近日，华中农业大学工学院晏水平教授团队在Chemical Engineering Journal上发表题为“Techno-economic assessment of waste heat recovery enhancement using multi-channel ceramic membrane in carbon capture process”的研究论文。该研究在CO2化学吸收系统中，创新性地引入陶瓷膜跨膜冷凝器，用于回收解吸塔顶热解吸气的余热，通过解吸气中水蒸气的热质耦合传递，实现了解吸气余热的高效回收，从而降低了CO2解吸热耗，为低能耗碳捕集过程提供了一种新途径。
CO2化学吸收法具有技术成熟、CO2分离效率高等优势，是目前从烟气、沼气等气体中分离CO2的可商业化技术之一。但CO2化学吸收法存在富CO2吸收剂溶液热解吸能耗高的关键瓶颈问题亟待解决。CO2化学吸收系统中的解吸塔顶排放的热解吸气主要由水蒸气和CO2组成，具有较大的潜热，如能高效回收此部分余热，将会有助于系统解吸能耗的降低。目前大多采用传统的钢制换热器中，用分流的富液回收热解吸气的余热，回收效率较低。
基于陶瓷膜跨膜冷凝器强化解吸气余热回收的CO2化学吸收法工艺流程图
该研究中，该团队创新性地引入了亲水性纳米陶瓷膜跨膜冷凝器来替代传统的钢制换热器，用于热解吸气余热的回收。在余热回收中，由于解吸气中水蒸气的热质耦合传递，陶瓷膜跨膜冷凝器可获得比钢制换热器更高的余热回收性能。该团队还解析了陶瓷膜跨膜冷凝器内的热质耦合传递机制，发现解吸气所携带的余热主要由陶瓷膜的导热进行传递，而由水和水蒸气传质所引发的对流换热量可占总热量的20%左右，且其主要由传质的水蒸气在富液侧直接冷凝所释放的潜热决定。
工学院博士研究生涂特为论文第一作者，晏水平教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费专项基金的资助。
该研究团队还进行了不同孔径下商用多通道陶瓷膜换热器的参数研究和经济性分析。结果表明多通道陶瓷膜孔径越大，水传质通量越低，但传热通量越高，且其最大降耗潜能可达1423 kJ/kg-CO2。经济性分析显示，在现有膜材料下，采用陶瓷膜跨膜冷凝器进行余热回收时，可将CO2捕集成本降低约2.73美元/t-CO2，且随着膜材料创新和膜成本降低，CO2捕集成本降幅将更大。系列研究成果已陆续发表在Environmental Science & Technology, Journal of Membrane Science, Chemical Engineering Journal, Separation and Purification Technology, International Journal of Greenhouse Gas Control等国际期刊上。
