碳捕集技术能效极限的模型与案例分析

能效评价模型和指标的建立有助于推动碳捕集技术节能降耗工作的深化。以碳捕集技术的能效极限为研究对象,基于有限质容和无限质容化学泵模型提出了适用的计算方法,并以凝华法捕集为典型对象展开了案例研究。结果表明:尽管分离模型和有限质容化学泵模型提出的背景和图像不同,但两者在热力学近理想意义上呈现一致,其理论极限能耗计算值相等,且数值大于无限质容化学泵模型(即理想模型)的计算结果。这证明了将分离模型用于碳捕集理想能耗值测算会计及源汇两侧的不可逆性,与探索理想性能"天花板"所对应的物理化学情景并不严格相符。     

用于乡村公共卫生安全的多功能气调机

新冠疫情爆发揭示了世界范围内公共卫生安全领域存在的艰巨挑战,尤其是公共基础设施弱、公共卫生安全意识薄弱的乡村地区。本文面向乡村防疫的特性需求,基于气固吸附和固载二氧化氯技术,开发了一种兼具灭菌、驱虫和富碳施肥的新型气调机装置。机组采用四床变电吸附（ESA）碳捕集与变压吸附（PSA）制氮循环结合的方法,对CO2和N2进行富集;同时,将固载二氧化氯应用于吸附剂中,实现一定强度的杀菌效果。基于测试数据和模拟模型,对碳捕集循环中吸附和解吸温度的温差、制氮循环中出口流速和吸附压力对该气调机的分离性能（回收率、纯度、生产率）和能效性能（比能耗、最小分离功、第二定律效率）的影响进行分析。结果表明：CO2的回收率、纯度、生产率均随温差的增大而升高;N2的纯度随出口流速的增大而降低,随吸附压力的增大而升高;N2回收率和生产率随出口流速和吸附压力的升高均呈现上升的趋势;系统比能耗随吸附压力的升高而升高,随温差和出口流速的增大均呈现降低的趋势;第二定律效率呈现与比能耗相反的变化趋势。模拟结果显示：当温差为105 K,出口流速为0.01 m/s,吸附压力为1 MPa时,CO2和N2纯度均达到最大值,体积分数（VOL）分别为80.6% 和97.05%,此时系统比能耗为2.13 MJ/kg,第二定律效率为4.71%,能效性能处于较好水平;即使在其他操作条件下,CO2纯度普遍高于60%VOL,N2纯度普遍高于95%VOL,系统其他性能参数均可达到较高水平。     

微藻光合固碳效能研究:进展、挑战和解决路径

微藻固碳被认为是一种环境友好性较高的碳捕集技术,但其规模化发展遇到生产率低的瓶颈问题。为突破这一技术障碍,需要从机理层面深入研究微藻光合固碳的效能问题。本文围绕这一问题,首先综述了学界在生物特征、反应特征和效能特征3个层面的代表性研究,评述了技术发展趋势和局限性。其后,针对效能研究的跨学科特点,对3个主要挑战展开概述,并以典型制约因素的归纳展示了效能研究在方法论层面的复杂性。最后,为应对微藻光合固碳效能研究中的核心挑战,提出了对效能问题的再认识、跨学科特征的再把握和技术框架的再设计3条解决路径,并对涉及的关键技术进行了梳理,讨论了多学科和多尺度下、研究内容的串联和融合对效能研究的突破性意义。     

变温吸附碳捕集系统能效性能实验研究

燃烧后CO₂捕集技术（PCC）因易于与既有电厂结合而被认为是一项减少二氧化碳排放的重要技术。化学吸收、吸附和膜分离是PCC的主流技术。在CO₂吸附技术类中，变温吸附（TSA）是一种有效的吸附方法。近年来，TSA技术的能源消耗和能源转换效率问题成为人们对其大规模部署的关注焦点。然而，大多数的研究都是将数学模型和仿真方法应用于TSA的性能评估，缺乏足够的实验研究支持。为了对TSA系统的能源转化效率进行实验分析，开发了一套四步法TSA系统，能效性能是基本分离性能外的主要考察指标。实验采用沸石13X-APG作为吸附剂材料，根据实验测得的两组吸附等温线，计算了CO₂/N₂的吸附选择性系数。通过进气CO₂浓度、解吸时间、吸附温度和解吸温度对纯度、回收率、单位能耗和第二定律效率的影响分析，得到了4组实验结果。结果表明，第二定律效率的范围为3.24%～9.23%，回收率和纯度最高分别为83.97%和94.70%。解吸温度和进气CO₂浓度的升高，吸附温度的降低有利于分离及能效性能提升。延长解吸时间有利于分离和能效提升，但过长的操作时间反而使得效果变差，这会对工程中的运行策略优化产生积极的指导意义。     

热力学碳泵：角色、模型与案例分析

制约碳捕集技术发展的瓶颈之一在于能耗过高,而现有碳捕集能效分析的方法论与适用模型并未从能源转换的共性机制层面揭示碳捕集理论能耗的"天花板"。因此,也较难像热力学经典概念热机、热泵及其衍生研究框架一样,从"理想与现实之间的不可逆性"这一思考原点出发,探索节能降耗的新机制与新途径。从碳捕集中能源转换的普遍特性出发,提出了热力学碳泵这一概念,首先对其在既有碳捕集研究体系中的辅助角色进行了论述,其后建立了基于热力学观点的模型并展开案例分析,最后与既有混合气体分离模型进行了异同讨论,阐述了两者的互补性。对热力学在面向新型工业应用情景下的能效分析进行了可供参考的尝试。     

微藻固碳效能研究进展：关于能量转换的生物本征

微藻光合固碳可看作生物学机制下太阳能与化学能的能量转换过程,对其能量转换生物本征特性展开研究有利于从本质上揭示并把握微藻高效固碳机制,探索提效增质的新途径与新方法。本文首先对近年来分散在不同学科的代表性研究进展进行了综述,重点关注机制与理论、量化计算方法两方面。其次,对该领域研究挑战中代表性问题进行了归纳,并从中提炼了在能量转换和自由能耗散机制方面的制约因素。再次,探讨了热力学在解决挑战中可以扮演的角色,主要从机制与理论、工作框架与方法角度对可能的解决方案进行了讨论,并从交叉研究角度对近年来代表性成果的贡献进行了回顾。最后,对所涉及的基因组学、微量热实验和数据采样方法等关键支撑技术进行了梳理,对基于热力学约束的代谢网络研究进行了展望。