二氧化碳的同时增加。朝这个方向的主要原因是建造和运营的可能性较小air-contacting设备因为不是空气必须被捕获二氧化碳的目标吨位。
在实践中,提出了设计空气捕捉和燃烧后捕集技术都是很长的路从热力学效率限制。水胺,最常考虑的方法燃烧后捕获需要约23 GJ / tCO2再生热量(联合国政府间气候变化专门委员会,2005;Rao et al ., 2006)和氢氧化钠的解决方案,我们正在探索空气捕捉有热力学最小2.4 GJ / tCO2再生能源。
物理限制,然而,一个重要的指南的发展能源技术(Keith et al ., 2005):
当然,这些热力学参数并不证明实际的空气捕获系统可以实现,也不是空气捕捉技术的性能可能接近thermo-dynamic限制在不久的将来。最终的热力学限制不过一个重要依据表明空气捕捉可以以相对低的成本来实现。从解放的纯金属氧化物内燃机的性能,电动马达和热泵,历史记录强烈支持这样的观点,热力学和其他物理限制作为一个重要的能源技术的长期性能指南。
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