将问题转化为解决方案

天然气是世界能源的最大贡献者之一，也是多种不同用途的可行燃料。天然气联合循环(NGCC)发电厂尤其是一种高效的系统设计，可能会继续提供长期的基本负荷电力。

然而，有一个问题。天然气是一种化石燃料，化石燃料使用的增加会在大气中释放更多的二氧化碳 (CO 2 ) – 这是气候变化的主要问题。

“随着越来越多的行业走向净零排放，高捕获率的碳捕获和封存对于在低碳未来中保留天然气是必要的，”波士顿大学机械工程和材料科学助理教授凯瑟琳·霍恩博斯特尔(Katherine Hornbostel)说。匹兹堡斯旺森工程学院。“随着间歇性可再生能源的扩张，天然气发电厂将不得不更频繁地在低负荷条件下运行。”

Hornbostel精通碳捕获技术，他带领来自西弗吉尼亚大学、托莱多大学和 AristoSys LLC 的研究人员团队开展了 ARPA-E 项目，对 NCGG 工厂的新型混合碳捕获设计进行了建模，该设计几乎达到净值-零排放。

他们模拟了一个连接到 NGCC 发电厂的混合碳捕获系统，该系统由膜系统和固体吸附剂系统组成。对于固体吸附剂系统，该团队模拟了填充有金属有机骨架(MOF)固体吸附剂的固定床吸收器，这些吸附剂吸收CO 2并使用来自发电厂的蒸汽进行变温解吸。

Hornbostel 的研究小组专注于优化该固体吸附剂系统的设计，发现最佳条件合理且适合集成到 NGCC 工厂中。他们相信，未来使用更适合直接空气捕获的固体吸附剂可以实现净零或净负CO 2排放。

尽管Hornbostel博士的研究小组专注于固体吸附剂系统设计，但整个项目团队共同努力对复杂的集成NGCC+膜+固体吸附剂系统进行建模和优化。该团队开发了一个集成系统，其中膜碳捕获系统首先处理天然气废气，然后是固体吸附剂碳系统。他们的模型表明，高负荷条件下入口天然气流的碳捕获率为 99.3%，低负荷条件下的碳捕获率为 99.6%。他们还发现，他们的混合系统比基准 MEA 溶剂碳捕获系统更具成本竞争力，后者在高 CO 2税的期货中捕获了 90%。

尽管他们的结果并未完全达到 100% 碳捕获(净零排放)，但 Hornbostel 相信，通过优化所选的固体吸附剂材料，他们的设计可以实现净零甚至净负排放。

“虽然我们未能实现净零排放，但令人鼓舞的是，我们已经接近零排放了，”霍恩博斯特尔说。“这是我们需要采取的步骤，以证明天然气可以成为脱碳未来电力结构的一部分。”

论文“NGCC 工厂使用 MOF 固定床吸收器进行柔性碳捕集”(DOI：10.1016/j.ccst.2023.1000170)和“采用膜和固体吸附剂捕集系统的天然气发电厂优化”(DOI：10.1016/ j.ccst.2023.100165)最近发表在爱思唯尔新期刊 《碳捕获科学与技术》上。

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