重型卡车碳捕集技术研究

参考资料:Yujia Pang,et al.CO,adsorption captureforheavydutytrucks.Performanceanalysisandstandardizedevaluation[]]Fuel2026,404.136161 整理推荐：中国化工学会烃资源评价加工与利用专委会田松柏 目录 02紧型TSA装置设计03热工设计与优化 01研究背景与意义 04系统性能验证 07技术对比与展望 研究背景与意义 重型卡车碳排放问题 车辆能效设计指数（VEEDI） 重型卡车碳排放现状 VEEDI通过量化CO2排放、运输负载及能效技术等参数，为童型卡车提供环保性能评估标准，案例显示碳捕集单元可降低指数13.2. 重型卡车仅占全球车辆总数的2.5%，但其碳排放量高达公路运输领域的20%-25%，欧盟要求2030年前减排45%，凸显问题的紧追性。 全生命周期减排策略 移动碳捕集（MCC）技术突破 重型卡车90%碳排放来自运营阶段，高效柴油技术可减排38%，但内燃机改进潜力渐微，需结合低碳燃料等综合方案。 基于发动机废热驱动的TSA碳捕集单元，可处理20%尾气，实现86.11%的CO2回收率和93.8%纯度，体积仅860×800×600mm 移动碳捕集技术优势 移动碳捕集（MCC）直接从重型卡车等移动源捕获COz：相比固定源捕集技术，具有灵活部署、适配现有车辆的特点，且通过固体吸附剂实现高选择性和低投资成本 移动碳捕集技术定义与核心优势 研究显示，MCC技术到2035年总拥有成本低于电动卡车，边际减排成本优势显著，预计可减少0.12-0.15℃全球变暖贡献，兼具短期经济性与长期气候价值。 经济性与环境效益双突破 采用压力/温度摆动吸附（PSATSA）循环，结合卡车废气余热驱动脱附过程，无需额外能耗，碳气凝胶等材料因高比表面积和环保特性成为理想吸附选择， 固体吸附剂技术路径创新 双吸附室交替工作设计实现连续捕集，三折餐双层管道结构仅占0.1m空间，处理20%尾气时CO，回收率达86.11%纯度93.8%，完美适配现有卡车改装需求。 紧澳型装置设计与性能表现 现有技术瓶颈分析 移动碳捕集技术现状 吸附材料与工艺瓶颈 固体吸附剂虽具备低分压高选择性优势，但传统单吸附床设计无法实现连续捕集需采用双床交替吸附-解吸结构，导致设备体积度大（达1.5m）， 移动碳捕集（MCC）技术白接从审型卡车等移动源捕获CO，相比固定源捕集仍处于发展阶段，其经济性与电池/燃料电池卡车相比具备短期优势。 评价体系缺失问题 废热驱动解吸的挑战 温度摆动吸附（TSA）依赖发动机废热驱动解吸，虽能避免额外能耗，但吸时室需设计三层折叠管道结构（860×800×600mm），集成难度高。 现有燃油消耗指标无法量化MCC减排效果驱需类似船舶能效设计指数（EEDI）的车辆专属评价体系（VEEDI）来统一衡量CO.排放强度。 02 紧凑型TSA装置设计 双层折叠管道结构 材料与传热特性 空间优化布局方案 双层折叠管道结构设计 热力学循环机制 通过内音烟气出口连接散热部件降温，低温烟气再导入另一吸附室环形空间进行CO,捕华，形成交替吸附解吸的铝环工作模式 不锈钢材质确保结构强度，内管壁与竭片实现吸附剂均加热，购气与吸附剂仅通过管壁进行热传导，提升能量利用效率， 采用不锈钢材需构建的双层首道系统，内管直径80mm用于绘送高温烟气，外管营径200mm的环形全间增充cO吸谢剂，实现高效热交接而大质量传递， 受更型卡车空间限利，采用三折避结构设计吸时控，长径比优化为112整体单元挂手车架纵章外锁 沸石13X-APG吸附剂 加热阶段的核心热传递机制 沸石13X-APG吸附剂的筛选依据 沸石13X-APG分子筛因其成熟的实验与理论基础被选为CO.吸附剂，其热导率0.2W(m-K)、孔径0.9nm及180.15mg/g的cO，吸附能力为吸附腔设计提供关键参数支持。 高温烟气在内管加热环形空间吸附剂颗粒，触发CO脱附并生成高纯度产物，同时实现吸附剂再生，热传仅通过管壁无质量交换， 吸附腔热力学设计三阶段 双层管结构空间优化方案 采用不锈钢双层管结构（内管80mm/外管200mm）/三折式布局解决重型卡车空间限制，实现吸附剂均匀受热与高效CO搏获， 吸附腔热设计分为加热段90℃目标温度）、中段散热与冷却段，通过预设温度与材料物性优化结构，最终匹配重型卡车实际运行需求。 废热驱动解吸原理 紧凑型三折结构设计 废热驱动解吸的核心机制 针对卡车空间限制，采用长径比11.2的圆柱形吸附室优化热传递，创新三折式折叠方案（860×800×600mm），平衡性能与空间利用率。 利用重型卡车发动机323.95°C的废热，通过双层不锈钢管道加热沸石13X-APG吸附剂至90°C，触发CO2解吸，实现86.11%回收率与93.8%纯度的高效脱附 双吸附室交替工作循环 吸附剂关键参数配置 选用孔隙直径0.9nm、吸附量180.15mg/g的沸石13X-APG，其0.2WW(mK)导热系数与0.697g/cm堆积密度确保快速响应温度变化。 两套并联吸附室通过三通阀切换，交替执行加热解吸与冷却吸附流程，利用废气余热驱动热力学循环，提升整体能效30%以上。 03 热工设计与优化 三阶段传热模型 三阶段传热模型概述 加热阶段传热机制 高温烟气与吸附剂间的传热分为三个阶段：烟气与内管壁的对流换热、内管壁到外管壁的金属导热、外管壁与吸附剂间的等效传热，综合传热系数为22W(m²-K) 加热阶段通过纵向翅片增强传热，等效传热系数由固体导热、颗粒间传热及气固复杂传热综合决定，热阻计算涵盖对流、金属导热和等效传热三部分。 中间阶段散热设计 等效热阻与计算公式 中间阶段采用固定散热结构，目标将烟气从323.95℃降至30℃，设计基于最高工况（20%尾气提取）理论最大热负荷为13.11kW. 整体热阻由三部分串联组成，包括烟气对流热阻、金属管壁导热热阻及翅片吸附剂等效热阻，最终导出综合传热系数Uheating的解析表达式 翅片管强化传热 翅片管传热三阶段机制 强化传热结构设计 等效热阻建模方法 冷却阶段双路径分析 高温烟气至吸附剂的热传递分为三阶段：烟气与内管壁对流换热（系数hw）金属管壁与翅片导热（kmet）外管壁与吸附剂复杂传热（等效系数had）， 纵向翅片可提升传热效率且不增加气流阻力，超片效率自n通过几何参数与材料物性计算（公式5-7）优化后整体传热系数达11W(m-K), 通过公式量化总热阻，包含对流热阻（1/hwAw）金属导热阻（Inda/diy2TkmetL）及超片-吸附剂等效热阻（1/heg.1Aunfin，o+heq.2nfinAfin,o) 吸附剂冷却通过两条路径：外管壁-大气对流换热（系数）及低温烟气对流换热总热阻由吸时剂导热（had》、金属管导热及外对流热构成 散热结构计算 散热结构热负荷计算 翅片管空冷器散热机制 气相显热Qgas的理论最大热负荷为13.11kW，实际热负荷因烟气经后处理系统和供热过程冷却而低于设计值，需通过实验数据修正理论模型。 采用翅片管空冷器向空气散热，热阻分为烟气与管壁对流管壁导热及管外空气对流三部分，期片可增强管壁至空气的传热效率。 基于对数平均温差法建立散热方程（式11），整合管内对流管壁导热和翅片效率参数，量化烟气通过管壁向空气的散热量： 等效直径de由几何参数s1、do和1决定：翅片效率n通过参数、中和计算，涉及翅片几何尺寸与材料热物理特性 等效直径与翅片效率计算 散热阶段热传递方程 系统性能验证 CO纯度与回收率 CO,回收率的关键影响因素 吸附剂性能与工程效率优化 循环稳定性与初始状态设计 CO2纯度与循环时间的关系 当循环时间在400-2000秒范围内时.CO,纯度稳定在93%-95%。较短的循环时间虽会路微降低纯度，但能显著提升回收率，需根捆下游产业需求权衡选择 固体吸附剂对CO,的高选择性使其吸时量随循环时间持续增长。通过截取吸附曲线斜率最大区间（如6000秒内，可显著提升实际工程中的捕获效率。 吸附室烟气流速和话环时间直接影响回收率，流速越慢、循环时间越短（如1000秒时），回收率可达86.11%，但需注意纯度与回收率的反向关联。 模拟采用第三次循环数据以确保稳定性。首次循环因跳过冷却阶段吸附量最高，后续循环趋稳，验证了截取高效操作区间的合理性。 循环时间影响分析 循环时间对吸附效率的影响 吸附曲线的斜率与工程优化 当循环时间为1000秒时，第一循环的CO2吸附量显著高于后续循环，因初始阶段吸附剂处于高温状态，可跳过冷却直接捕获。后续循环曲线趋于稳定，第三循环结果最具代表性 吸附曲线斜率随循环时同先增后减，较大斜率意味着单位时间内更高吸附效率，工程中可通过控制循环时间选择高率区间提升实际工作效率。 循环时间与CO2纯度关系 吸附剂饱和特性分析 延长循环时间可提高CO2吸附量及释放纯度（93%-95%），但过短时间会性纯度换取回收率（86.11%）需根据下游产业需求平衡参数。 吸附剂约6000秒达饱和（吸附量趋95%但工程应用中始终未达饱和状态CO2吸附量持续增长，而N2等气体快速饱和，显高选择性优势。 实际热负荷测试 等效热传递阻力分析 实际热负荷测试原理 热负荷计算方法 中间段散热设计 基于烟气热物性参数（如比热客、密度、粘度）通过公式Qhddissipation=Qgas计算散热阶段热负荷，确保结构设计与热力学特性匹配。 通过测量烟气加热吸附剂的热传递系数（Uheating=22W(m²K)），验证系统在预设工况下的热交换效率，确保吸附阶段低温气体输入的稳定性 采用固定结构散热，以最高烟气温度323.95C和目标出口温度30℃为基准，满足20%HDT尾气抽取工况下的散热需求，保障吸附效率。 将热传递过程分解为烟气对流、金属导管传导及吸附剂等效传热三阶段，通过总阻力公式Rtotheating量化各环节热阻影响。 VEEDI评价体系 指数构建原理 碳捕集技术的量化评估 指数构建的核心逻辑 VEEDI通过整合CO2排放量与运输工作量（吨公里/人公里）结合天气、能效技术等修正系数，建立统一评价体系，实现跨车型碳排放横向对比。 创新性纳入CO2捕集单元影响因子，案例显示可使VEEDI值降低13.2，直观验证移动碳捕集技术（MCC）的减排效能。 动态修正机制设计 政策适配性应用 引入风速/温度等天气系数、混合动力等能效技术系数，以及高原/极套等场录系数，动态反映真实工况下的碳排放表现，提升评估精准度。 支持分阶段政策落地，2030年前作自愿性环保标签，2035年纳入强制认证体系，通过碳税奖惩机制驱动产业低碳转型。 碳捕集校正系数 校正系数的关键组成要素 碳捕集校正系数的定义与作用 碳捕集校正系数（CCCC）用于量化碳捕集装置对车辆CO2排放的影响，综合考虑捕集效率和额外能耗，公式为CCCc=（1-nCCS）+ACCs，其中nCcS为捕集率，ACCS为能耗增量占比 CCCC包含两部分：碳捕集效率nCCS反映CO2截留比例：ACCS体现装置运行导致的额外能耗，如车辆负载增加和压缩机功耗，通过实验数据计算得出。 校正系数的计算逻辑 实际应用案例分析 以配备碳捕集装置的重型卡车为例，CCCC从1降至0.84，VEEDI值从82.49减少至69.29，证明该技术可有效降低排放强度，量化减排贡献 通过公式CCCC=（1nCCS）+ACCS实现动态修正其中ACCS需结合车辆负载增量（如200kg装置增加0.8L/100km油耗）和压缩机功耗（1.22kW）计算 案例应用效果 VEED指标的核心价值 阶段性政策实施路径 VEEDI通过整合CO2排放量，运输工作量及天气能效技术修正系