近日，美國(guó)能源部（DOE）化石能源辦公室宣布在“碳捕集、利用與封存”計(jì)劃下資助7200萬(wàn)美元，支持27個(gè)碳捕集技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，旨在降低發(fā)電、工業(yè)領(lǐng)域化石能源使用產(chǎn)生的碳排放，確保美國(guó)能夠繼續(xù)利用其化石燃料資源獲得清潔安全的能源。本次資助項(xiàng)目聚焦兩大主題領(lǐng)域，包括：煤/天然氣煙氣中碳捕集的工程規(guī)模測(cè)試以及工業(yè)源碳捕集的初步工程設(shè)計(jì)；直接空氣碳捕集技術(shù)的創(chuàng)新研究和開發(fā)。主要內(nèi)容如下：
一、煤/天然氣煙氣中碳捕集的工程規(guī)模測(cè)試以及工業(yè)源碳捕集的初步工程設(shè)計(jì)
該領(lǐng)域?qū)⑼度?100萬(wàn)美元支持9個(gè)研發(fā)項(xiàng)目，具體包括如下子領(lǐng)域：
1、工業(yè)源的CO2捕集和壓縮（600萬(wàn)美元）：①設(shè)計(jì)一種從煉鋼廠高爐煙氣中捕集CO2的工業(yè)規(guī)模碳捕集系統(tǒng)，能夠捕集50%-70%的碳排放，以開發(fā)鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)；②采用基于吸附劑的燃燒后碳捕集技術(shù)，對(duì)水泥生產(chǎn)設(shè)施的碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行初步工程分析設(shè)計(jì)，以從水泥窯和天然氣蒸汽發(fā)生器的煙氣中去除CO2，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)捕獲能力達(dá)200萬(wàn)噸/年的碳捕集系統(tǒng)；③為水泥廠進(jìn)行初步工程設(shè)計(jì)，以使用基于膜的商業(yè)規(guī)模碳捕集技術(shù)，該技術(shù)此前已經(jīng)通過(guò)了小型工程規(guī)模的測(cè)試和研究；④用于林德蒸汽甲烷重整制氫工廠的林德-巴斯夫先進(jìn)燃燒后捕集系統(tǒng)的初步工程設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)將用于洛杉磯康沃爾特的制氫廠（世界最大蒸汽甲烷重整制氫工廠之一），實(shí)現(xiàn)從煙氣流中回收至少90%的CO2。
2、乙醇工廠的CO2捕集和壓縮（150萬(wàn)美元）：①進(jìn)行用于乙醇生產(chǎn)設(shè)施的混合碳捕集系統(tǒng)的初步工程設(shè)計(jì)，并評(píng)估改造乙醇工廠的費(fèi)用。將開發(fā)一種新型碳捕集系統(tǒng)，包括了生物處理過(guò)程中的碳捕集和壓縮，以及利用胺吸收技術(shù)捕集天然氣鍋爐產(chǎn)生的CO2，目標(biāo)是具備年處理20萬(wàn)噸CO2的能力。
3、天然氣煙氣的碳捕集測(cè)試（2600萬(wàn)美元）：①基于燃燒后碳捕集技術(shù)設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和測(cè)試工業(yè)規(guī)模的天然氣碳捕集工廠，將在加利福尼亞油田的實(shí)際條件下至少運(yùn)行兩個(gè)月的連續(xù)穩(wěn)態(tài)測(cè)試，收集數(shù)據(jù)以進(jìn)一步擴(kuò)大碳捕集規(guī)模；②天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠（NGCC）的煙氣流中示范具有增強(qiáng)穩(wěn)定性的低成本新型溶劑碳捕集技術(shù)，將設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行一個(gè)工程規(guī)模的試驗(yàn)系統(tǒng)，每天將吸收10噸CO2。
4、燃煤煙氣或煤和天然氣煙氣的碳捕集測(cè)試（1800萬(wàn)美元）：①燃燒后碳捕集的新型貧水溶劑的工程規(guī)模測(cè)試，將開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)有效的合成溶劑方法，在國(guó)家碳捕集中心進(jìn)行0.5兆瓦規(guī)模的測(cè)試，隨后進(jìn)行改進(jìn)以用于在煤和天然氣電廠煙氣中進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)在電廠全面部署進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析以及環(huán)境健康和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；②用于碳捕集的新型膜技術(shù)工程規(guī)模設(shè)計(jì)和測(cè)試，將設(shè)計(jì)和建造一個(gè)工程規(guī)模碳捕集系統(tǒng)，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行測(cè)試至少兩個(gè)月，收集數(shù)據(jù)以進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)DOE的新型碳捕集性能目標(biāo)，即以30美元/噸的成本產(chǎn)生純度達(dá)95%的CO2。
二、直接空氣碳捕集（DAC）技術(shù)的創(chuàng)新研究和開發(fā)
該領(lǐng)域?qū)⑼度?100萬(wàn)美元支持18個(gè)研發(fā)項(xiàng)目，具體包括：（1）使用新型結(jié)構(gòu)化吸附劑進(jìn)行DAC，設(shè)計(jì)建造和運(yùn)行一個(gè)捕集能力為30千克/天的DAC系統(tǒng)，在可再生能源發(fā)電廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，收集實(shí)際條件下新工藝和材料的運(yùn)行數(shù)據(jù)，用于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和生命周期分析；（2）開發(fā)用于DAC的先進(jìn)集成網(wǎng)狀吸附劑涂層系統(tǒng)，將金屬有機(jī)框架（MOF）吸附劑和吸附劑粘結(jié)劑漿液涂料相結(jié)合，用于空氣中的碳捕集；（3）開發(fā)和測(cè)試MIL-101(Cr)基吸附劑，以粉末形式存在于聚合物/MOF復(fù)合纖維中和整料表面；（4）示范連續(xù)移動(dòng)的DAC系統(tǒng)，對(duì)其特有的機(jī)械組件進(jìn)行原型設(shè)計(jì)并完善工藝，評(píng)估對(duì)材料壽命的影響，并進(jìn)行成本評(píng)估，確定關(guān)鍵性能指標(biāo)；（5）進(jìn)行DAC新方法的堿度波動(dòng)實(shí)驗(yàn)，將示范從空氣中直接捕集CO2并釋放至濃縮CO2環(huán)境中的新方法，該方法涉及低成本堿性水溶液堿度的變化；（6）開發(fā)用于DAC的高滲透性、超薄選擇性混合聚合物膜，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和過(guò)程模擬，研究膜性能（厚度、滲透性、選擇性等）和處理?xiàng)l件（溫度、壓力、濕度、氣體成分、流速等）的影響；（7）利用計(jì)算工具、材料表征和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測(cè)試來(lái)優(yōu)化吸附劑材料，以確定其在DAC運(yùn)行條件下的性能，與當(dāng)前最先進(jìn)DAC技術(shù)相比，將大大減少系統(tǒng)的能源需求；（8）設(shè)計(jì)、制造和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試直接從空氣中捕集CO2和水的系統(tǒng)；（9）開發(fā)用于DAC的可調(diào)、快速吸收的氨基聚合物氣凝膠吸附劑，該固體吸附劑將達(dá)到4毫摩爾/克的平衡吸收容量、0.15毫摩爾/克/分鐘的吸收速率，且其抗氧化性是最先進(jìn)的聚乙烯亞胺的7倍；（10）開發(fā)一種創(chuàng)新的吸附劑結(jié)構(gòu)，可以將胺吸附劑置于多孔電紡纖維中的分級(jí)納米多孔膠囊結(jié)構(gòu)中；（11）開發(fā)用于DAC的先進(jìn)固體吸附劑，將開發(fā)兩種不同的新型材料（MOF和含磷樹狀大分子），具有耐用、高容量、可再生等優(yōu)點(diǎn)；（12）擴(kuò)大DAC系統(tǒng)規(guī)模并整合已通過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的固態(tài)胺CO2吸附-脫附接觸器技術(shù)，最終目標(biāo)是在集成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中測(cè)試現(xiàn)有DAC材料來(lái)降低DAC成本，這些設(shè)備產(chǎn)生的CO2純度在95%以上；（13）開發(fā)高度多孔的膜吸附劑，含有親二氧化碳聚合物和自組裝無(wú)機(jī)納米籠，可通過(guò)無(wú)電太陽(yáng)能加熱和輻射冷卻快速變溫吸附，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的DAC；（14）開發(fā)用于DAC的低再生溫度吸附劑，該吸附劑為離子液體催化的胺摻雜固體吸附劑，可在80-90℃的解吸溫度下將CO2解吸速率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可將吸附劑再生所需的能量減少20%以上，具備利用廢熱進(jìn)行再生的潛力，同時(shí)可延長(zhǎng)吸附劑壽命/穩(wěn)定性；（15）結(jié)合最先進(jìn)的無(wú)水納米流體溶劑和靜電紡絲技術(shù)，開發(fā)用于DAC的下一代纖維包封納米混合材料，具有選擇性水排斥作用；（16）開發(fā)用于DAC的環(huán)境溫度下低真空變壓吸附的胺吸附劑，這一概念還可擴(kuò)展至從化工和天然氣工業(yè)的工藝流中分離酸性氣體和含硫氣體分子；（17）開發(fā)一種使用聚（芳基哌啶）（PAP）離聚物的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)式CO2分離裝置，將在環(huán)境條件下連續(xù)分離空氣中的CO2，還將對(duì)PAP離聚物中的CO2、碳酸氫鹽、碳酸鹽和氫氧化物的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和傳輸特性進(jìn)行表征；（18）開發(fā)一種用于DAC的增強(qiáng)型去極化電膜系統(tǒng)，與最先進(jìn)的DAC技術(shù)相比，可降低30%的能耗。
