燃烧后CO2捕集工艺中的促进传递膜研究：从材料到工艺的展望

工程7（2021）124研究绿色化学工程展望聚乙烯胺基促进传递膜燃烧后CO2捕集：从材料到工艺的何学忠a，ba挪威特隆赫姆N-7491挪威科技大学化学工程系b广东以色列理工学院化学工程系，汕头515063阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年10月29日修订2019年11月19日接受2020年11月13日网上发售保留字：促进传输膜中空纤维CO2捕集过程模拟A B S T R A C T通过气体分离膜捕获二氧化碳（CO2）由于其高能量效率、相对低的成本和环境影响而变得越来越有吸引力基于聚乙烯胺（PVAm）的促进传递（FT）膜是近十年来发展起来的一种CO2捕集膜.本工作讨论了将PVAm基FT膜从材料应用到发电厂和水泥厂燃烧后CO2捕集工艺的挑战。从中试示范系统中获得的经验可用于指导其他CO2捕集膜的设计。强调了组件和工艺设计在实现高性能膜系统中的重要性。此外，从过程模拟和成本估算的结果表明，三级膜系统是可行的，以实现高纯度的CO295体积%。具体的CO2捕集成本很大程度上取决于所需的CO2捕集率，50%的适度CO2捕集率代表了每吨CO2捕集成本63.7美元。因此，FT膜系统被认为是更有竞争力的部分CO2捕获。©2020 The Corner.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。1. 介绍为了应对全球变暖的严重环境问题，减少来自发电厂和能源密集型工业（例如，水泥、钢铁和炼钢厂）应实施。不同的CO2捕获技术，如燃烧后、燃烧前和富氧燃烧，以及从工业气体中去除CO2，已经被设计和证明[2]。其中，燃烧后CO2捕集被认为是改造现有工厂的可行解决方案目前，使用基于胺的溶剂的化学吸收的燃烧后CO2捕集被认为是最成熟的技术，并且已经大规模地实施[3]。近年来，人们一直在努力开发新一代和先进的溶剂，以降低整个捕获过程的能耗。然而，相对较高的环境影响和较高的资本支出（例如，吸收器）仍然挑战汽车的广泛实施电子邮箱：xuezhong. gtiit.edu.cn抓得好。基于离子液体溶剂[4，5]、固体吸附剂[6金属氧化物）[9，10]已被开发用于CO2捕获，具有潜在的成本降低效益。最近，人们对开发用于CO2捕获的固体吸附剂如金属有机框架（MOFs）[11]产生了极大的兴趣然而，固体吸收剂的CO2/N2相对较低的选择性阻碍了其放大[11]。气体分离膜已经用于空气分离（来自Air ProductsChemicals，Inc.），沼气升级（例如，Evonik SEPURAN® Green）和天然气体脱硫（例如，SeparexTM、Cynara®和Medal）[12];与其他技术（包括低温分离、化学循环工艺和吸附）相比，此类膜被认为是最成熟和最有前途的二氧化碳捕集选择之一[13]。在膜领域，人们已经做出了巨大的努力来提高不同CO2分离工艺的膜性能[14由含氨基官能团的聚合物制成的促进传输（FT）膜的开发受到了特别的关注。这些膜https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.11.0012095-8099/©2020 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engX. 他工程7（2021）12412532···S-DFT一CO2CO2CO2二氧化碳CO2二氧化碳CO2二氧化碳2基于CO2与官能团的化学反应产生的额外FT连接，呈现出高分离性能[19考虑到膜法CO2捕集技术的商业化，应设计节能、低成本的膜系统。此外，膜材料应在暴露于烟气中的SO2和NOx目前，仅几种类型的膜已经在中 试规模上被证明 用于 CO2 捕获，例 如膜技术研究公 司的Polaris®(MTR)，挪威科技大学（NTNU）的固定位点载体（FSC）膜（许可给空气产品和化学品公司），和PolyActive®膜[1]。应该注意的是，将膜从实验室带到中试规模的示范并不简单，很容易需要10-15年。例如，基于聚乙烯胺（PVAm）的FT膜最初是在2004年通过将薄的选择性层涂覆到平板聚砜（PSf）载体上而开发的[26]。从那时起，通过十年来对膜制备条件的优化，膜性能不断得到改善[19，20]。几个试点示范系统已在发电厂[27]和水泥厂[28，29]使用板和框架和中空纤维模块进行了测试。此外，通过暴露于高负荷的SO2进行耐久性测试，Deng等人[20]报道了超薄PVAm/聚乙烯醇（PVA）-共混FT膜，其具有显著改善的CO2渗透性能（图11）。①的人。这些膜表现出良好的CO2/N2选择性高达174和CO2渗透率0.58 m 3（STP）（m 2 h bar）-1通过混合气体渗透试验，2 bar和25 °C。应该注意的是，膜是在潮湿条件下测试的，据报道进料气体湿度对膜分离性能有很大影响[20]。在2013年，Kim等人[19]报告称，铸膜溶液的pH值对FT膜的性能有显著影响，因为质子化氨基（他们成功地从高pH值溶液中制备了实验室规模的膜（30 cm× 30 cm平板），一高得多的二氧化碳在1.1 bar时，渗透率为5m3（STP）·（m2·h·bar）-1。这些高性能PVAm基膜显示出从烟气中捕获CO2的巨大潜力，并在实际烟气中进行了测试[17，27其中，在真实烟气中测试了4.2m2的中试模块，以记录CO2通量对驱动力（分压差）的依赖性，如He等人[17]所报告的。他们的测试结果清楚地表明FT对CO2通量的显著贡献，特别是在低进料压力区域（即，低驱动力）。CO2渗透通量JCO是Fickian扩散和FT扩散的总和，可表示为[17]：200 ppm在实际烟气中进行，并且每-D D渗透液中CO2纯度大于60vol%的蒸馏水二氧化碳。CO2-C. c-c1C0-C0-C0-C1Hägg等人[29]报告了长时间测试的结果。然而，这些试点系统的测试结果表明，为了利用整个膜，2LJ¼PDp2;2;DpL2（二）;公司简介ð2Þ有效地分离气体重要的模块参数，如纤维直径、纤维长度和填充密度必须优化，以便设计高效中空纤维膜。其中DCO2和DCO2-C分别是Fickian和FT扩散的扩散系数;l是FT膜的选择层厚度;cCO，0和cCO，l是CO2浓度基于数学建模的光纤模块成为可能2 2[30]第30段。除了基于PVAm的FT膜之外，俄亥俄州立大学（OSU）的膜研究小组还报道了一种高选择性的含胺FT膜，其适于CO2/N2分离，具 有 1450 气 体 渗 透 单 位 的CO21GPU=10-6cm3（STP）·（cm2·s·cmHg）-1，其中STP表示标准温度和压力，1cmHg= 1.33×103 Pa），CO2/N2选择性大于150[31，32]。应该注意的是，他们通过使用COMSOL Multiphysics®[32]拟合实验数据进行的气体渗透率估计可能被高估，因为平均驱动力被显著低估。尽管如此，这些FT膜已被证明具有良好的性能，从真正的烟道气中捕获二氧化碳，虽然一个全面的过程的成本需要进行评估，以记录的技术进步。 因此，在这项工作中，从材料到模块和中试系统的设计和测试的PVAm为基础的FT膜的现状和挑战进行了讨论，并进行了一个三级FT膜系统的工艺可行性分析，以提供指导，设计一个有效的膜系统，从烟道气中捕获CO22. 促进传递膜基于PVAm聚合物的平板FT膜最初由NTNU的Memfo小组开发[33]，Kim等人[26]报道了其用于CO2/CH4分离的良好性能。研究了PVAm分子量的影响对于CO2通过膜的渗透是重要的，并且具有较高分子量的PVAm膜由于较长聚合物链的较低流动性而呈现相对较低的气体渗透性，但是具有高得多的选择性[26]。这些膜的CO2渗透率一般较低，为0.014m3（STP）·（m2·h·bar）-1（1bar = 1×105 Pa）。后来，cCO2-C;0和cCO2-C;l分别是进料侧和渗透侧的CO2-载体复合物的浓度;PS-D是CO2基于溶解-扩散（S-D）传输机制的贡献的渗透率。其他气体分子，如N2和O2，只能通过基于S-D机制的膜。这一FT贡献目前由部分实验中的压差，如PFTDpCO[17]。值得注意的是，FT贡献的CO2渗透率，PFT，是相当高的，在膜基质中存在大量的载体和水分子，它们有助于CO2反应。因此，高的表观CO2渗透率（PA）可以从方程获得（二）当分压驱动力非常低时。在相同的驱动力下，FSC膜的CO2通量比FSC膜高Fig. 1. PVAm基FT膜开发的时间轴。二氧化碳二氧化碳二氧化碳X. 他工程7（2021）124126一个普通的S-D膜[17]。因此，较低进料压力操作是优选的，以便PVAm基FSC膜实现高膜性能，并且可以避免用于压缩大量烟道气的高能量消耗。此外，较高的水含量（即，在给定条件下，原料气中的相对湿度较高），由于水分子在CO2与氨基官能团（-NH 2）的反应中起催化剂的作用，提高了CO2通过膜因此，在实际应用中应解决维持进料气体中的高水蒸气含量的挑战，以便实现高的膜分离性能。从工程的角度来看，增加驱动力（即，跨膜的分压）可以提高CO2通量，并且可以减少特定分离要求所需的膜面积。然而，太高的驱动力（压力）将饱和的载体，导致的CO2渗透率下降，由于较低的贡献从FT机制。另一方面，虽然较低的（压力）驱动力导致较高的CO2渗透率，总CO2通量由方程计算。（2）会更低。虽然这种膜已经被证明在实验室规模和工作台规模下具有用于CO2/N2聚合物纯度和分子量）。通过质量控制方法大规模生产PVAm是以低成本商品化FSC膜的挑战之一。3. 膜组件放大由Deng[34]设计的板和框架模块（图2（a））用于FT膜的实验室规模的气体渗透测试。该单元在其两个部分之间安装有圆形切割膜将多孔金属载体放置在载体膜底部的圆形边缘上，并将平片FT膜用橡胶O形环密封。预期该实验室规模的模块的效率将相当低，这是由于其基于错流模式的小的有效将板框式组件从实验室规模转移到小型中试规模是相当有挑战性的，这与组件内部的密封和气体分布有关Yodfat Engineers设计了一个膜面积为2 m2的试验性板框模块（图2（b）），用于在EDP发电厂[27]和Norcem水泥厂[28]进行测试中试结果表明，在膜组件内实现良好的气体分布是非常具有挑战性的，有效膜面积远小于估算的表观膜面积。因此，PSf中空纤维模块（由Air Products Chemicals，Inc.为了达到具有逆流模式的高模块效率。应该注意的是，在模块内部的PSf中空纤维上原位涂覆PVAm选择性层是相当具有挑战性的，因为涂布过程不能容易地从平板膜转移到中空纤维。尽管如此，4.2 m2PSf中空纤维膜组件（图2（c））最终成功生产，并进行了两种不同烟气中CO2捕集的测试[17，29]。尽管通过测试发现基于PVAm的FSC膜在中试规模下表现出良好的性能，但仍需要进一步研究控制涂覆组件的质量。中空纤维之间的空间非常小，并且基于方形间距模式估计为0.82mm[17]。因此，预期在PSf中空纤维的外侧上均匀地涂覆PVAm薄层内涂层可以在载体上提供更均匀的选择性层。然而，需要其他支撑膜，因为目前使用的PSf膜（超滤MWCO 50 K）具有它们自己的外部选择性层，并且内层的孔径太大，这使得难以涂覆薄的PVAm内层而没有显著的孔渗透。此外，对于壳侧进料，实验测得的壳侧和孔侧的压降分别为70和6.7毫巴，这表明它们的中空纤维模块的压降相当低。据报道，膜组件性能未优化，尽管记录了良好的膜材料性能，并发现其与实验室规模测试结果相当[17]。Chu等人[30]报告了中空纤维模块设计的数学建模，其结果表明中空纤维内径和长度显著影响孔侧的压降此外，模块填充密度可能对壳程中的压降具有很大影响。应该预期低压操作的压降（即，燃烧后碳捕获）将比高压情况下的那些（例如，天然气加工）。相对较低的绝对压降（例如，200毫巴）的压力会导致驱动力的大幅降低，从而显著增加所需的因此，未来的工作设计节能模块没有一个显着的压力下降，在进料和渗透侧是必不可少的，以提高模块的性能。降低CO2捕获成本的一个潜在解决方案可能是减少在高温下使用设计更好的模块（例如，在相同的选择性下获得更高的气体渗透率）;这是未来工作的工程挑战。4. 中试膜测试实例Yodfat Engineers公司设计和建造了一个量身定制的测试装置，并于2014年1月安装在Norcem经过长期的启动阶段，图二、（a）实验室规模[34]和（b）小型中试规模[27]的板和框架模块;（c）4.2 m2中空纤维（HF）模块[17]。X. 他工程7（2021）124127×·通过在进料管线中应用增湿器，用水饱和的进料气体进行了六个月的稳定操作。中试系统在整个系统正常工作的短时间内产生高达72体积%的高CO2纯度[28]。 据报告，稳定运行比预期更难实现，CO2渗透通量和纯度低于预期，并且由于测试时间相对较短以及影响测试的其他现象，难以确定耐久性和其他参数[28]。因此，2015年7月启动了第二阶段项目，以测试使用PVAm中空纤维膜的新试验系统。总膜面积为20 m2的三个模块安装在中试系统中，使用压缩机代替鼓风机，以提供改变进料压力的灵活性[29]。尽管压缩机的设计容量高达7 bar，但由于压缩大量烟气所需的预期高能耗，因此未在超过5 bar的高压下对系统进行测试。Hägg等人。[29]报告了在长时间测试期间，渗透侧的CO2纯度大于60体积%的稳定膜性能，如图3（a）所示。此外，在Tiller（Trondheim，挪威）的丙烷燃烧器工厂中，对另一个中试系统进行了测试，用于从烟道气中捕获 CO2，其中进料CO2含量低得多（约100%）。9.6 vol%）[17]。该中试系统通过改变工艺参数（如气体成分、进料流量以及操作压力和温度）提供了更大的灵活性。基于来自这两个中试系统的测试结果，发现PVAm基膜对于从具有较高CO2含量的烟道气（例如，水泥厂）比来自具有较低CO2含量的烟道气（例如，发电厂）。此外，如图所示，在相对较暖的温度下操作的膜系统呈现出较高的气体渗透性，而没有显著的选择性损失在图3（b）[17]中，其表明对于这样的系统，中等的操作温度是优选的。未来的工作测试膜系统在更温暖的温度是必要的，以提高膜系统的性能。然而，在较高温度下保持进料气流的高水蒸气含量而在整个系统中不冷凝是一个工程挑战。试点测试的主要结果[17，28]可总结如下：(1) 烟气预处理装置（例如，颗粒过滤器和增稠器）以保护膜单元。(2) 应避免冷凝器/冷却器后膜系统内的任何水冷凝，以保护所有仪器、控制器和压缩机，因为冷凝（酸性）水会导致硬件严重腐蚀，降低膜性能和寿命。(3) 如果膜材料可以耐受更高的温度，则为了使FT膜系统以高性能运行，优选中等的操作温度。(4) 模块和工艺的设计和优化对于在实际应用中实现高模块性能至关重要根据中试结果，使用PVAm基FT膜从烟道气中捕集CO2的技术准备水平（TRL）为5，到目前为止进行了评估;在进入全面实施之前，应进一步证明使用两级或多级膜系统进入TRL 6-7的同样，对于这种膜，应彻底考虑与级间再压缩和再加湿相关的工艺设计。此外，使用吹扫气体代替真空泵的配置可适用于降低能量消耗。5. 工厂规模膜系统设计与模拟5.1. 过程描述和模拟基础膜系统通常位于烟气预处理装置的下游，以便去除大部分杂质，如SO2和NOx[35]。烟气预处理装置（例如，颗粒过滤器和冷凝器）来保护膜单元。模拟了在进料流量为2.2 ×105 Nm3 h-1（Nm3为标准立方米）条件下，CO2体积分数为9.6%，N2体积分数为80.9%，O2体积分数为5%，H2O体积分数为4.5%的烟气在烟道气中，所有这些气体种类在分离中竞争。烟气中的高O2含量将使获得高纯度CO2具有挑战性，因为CO2/O2选择性通常较低（10[36]），并且可能无法以达到CO2压缩和管道输送的纯度要求。水在大多数FT膜中是至关重要的，因为它促进与中性氨基载体的反应，但是太多的冷凝水可能阻碍气体通过膜的传输。此外，如果水渗透性太高，则隔膜可能变得干燥（具有非常低的相对湿度），从而朝向渗余物侧中的出口的效率较低。因此，控制工艺条件以在整个膜区域保持进料气体中的高水蒸气含量是至关重要的。应该注意的是，没有为加热设定压降。尽管这通常为每步约10毫巴，但在换热器/冷却器中的压力仍然是最大的。任何压降都将导致压缩机的能量消耗增加（例如，每步60 kW然而，该值可以忽略不计，因为在膜模型内部设置了200 mbar的压降（孔侧进料[30]根据表1和表2中提供的模拟基础进行所有模拟。应当注意的是，高真空操作（例如，200 mbar）将拉动太多的水通过膜，使得可用于FT贡献的水分子少得多。这将导致图三. (a)中试系统的耐久性测试结果[29];（b）PVAm基膜的温度影响[17]。NL：正常升。X. 他工程7（2021）124128··¼2表1模拟基础。参数值烟气流量（Nm3·h-1）温度（°C）进料压力（bar）2.2× 105452烟气成分a（体积%）CO29.6N280.9O25.0H2 O4.5CO2纯度要求（体积%）95CO2捕集率（%）30–90a此处不包括SO2、NOx和飞灰等杂质低CO2渗透性（第一级膜）和低选择性，与在相对低真空下操作期间的那些相比350 mbar）（表2）。然而，在较低的真空度下，CO2通量将较低，这通常导致所需的膜面积较大对于所有模拟，水渗透率设定为CO2渗透率的10倍，这高于在2 bar进料压力下测试的H2O/CO2选择性5[17]。将CO2纯度设定为95体积%，用于储存或在下游工艺中使用。例如，捕获的CO2可以被压缩并运输到温室植物中，并用作液体CO2源，用于CO2捕获技术的有益实施值得注意的是，追求大于90%的非常高的CO2捕集率将显著增加CO2捕集成本[37]，并且在本工作中没有5.2. 工艺设计与模拟为了证明基于PVAm的FT膜用于燃烧后CO2捕集的技术经济可行性，设计了三级膜系统（图4）以完成分离要求。应该指出的是，具有这种膜性能的两级膜系统在合理的回收率下不能实现大于95体积%的CO2纯度将烟道气（F1）压缩至2巴并进料至第一级膜单元以预浓缩 CO2。 CO2捕集率的控制是通过调节膜面积来实现的，ADJ-1是HYDROGEN中的调节单位，1是第一级膜单位。P1的渗透气体（即，第一级隔膜单元中的渗透气流ADJ-2还用于控制CO2捕集率，而ADJ-3用于实现大于95体积%的CO2应该注意的是，分级切割对于实现CO2纯度和捕获率方面的分离要求至关重要[35];应通过调整工艺参数和膜面积来调整。将VP-2和VP-3的真空泵的渗透压设定为350 mbar（图4）。此外，对于每一级，将压降设定为200毫巴。第三阶段中的渗余物CO2浓度高于第二阶段的进料;这样做可以在必要时获得更高的CO2捕获率尽管控制进料气体中的水含量对于保持高的整体膜系统性能很重要在工艺模拟中进行了以下假设：在Tiller中试系统中获得的膜性能[17]用于模拟。压缩机、膨胀机和泵的效率假定为85%。● 选择ChemBrane中的逆流构型● 捕获的二氧化碳被压缩到110巴，用于管道运输，并可能用于二氧化碳储存或其他最终用户，如温室植物。每个阶段中的膜分离利用具有200毫巴的压降的单个膜组件。基于从实验室和/或中试规模实验中获得的气体分离性能数据（主要是气体性能和选择性），下一步是进行工艺模拟，以评估全规模燃烧 后 CO2 捕 集 膜 系 统 的 技 术 经 济 可 行 性 在 这 项 工 作 中 ， 通 过HYDRONIC与ChemBrane[38]集成进行烟气中CO2捕获的工艺模拟，以评估所需的膜面积和能耗。同时进行了成本估算，以评估经济可行性，并为进一步研究和开发提供5.3. 成本和足迹估算模型本工作中使用了文献中报告的成本模型来估算CO2捕集成本，并根据CAPCOST 2012程序计算了压缩机和膜装置的主要设备成本[39]。此外，考虑到用于大规模膜生产的较便宜的材料，采用35 USD m-2的膜模块成本，而膜垫木成本估计为价格适中，50 USD m-2膜表面积（包括将膜安装到模块和管道连接中的成本根据中试耐久性试验结果，估计隔膜寿命为5年年度资本相关成本（CRC）估计为基层成本的20%，包括折旧、利息和设备维护（对于膜装置，考虑到寿命较短，假设为30%）。值得注意的是，冷却单元操作对成本的影响可以忽略不计，因此未包括在内。（冷却塔通常建在工业厂房中（例如，发电厂 ） ， 并 且 在 膜 工 艺 中 使 用 的 冷 却 水 的 成 本 非 常 小 。 营 运 开 支（OPEX）主要根据驱动设备的电力成本估计具体的二氧化碳捕获成本（每吨二氧化碳美元）然后使用以下公式进行估算膜系统。提高第三阶段渗余物（R3）至1.5巴并再循环回第二阶段进料，一氧化碳捕获成本年捕获CO2ð3Þ表2用于模拟的膜性能膜级进料/渗透压力（bar）温度（°C）渗透率aCO2[Nm3·（m2·h·bar）-1][17]N2O212.0/0.2450.630.0180.0952 31.50/0.35402.180.0230.105假设H2O渗透率是CO2渗透率的10倍。●●●X. 他工程7（2021）124129··见图4。 三级膜法二氧化碳捕集系统工艺流程图。表3关键模拟结果。CO2捕集率（%）压缩机和泵的总功耗（kW）总膜面积（m2）占地面积（集装箱数量）CO2捕集流量（kmol·h-1）比能耗（GJe/吨CO2捕获量）30 9.84× 103 1.81× 105 4 282.48 2.8550 1.26× 104 3.79× 105 8 472.83 2.182019 -05-28 10：00：00 00：00100 2.03× 1041.35 × 106 29 847.71 1.96为了估计该膜系统的占地面积，采用了40 ft容器（12.2 m长）[29]（内部体积为67.5 m3），其中中空纤维模块的填充密度为2000m2 m-3。使用系数3来涵盖模块之间的歧管和阀门连接，以及每组膜模块的大总管因此，采用700 m2 m-3的表观模块包装密度为这种类型的容器。5.4. 技术经济可行性分析表3总结了压缩机总功耗和不同CO2捕获率（30%至90%）的总膜面积的关键模拟结果。可以看出，CO2捕集率的增加显著增加了所需的膜面积和压缩机的总功耗应该预计，增加的成本不会抵消增加的二氧化碳生产率.因此，膜系统对于具有低至中等CO2捕获率的场景更具经济可行性，这与Eschanaly等人报告的结果一致。[37]。此外，发现每吨捕获的CO2的比能高于我们先前工作中报告的结果[29，40]，这主要是基于所获得的总所需膜表面积，膜单元的占地面积估计为4还应注意的是，工作压力是根据本工作中的中试条件选择的。由于FT膜的性能依赖于操作参数，因此在没有不同测试条件下的实验数据的情况下不能简单地进行工艺优化。因此，取决于工艺条件的气体渗透率应为为进一步研究该膜的技术可行性，在今后的工作中获得。此外，值得注意的是，对于具有高O2含量的烟道气，CO2捕获过程更具挑战性，因为对于所测试的FT膜，CO2/O2可以预期，捕集的CO2中的O2杂质将相当低，特别是对于提高石油采收率（EOR）过程。因此，可以应用具有低温蒸馏的最终纯化。根据表3中列出的能耗和所需膜面积，估算了年度CRC、运行成本和特定CO2捕集成本（图5）。结果表明，CO2比捕集成本与CO2捕集率密切相关，追求高的CO2捕集率将大大增加CO2捕集成本，尤其是膜单元的投资成本。因此，建议适度图五. 成本对CO2捕集率的依赖性。X. 他工程7（2021）124130×表4仿真结果与文献的比较。（m2·h·bar）-1]CO2捕集率应应用于CO2捕集膜系统.在捕集率为50%时，FT膜的比捕集成本为每吨63.7美元还发现，估计的二氧化碳捕获成本（每吨二氧化碳63-这种差异主要是由于使用了基于特定条件下现场测试的更真实的膜性能（较低的气体渗透性和选择性）。此外，Hussain等人[41]报告了最低的二氧化碳捕获成本，每吨二氧化碳20.5美元通过使用两种不同的膜材料。应该指出的是，在Hussain等人的工作中，N2/CO2选择性膜仍处于早期研究阶段，没有提供CO2相对于O2和H2O的选择性，这使得难以比较结果。然而，他们报告的膜面积6.9 105m2的CO2捕集率与本工作中70%CO2捕集率下的结果非常接近。还应该预期的是，在其工作中使用的4巴的高进料压力需要压缩机的更高的操作和资本成本。因此，它们报告的费用较低可能是由于采用了不同的费用模式。应该指出的是，根据中试结果估算的CO2捕集成本仍然相当高，且成本竞争力低于胺吸收。然而，通过设计更好的膜组件和优化工艺条件，尤其是膜组件均匀性和操作温度，可以在一定程度上改善膜材料、膜组件和工艺性能。此外，设计的三级膜系统可以通过改变操作压力来进一步优化如果其他测试条件下的膜性能可用。此外，引入吹扫气可能是降低整个系统能耗的一种6. 结论和展望基于PVAm的FT膜被认为是一种有前途的气体分离膜，用于燃烧后CO2捕获。高膜材料性能归因于来自S-D和FT机制的组合的独特原位涂层的挑战被确定为中空纤维FT膜的升级，这应该得到很好的解决，以控制膜的重复性。未来的工作内涂层可能会提供FSC膜均匀和质量控制的选择性层。此外，设计节能的中空纤维模块，应该追求壳侧和孔侧以提高模块性能。目前PVAm基FTCO2捕集膜的TRL为5，在将这种膜投入商业应用之前，应采用两级或多级膜系统将TRL提高到6-然而，应充分考虑与级间再加湿相关的工艺设计基于过程模拟和成本估算，发现PVAm基FT膜使用三级膜系统可以实现95vol%的高CO2纯度CO2捕集成本主要取决于所需的CO2捕集率.追求很高的CO2捕集率将大大增加捕集成本，这可能导致在与最先进的胺技术的竞争中失利因此，建议采用FT膜系统进行部分CO2捕集.尽管基于过程模拟的CO2捕集成本仍然较高，但今后的研究重点应是通过优化膜组件设计、工艺设计和操作条件来提高膜系统的性能，以增强膜捕集技术在燃烧后CO2捕集中的竞争力。确认作者感谢挪威研究委员会通过CO2Hing项目（#267615）资助这项工作，并感谢挪威科技大学化学工程系开展这项工作。引用[1] He X.综述了碳捕集领域的材料发展以及膜基工艺在发电厂和能源密集型工业中的应用。能源维持学会2018;8（1）：34。[2] He X，Yu Q，Hägg MB. 二氧化碳捕获。In：Hoek EMV，Tarabara VV，editors.膜科学与技术百科全书。霍博肯：约翰威利&父子公司; 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