金敏硕|科南·阿兰·塞德里克·恩齐索|金仁惠|朴哲勋|赵成铉
全北国立大学化学工程学院、半导体与化学工程学院，全罗北道全州市54896
**摘要**
尽管直接空气捕获（DAC）是一种有前景的负排放技术，但其广泛部署仍受到高能耗和不利经济性的阻碍。本文提出了一种将DAC与氯碱（CA）工艺结合的新配置，称为CADAC系统。关键创新在于直接从CA工艺向DAC单元供应Ca(OH)2，从而消除了传统DAC配置中所需的能耗密集型煅烧-熟化循环。通过全面的技术经济性和生命周期评估来评价系统性能。经济分析结果表明，CADAC系统的年净利润率为1800万至3510万美元，比单独使用氯碱工艺（集成热交换网络）提高了62%至216%。在大多数评估情景下，DAC的平准化成本（LCOD）仍为负值，表明在捕获二氧化碳的过程中能够产生净收入。环境评估显示，与单独使用氯碱工艺相比，全球变暖潜力（GWP）减少了72.7%。当可再生能源电力占比超过总供应量的44.3%时，可以实现碳负排放操作，GWP值范围为每捕获1公斤二氧化碳-当量-1公斤二氧化碳-负3.15至-3.68公斤。敏感性分析表明，电价是影响系统性能的主要因素，LCOD对电价的敏感度约为对碳信用价格的13.6倍。CADAC系统在部分脱碳电网地区的近期工业规模负排放部署中表现出足够的经济和环境性能。
**引言**
自工业革命以来，化石燃料消耗的快速增长和经济发展导致二氧化碳排放持续增加[1]、[2]、[3]、[4]。因此，全球二氧化碳水平从工业化前的约280 ppm上升到近几十年的419 ppm以上，这在地质时间尺度上是前所未有的[5]、[6]。大气中二氧化碳浓度的升高已经显著提高了全球平均表面温度，并被广泛认为是当前气候变化的主要驱动因素[7]。这些趋势凸显了迫切需要减排策略和能够主动从大气中去除二氧化碳的补充方法[8]。因此，迫切需要开发一种可以从大气中去除二氧化碳（包括来自分布式排放源的二氧化碳）的DAC技术[9]。
DAC工艺分为基于液体溶剂的吸收方法和基于固体吸附的方法[10]、[11]，后者使用固体吸附剂[12]、[13]。基于吸收的DAC方法因其高捕获效率和可扩展性而具有前景[9]、[14]。该过程依赖于通过循环反应方案进行溶剂再生[15]：
- 吸收循环
- 钙循环
DAC所需的土地和水资源相对较少，使其选址灵活，并具有与其他系统和行业整合的高潜力[16]。Keith等人提出了一种基于吸收的DAC工艺，该工艺使用水性吸附剂与氢氧化钙回收循环相结合，报告的能耗为每吨二氧化碳8.81吉焦（仅使用天然气）或5.25吉焦（使用天然气和电力），基于运营和财务假设的DAC平准化成本（LCOD）在94至232美元/吨二氧化碳之间[11]。Pujol等人对集成尿素生产的基于吸收的DAC系统进行了技术经济评估（TEA），他们报告称，在乐观的部署和学习情景下，二氧化碳捕获成本可降至每吨二氧化碳154至263美元[10]。Kim等人研究了一种集成液化天然气（LNG）再气化的DAC系统，该系统利用冷能实现接近低温的二氧化碳捕获[12]。TEA表明，所提出的LNG-DAC配置的捕获成本可低至每吨二氧化碳68.2美元。Ghorbani等人研究了一种集成Allam循环的DAC系统，该系统通过超临界二氧化碳循环的热能和电力集成降低了DAC操作的能耗强度[17]。他们的分析表明，工艺优化和热能集成将特定能耗从3.19千瓦时/吨二氧化碳降低到2.21千瓦时/吨二氧化碳，同时实现了每年约0.99百万吨二氧化碳的捕获。Zhang等人对集成聚光太阳能（CSP）的DAC系统进行了TEA，并报告称，通过系统集成和多目标优化，LCOD比文献值降低了31.39%[18]。然而，DAC系统对热能和电能的需求很高，特别是与Ca(OH)2再生和二氧化碳压缩相关的部分。进一步将DAC整合到现有工业过程中对于解决这些限制至关重要。
**氯碱工艺**
氯碱工艺是一种成熟且广泛应用的碱性电化学方法，在盐水净化和废水处理过程中不可避免地会产生如Ca(OH)2和Mg(OH)2等碱性副产品[19]。在许多传统的氯碱设施中，这些碱性浆料利用率较低，通常被视为低价值废物，从而导致额外的处理和处置需求。由于盐水处置对环境的影响[20]、[21]，零液体排放（ZLD）变得越来越重要。在这种情况下，海水淡化后的废液是一种未充分利用的资源。因此，最近的研究越来越多地探索利用海水淡化废液进行二氧化碳封存，作为碳管理和资源回收的有前景途径。特别是富含Ca2+和Mg2+的废液流已被广泛研究用于直接二氧化碳矿化，从而形成稳定的碳酸盐产品，同时实现高盐度废水的价值化[22]、[23]、[24]。基于这一概念，电化学盐水利用作为一种先进方法出现，其中海水淡化废液用于生成增强二氧化碳捕获和矿化效率的碱性物质[25]、[26]、[27]。同时，基于盐水的反应性碳捕获（RCC）概念强调了使用盐水作为捕获和转化介质的潜力。最近的研究还扩展到了DAC领域，其中盐水介导的再生使捕获的大气二氧化碳直接转化为稳定的碳酸盐，减少了对能耗密集型解吸和地质储存的依赖[28]。
然而，尽管取得了这些进展，当前的研究大多仍然是零散的，通常仅关注使用浓缩二氧化碳流的DAC与替代再生或盐水电化学过程进行二氧化碳矿化，而没有将大气捕获、碱生成和矿化完全整合在一个统一的框架内。在这种情况下，所提出的集成CADAC系统代表了一个统一的框架，它将DAC与从海水淡化废液中原位电化学生成碱性吸附剂相结合，然后直接矿化为稳定的碳酸盐，从而克服了零散的方法，实现了同时进行碳捕获和资源价值化。这种整体整合通过直接利用氯碱操作过程中产生的富含Ca(OH)2的浆料，消除了对传统钙循环的需求，同时也实现了副产品如Cl2和H2的生成和价值化。此外，CADAC系统捕获的二氧化碳可以以矿化形式储存，减少了对能耗密集型二氧化碳压缩的需求。这种基于矿物的储存为那些传统地质碳捕获和储存（CCS）受到不利地质或地理条件限制的地区提供了另一种碳封存途径。这种整合通过材料再利用、工艺强化和减少下游能源需求提供了环境和经济优势。
**为了清晰地捕捉这种整合的效果，首先开发并评估了独立的DAC和氯碱系统，然后是集成配置CADAC。进一步实施了热交换网络（HEN）以提高能源效率。使用TEA和LCA以及对敏感性的分析，对这些系统的环境和经济性能进行了全面评估。**
**系统描述**
所提出的CADAC系统的工艺流程图如图1所示。整个过程包括DAC和氯碱部分。以下小节分别详细描述了每个部分。输入流的组成，即供应给氯碱部分的海水淡化废水和供应给DAC部分的环境空气，在表1中进行了总结。基于以下假设对所提出的系统进行了模拟：
** pinch分析和热交换网络设计**
盐水的净化和工艺副产品的处理涉及大量的加热和冷却负荷，从而导致总体公用事业需求较高。采用了一种系统的工艺集成方法，通过pinch分析和HEN设计来提高工艺的经济可行性，从而减少能源消耗。工艺集成是一种广泛采用的策略，旨在通过协调设计热交换器来提高整体系统效率，特别强调……
**所提出系统的质量和能量平衡**
CADAC系统的质量和能量平衡结果总结在表3中。该系统每小时处理383.37吨废液和14,231.97吨环境空气，需要60.33兆瓦的电力和330.91公斤/小时的补充NaOH（50 wt.%）。含有4,667公斤/小时Mg2+和4,737公斤/小时Ca2+的海水淡化废液通过两阶段pH控制的选择性沉淀处理，使用NaOH。在第一个结晶器中，添加了2,596公斤/小时的NaOH（32 wt.%）。
**结论**
在这项研究中，我们提出并评估了一种将DAC与氯碱工艺结合的新集成系统，称为CADAC系统。核心创新在于直接从氯碱工艺向DAC单元供应Ca(OH)2，从而消除了传统DAC配置中所需的能耗密集型煅烧-熟化循环。与以往通常单独研究二氧化碳捕获、盐水利用或电化学过程的不同，所提出的方法整合了全部价值……
**作者贡献声明**
赵成铉：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取。
朴哲勋：撰写——审阅与编辑、数据管理。
金仁惠：撰写——审阅与编辑、可视化。
科南·阿兰·塞德里克·恩齐索：撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法论、数据管理。
金敏硕：撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
**未引用的参考文献**
[54]、[55]、[56]、[57]、[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、[74]、[75]。
**数据可用性**
数据可根据请求提供。
**利益冲突声明**
☒ 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
赵成铉报告称获得了全北国立大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
