Miksi suora ilmanotto vaatii pienen painehäviön ja pienen lämpömassan omaavia 3D-sorbenttitukia

Miksi suora ilmanotto vaatii pienen painehäviön ja pienen lämpömassan omaavia 3D-sorbenttitukia

Suorasta ilmasta talteenotosta eli DAC:sta on tulossa yhä tärkeämpi teknologia hiilen poistossa.

Toisin kuin perinteinen hiilidioksidin talteenotto väkevöidyistä teollisuussavukaasuista, DAC toimii ilmakehän ilman kanssa, jossa CO₂-pitoisuus on paljon alhaisempi.

Tämä tarkoittaa, että DAC-järjestelmän on jatkuvasti käsiteltävä erittäin suuri määrä ilmaa.

Tämän seurauksena DAC-suorituskykyä ei voida arvioida pelkästään sorbentin CO₂-adsorptiokyvyn perusteella.

Ilmanvirtausvastus, kaasun ja kiinteän aineen kosketus, sorbentin immobilisaatio, rakenteellinen paino, regenerointilämpötila ja syklin stabiilius voivat kaikki vaikuttaa järjestelmän kokonaistehokkuuteen.

Tästä syystä DAC-kehitys on vähitellen siirtymässä pelkkään sorbenttiin perustuvasta lähestymistavasta kohti integroidumpaa suunnittelumallia:

Sorbenttikemia + huokoinen rakenne + ilmavirtaus + lämmönhallinta + moduulisuunnittelu

1. DAC ei ole vain sorbenttia

Useimmat DACia koskevat keskustelut keskittyvät luonnollisesti sorbenttikemiaan.

Yleisiä tutkimusalueita ovat:

• Amiinipohjaiset sorbentit
• Alkaliset materiaalit
• Metalli-orgaaniset rungot
• Huokoiset polymeerit
• Toiminnalliset huokoiset materiaalit
• Hybridikiinteät sorbenttijärjestelmät

Nämä materiaalit ovat vastuussa kemiallisesta vuorovaikutuksesta CO₂:n kanssa.

Sorbentti ei kuitenkaan voi toimia itsenäisesti käytännön DAC-moduulin sisällä.

Se on tuettava, päällystettävä, kiinnitettävä liikkumattomaksi tai jaettava rakenteeseen, joka päästää ilman kulkemaan läpi samalla, kun kaasun ja aktiivisen sorbentin välillä säilyy riittävä kosketus.

Käytännöllisen DAC- moduulin on siis vastattava kahteen eri kysymykseen:

Voiko sorbentti talteen ottaa hiilidioksidia tehokkaasti?

ja

Voiko ilma liikkua adsorptiorakenteen läpi hyväksyttävällä energiankulutuksella?

Toinen kysymys on, missä strukturoiduista sorbenttialustoista tulee erityisen tärkeitä.

2. Miksi painehäviöllä on merkitystä DAC-muuntimessa

Yksi DAC- ja pistemäisen hiilen talteenoton perustavanlaatuisista eroista on käsiteltävän kaasun määrä.

Koska ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on alhainen, DAC-järjestelmän on siirrettävä suuri määrä ilmaa kerätäkseen merkittävän määrän hiilidioksidia.

Jokainen ilmavirtaan sijoitettu rakenne luo vastusta.

Painehäviö voi nousta, kun:

• Adsorptiokerros on liian paksu
• Huokoskanavat ovat liian pieniä
• Sorbenttikuormitus on liian tiheää
• Virtausreitit muuttuvat erittäin mutkikkaiksi
• Pinnoitteet tukkivat osittain avoimet ihohuokoset

Suurempi painehäviö tarkoittaa:

Suurempi tuulettimen tehontarve.

Suurissa DAC-järjestelmissä tämä apuenergiankulutus voi vaikuttaa suoraan toiminnan tehokkuuteen ja kustannuksiin.

Tärkeä tekninen tavoite on siksi ylläpitää riittävää sorbenttipitoisuutta ja kaasun ja kiinteän aineen kosketusta samalla, kun minimoidaan ilmavirran vastus.

3. Enemmän sorbenttia ei ole aina parempi

Materiaalien näkökulmasta sorbenttipitoisuuden lisääminen saattaa aluksi vaikuttaa toivottavalta.

Mutta strukturoidussa DAC-järjestelmässä maksimaalinen kuormitus ei välttämättä ole optimaalinen olosuhde.

Jos liiallinen sorbentti tukkii huokoisen rakenteen, voi ilmetä useita ongelmia:

• Lisääntynyt ilmavirran vastus
• Suurempi painehäviö
• Alennetut avoimet virtauskanavat
• Sisäisen sorbentin alhaisempi käyttöaste
• Hitaampi adsorptiokinetiikka
• Hitaampi desorptio

Todellinen suunnitteluhaaste on tasapainottaa:

Sorbentin lataus × Massansiirto × Painehäviö

pelkän sorbenttikuormituksen optimoinnin sijaan.

4. Miksi myös pieni lämpömassa on tärkeää

Monet kiinteän sorbentin DAC-järjestelmät käyttävät lämpöenergiaa talteen otetun CO₂:n vapauttamiseen ja sorbentin regenerointiin.

Tämän regenerointivaiheen aikana energiaa voidaan käyttää paitsi itse sorbentin lämmittämiseen myös seuraavien lämmittämiseen:

• Tukirakenne
• Rullastotelineet
• Mekaaniset tuet
• Sisäiset moduulikomponentit
• Muut ei-aktiiviset aineet

Jos rakenteellinen tuki on raskas, jokainen sykli voi sisältää toistuvasti merkittävän määrän materiaalia lämmittämistä, mikä ei suoraan edistä hiilidioksidin talteenottoa.

Ei-aktiivisen rakennemassan vähentäminen voi siksi olla tärkeä tekninen tavoite.

Pienemmän tiheyden omaava alusta voi mahdollisesti vähentää kussakin lämmitys- ja jäähdytysjaksossa mukana olevan ei-aktiivisen materiaalin määrää.

On kuitenkin tärkeää olla tarkka:

Alhainen tiheys ei automaattisesti tarkoita pienempää DAC-muuntimen kokonaisenergiankulutusta.

Järjestelmän todellinen energia riippuu lämpökapasiteetista, sorbenttikemiasta, regenerointilämpötilasta, lämmönsiirtotehokkuudesta, moduuliarkkitehtuurista ja käyttöjakson suunnittelusta.

Nämä mahdolliset edut on siksi validoitava kokeellisesti.

5. Strukturoiduista sorbenteista on tulossa yhä tärkeämpiä

Perinteiset adsorptiojärjestelmät käyttävät usein pakattuja kerroksia.

Pakatut sängyt ovat yksinkertaisia ​​ja hyvin ymmärrettäviä, mutta ne voivat tuoda mukanaan teknisiä rajoituksia, kuten:

• Monimutkaiset ilmavirtausreitit
• Suurempi painehäviö
• Hiukkasten hankaus
• Pölyn muodostuminen
• Epätasainen lämmönsiirto

Tämä on yksi syy siihen, miksi strukturoituihin sorbentteihin kiinnitetään yhä enemmän huomiota.

Konsepti on yksinkertainen:

Sen sijaan, että moduuli täytettäisiin irtonaisilla hiukkasilla, sorbentti levitetään ennalta suunnitellun rakenteen päälle tai sisään.

Tämä antaa insinööreille mahdollisuuden optimoida itsenäisesti:

• Virtauskanavan geometria
• Pinta-ala
• Sorbenttikerroksen paksuus
• Painehäviö
• Lämmönsiirto
• Mekaaninen vakaus

6. Yleisten DAC-sorbenttirakenteiden vertailu

Mikään yksittäinen rakenne ei ole optimaalinen jokaiselle DAC-järjestelmälle.

Oikea arkkitehtuuri riippuu seuraavista tekijöistä:

• Ilmavirta
• Sorbenttikemia
• Regenerointimenetelmä
• Moduulin mitat
• Tavoitekäyttöikä

7. Miksi avosoluvaahtoa kannattaa arvioida

Avoin soluvaahto käyttäytyy eri tavalla kuin hunajakennorakenne.

Hunajakenno sisältää tyypillisesti suhteellisen säännöllisiä, suoria kanavia.

Avoin soluvaahto sisältää toisiinsa yhteydessä olevan kolmiulotteisen huokosverkoston.

Tämä sallii kaasun kulkea useita reittejä materiaalin sisällä.

Insinööritieteiden näkökulmasta tällä rakenteella voi olla useita mielenkiintoisia ominaisuuksia.

3D-ilmavirtausreitit

Yhdistetty huokosverkosto sallii ilman kulkeutumisen rakenteen läpi useisiin suuntiin.

Tämä voi auttaa luomaan tehokkaamman vuorovaikutuksen kaasuvirran ja toiminnallisen sorbenttipinnan välille.

Alhainen rakenteellinen paino

Matalatiheyksinen vaahto voi viedä suhteellisen suuren tilavuuden käyttämällä suhteellisen pientä määrää tukimateriaalia.

Tämä voi olla hyödyllistä DAC-moduuleissa, joissa sekä rakenteellinen paino että terminen massa ovat tärkeitä.

Säädettävä rakenne

Paksuus, mitat, tiheys ja pintakäsittely voidaan mukauttaa erilaisiin moduulikonsepteihin.

Helppo muuntaminen

Avosoluista vaahtoa voidaan leikata, CNC-koneistaa, laminoida tai muuntaa erilaisiksi prototyyppigeometrioiksi.

Tämä voi olla erityisen hyödyllistä DAC-moduulin kehityksen alkuvaiheessa.

8. Melamiinivaahdon mahdollinen rooli DAC:ssa

SINOYQX- melamiinivaahto on matalatiheyksinen, kolmiulotteinen, avosoluinen huokoinen materiaali.

Tavallisen teknisen laatuluokan tyypillinen tiheys on noin:

8.5 kg / mXNUMX

DAC-tekniikan näkökulmasta sitä voidaan arvioida seuraavasti:

Kevyt 3D-imukykyinen tuki

Sen mahdollinen rooli ei ole toimia itse CO₂-sorbenttina, vaan tarjota:

• Kolmiulotteinen huokoinen tukirakenne
• Ilmavirtausreitit
• Substraatti sorbentin immobilisointiin
• Mukautettava moduuligeometria
• Alhainen rakenteellinen massa

9. Melamiinivaahto ei ole CO₂ Sorbentti

Tämä erottelu on tärkeä.

Tavallista melamiinivaahtoa ei tule käyttää DAC:n suorana CO₂-sorbenttina.

DAC-järjestelmässä varsinainen CO₂:n talteenottotoiminto tulee materiaaleista, joilla on sopiva kemiallinen affiniteetti tai selektiivisyys CO₂:lle.

Näihin voivat kuulua:

• Amiinifunktionaaliset materiaalit
• Metalli-orgaaniset rungot
• Emäksiset sorbentit
• Funktionaaliset huokoiset polymeerit
• Muut CO₂-selektiiviset sorbenttijärjestelmät

Melamiinivaahdon realistisempi rooli on toimia kolmiulotteisena rakenteellisena tukena näille aktiivisille materiaaleille.

Lopullinen DAC-materiaalijärjestelmä tulisi siksi ymmärtää seuraavasti:

3D-tuki + toiminnallinen imeytysaine

eikä yhtenä vaahtomateriaalina.

10. Miten sorbentteja voidaan lisätä 3D-vaahtoon?

Tämä on yksi keskeisistä kehityskysymyksistä.

Sorbenttikemiasta riippuen voidaan arvioida useita latausmenetelmiä.

Pintapinnoitus

Vaahtorungolle levitetään toiminnallinen sorbenttikerros.

Kyllästäminen

Avoin kennorakenne on kyllästetty toiminnallisella materiaalilla.

Polymeerien funktionalisointi

Vaahtopintaa on kemiallisesti tai fysikaalisesti muokattu funktionaalisilla ryhmillä tai polymeereillä.

Komposiittirakenne

Vaahto yhdistetään kalvoihin, kuituihin, pinnoitteisiin tai muihin sorbenttia sisältäviin kerroksiin.

Jokainen reitti voi vaikuttaa:

• Sorbentin lataus
• Huokosten tukkeutuminen
• Painehäviö
• Adsorptiokinetiikka
• Pinnoitteen tarttuvuus
• Pyöräilyn kestävyys

Tästä syystä kuormitusmenetelmä on arvioitava yhdessä rakenteen kanssa.

11. Mitä DAC-sorbenttialustassa tulisi testata?

Materiaalia ei tule valita DAC:iin pelkästään tiheyden tai huokoisuuden perusteella.

Tärkeämpi vaihe on moduulitason tekninen validointi.

Painehäviö vs. ilman nopeus

Mittaa painehäviötä eri ilmavirran nopeuksilla.

Tämä on yksi tärkeimmistä aerodynaamisen suorituskyvyn indikaattoreista.

Sorbentin lataus

Määritä, kuinka paljon funktionaalista sorbenttia voidaan stabiilisti ladata kantajan massayksikköä tai tilavuusyksikköä kohti.

CO₂ :n otto

On hyödyllistä arvioida molemmat:

g CO₂ / kg sorbenttia

ja

kg CO₂ / m³ Moduuli

koska käytännön DAC-järjestelmiä rajoittaa myös moduulin tilavuus.

Sorptiokinetiikka

Mittaa, kuinka nopeasti CO₂ pääsee sorbenttiin ja on vuorovaikutuksessa sen kanssa.

Desorptiokinetiikka

Mittaa, kuinka tehokkaasti CO₂:ta voidaan vapauttaa regeneroinnin aikana.

Lämpömassa

Arvioi vaahtoon, sorbenttiin ja muihin rakennemateriaaleihin liittyvä lämpökuorma.

Kosteuden vakaus

Ympäröivä ilma sisältää kosteutta, joten kosteuden vaikutukset sekä sorbenttiin että tukirakenteeseen on otettava huomioon.

Pyöräilyn vakaus

Pitkäaikainen DAC-toiminta vaatii toistuvia adsorptio-desorptiosyklejä.

Keskeisiä havaintoja ovat mm.

• Sorbenttihäviö
• Pinnoitteen halkeilu
• Vaahdon muodonmuutos
• Painehäviön muutokset
• Adsorptiokyvyn heikkeneminen

12. Eri DAC-järjestelmät saattavat tarvita erilaisia ​​vaahtorakenteita

SINOYQX lähestyy DAC:ia yhteiskehityssovelluksena pikemminkin kuin yhtenä kiinteänä vaahtolaatuna.

Mahdollisia materiaalisuuntia ovat:

Standardi avosoluvaahto

Varhaisvaiheen sorbentin lataamiseen ja materiaalin seulontaan.

Pienen painehäviön omaava rakenne

Järjestelmiin, joissa ilmavirran vastus ja puhaltimen energia ovat erityisen tärkeitä.

Hydrofobinen vaahto

Rakenteiden käyttäytymisen arviointiin korkean kosteuden ilmaolosuhteissa.

Vahvistettu vaahto

Moduuleihin, jotka vaativat parempaa mekaanista vakautta.

Mukautettu geometria

CNC-leikattuihin tai mittatilaustyönä tehtyihin rakenteisiin, jotka perustuvat tiettyihin DAC-moduulin mittoihin.

Ei ole olemassa universaalia "parasta" vaahtomuovirakennetta.

Oikea suunnittelu riippuu sorbenttikemiasta ja DAC-järjestelmän arkkitehtuurista.

13. Materiaalien seulonnasta DAC-moduulin validointiin

Käytännön kehitysreitti ei yleensä ala täysimittaisella DA-muunninjärjestelmällä.

Tehokkaampi lähestymistapa on:

Vaihe 1

Määrittele CO₂-sorbentin kemia

Vaihe 2

Näytölle sopivat 3D-tukirakenteet

Vaihe 3

Arvioi sorbenttilatausmenetelmiä

Vaihe 4

Ilman nopeuden ja painehäviön välisen suhteen määrittäminen

Vaihe 5

Testaa CO₂:n otto- ja adsorptiokinetiikkaa

Vaihe 6

Suorita adsorptio-desorptiosyklitestit

Vaihe 7

Siirry pienimuotoiseen DAC-moduulien validointiin

Vasta näiden vaiheiden jälkeen voidaan arvioida tukirakenteen todellinen tekninen arvo.

14. SINOYQX:n yhteinen kehitys DAC:lle

SINOYQX kehittää melamiinivaahtoa , hydrofobisia huokoisia materiaaleja, aerogeelikomposiitteja ja muita toiminnallisia huokoisia rakenteita.

Suoran ilman talteenoton sovelluksissa tutkimme melamiinivaahdon teknistä potentiaalia kevyenä kolmiulotteisena sorbenttialustana.

Nykyinen painopisteemme sisältää:

• Vaahdon tiheys
• Huokosten rakenne
• Paksuus
• Moduulin geometria
• Ilman nopeus
• Painehäviö
• Pintakäsittely
• Sorbentin lataus
• Kosteus
• Pyöräilyn vakaus

Tavoitteenamme ei ole vain tarjota "DAC-vaahtoa".

Tavoitteena on auttaa kehitystiimejä arvioimaan huokoista tukirakennetta, joka sopii heidän sorbenttikemiaansa, ilmavirtausvaatimuksiinsa, regenerointimenetelmäänsä ja moduulisuunnitteluunsa.

Tekninen raja

Melamiinivaahtoa sinänsä ei tule kuvailla DAC CO₂ -sorbentiksi.

Avoimen solurakenteen, alhaisen tiheyden ja pienen rakennemassan mahdolliset hyödyt on validoitava todellisen sorbenttikemian, ilmavirran, moduuligeometrian ja käyttösyklin perusteella.

Materiaalitason suorituskykyä ei tule tulkita vastaavan täyden DAC-järjestelmän energiatehokkuutta tai hiilidioksidin talteenottokykyä.

FAQ

Voiko melamiinivaahto sitoa hiilidioksidia suoraan?

Tavallista melamiinivaahtoa ei tule pitää DAC:n ensisijaisena CO₂-sorbenttina. Sen sopivampi rooli on toimia kolmiulotteisena huokoisena tukena funktionaalisille sorbenttimateriaaleille.

Miksi painehäviö on niin tärkeä DAC:ssa?

DAC-järjestelmien on käsiteltävä erittäin suuria ilmamääriä. Jos ilmavirran vastus on liian suuri, tarvitaan enemmän puhaltimen tehoa, mikä lisää apuenergiankulutusta.

Miksi DAC hyötyy pienen lämpömassan omaavista tuista?

Lämpöregeneroiduissa järjestelmissä tukirakennetta voidaan myös tarvita lämmitystä ja jäähdytystä. Ei-aktiivisen rakennemassan vähentäminen voi vähentää toistuvasti lämpökierrokseen osallistuvan materiaalin määrää, vaikka järjestelmän kokonaisenergia on vielä validoitava kokeellisesti.

Mitä eroa on avosoluvaahdolla ja hunajakennorakenteilla?

Hunajakennorakenteissa on yleensä säännöllisiä virtauskanavia, kun taas avosoluisessa vaahdossa on kolmiulotteinen toisiinsa yhteydessä oleva huokosverkosto. Nämä kaksi rakennetta eroavat toisistaan ​​ilmavirtauskäyttäytymisen, pintageometrian, sorbenttipitoisuuden ja valmistuksen joustavuuden suhteen.

Mikä on SINOYQX-standardin mukaisen melamiinivaahdon tyypillinen tiheys?

Vakiomuotoisen teknisen laadun tiheys on noin 8.5 kg/m³. Toiminnalliset laadut tulee valita vastaavan teknisen eritelmän tai projektivaatimuksen mukaisesti.

Mitä DAC-tukiprojektissa tulisi testata ensin?

Ensisijaisiin testeihin tulisi kuulua sorbenttikuormitus, painehäviö ilman nopeuden funktiona, CO₂:n otto, adsorptio-/desorptiokinetiikka, kosteusstabiilisuus, pinnoitteen tarttuvuus ja syklin kestävyys.

CTA

Kiinteää sorbenttia käyttävän DAC-moduulin kehittäminen?

Jos arvioit strukturoitua sorbenttialustaa, anna seuraavat tiedot:

Sorbentin tyyppi, ilmavirtausnopeus, moduulin mitat, sallittu painehäviö, käyttölämpötila, regenerointimenetelmä, ympäristön kosteus, sorbentin tavoitekuormitus, syklivaatimukset

SINOYQX voi tukea eri vaahtotiheyksien, paksuuksien, huokosrakenteiden, pintakäsittelyjen ja räätälöityjen geometrioiden arviointia prototyyppitestausta varten.

Lähetä DAC-projektisi ehdot →