增材制造在應(yīng)對氣候變化中的作用

現(xiàn)在我們已經(jīng)進(jìn)入本世紀(jì)二十多年了，應(yīng)對氣候變化的重要性正在加速?！?050年巴黎協(xié)定》強(qiáng)調(diào)，正如聯(lián)合國凈零排放聯(lián)盟所概述的那樣，需要在十年內(nèi)大幅減排，以將全球變暖控制在不超過1.5°C，并保護(hù)宜居氣候。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重工業(yè)制造商正在迅速建立大量投資的業(yè)務(wù)，科技初創(chuàng)企業(yè)正在創(chuàng)造新穎的解決方案。盡管如此，但全球目標(biāo)現(xiàn)在并沒有實(shí)現(xiàn)。

碳捕獲的核心是一些相對簡單的化學(xué)反應(yīng)。任何碳捕獲和回收系統(tǒng)都必須以極高的效率運(yùn)行，以確保它不會通過消耗碳密集型燃料或向大氣中排放更多的碳來增加問題。換句話說，我們必須捕獲盡可能多的碳，同時使用比捕獲的碳少得多的碳來產(chǎn)生反應(yīng)。理想情況下，目標(biāo)是零碳輸入，無限碳回收作為輸出。

為了解決這個問題，需要“碳負(fù)排放”基礎(chǔ)設(shè)施。幫助降低二氧化碳排放的最有效、最有效、可擴(kuò)展的方法是使用直接空氣捕獲 (DAC)。直接空氣捕集是一種新型技術(shù)，可以將二氧化碳從空氣中分離出來，以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)所需的產(chǎn)品——例如農(nóng)產(chǎn)品、建筑材料、燃料、塑料和化學(xué)品。DAC 還能夠封存——為建設(shè)性目的儲存二氧化碳的能力——將其從威脅轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)遇。

碳燃燒后捕集工藝

碳捕獲最常見的方法涉及嘗試使用將溫室氣體與煙氣分離的溶劑（例如單乙醇胺）從煙囪中過濾二氧化碳（CO2）。當(dāng)CO2與溶劑相遇時，產(chǎn)生的熱量會降低溶劑與CO2反應(yīng)的能力，從而限制其效率。

從大氣中去除碳需要一個由過濾器、熱交換器、冷凝器、氣體分離器和壓縮機(jī)組成的系統(tǒng)。這些復(fù)雜零件中的許多都需要非常適合增材制造的幾何形狀，增材制造比傳統(tǒng)制造方法更高效，可能更具成本效益，并且在DAC設(shè)備中提供實(shí)質(zhì)性的性能和經(jīng)濟(jì)效益：

能源效率的設(shè)計(jì)優(yōu)化：當(dāng)我們將增材制造的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力引向這些碳捕獲和利用系統(tǒng)時，我們有可能顯著提高性能和效率，接近無損能源。

設(shè)計(jì)自由度：增材制造使設(shè)計(jì)自由度能夠表達(dá)有效捕獲和處理大氣中的碳并用它做一些有用的事情所需的新穎架構(gòu)。

性能：能夠生產(chǎn)一系列耐高溫和耐腐蝕的合金，同時具有高導(dǎo)熱性。

可擴(kuò)展性：通過可擴(kuò)展的制造快速可用，以支持現(xiàn)場對設(shè)備的大量需求。

供應(yīng)鏈效率：零件整合和整體設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的質(zhì)量和簡化。我們不能忽視在全國范圍內(nèi)使用多個供應(yīng)商生產(chǎn)單個組件的碳足跡。

增材制造滿足了此類反應(yīng)器生產(chǎn)的所有要求，并且可以實(shí)現(xiàn)滿足各種碳捕獲需求的應(yīng)用。

微型渦輪機(jī)設(shè)備

微型渦輪機(jī)是包括發(fā)電在內(nèi)的各行各業(yè)的新興技術(shù)。它們提供了一個機(jī)會，以最小的外形尺寸提供高壓，高效的氣體和流體輸送，并具有最小的能源/碳足跡。碳捕獲的效率與一般的發(fā)電非常相似，它是產(chǎn)量相對于能量輸入的函數(shù)。

高性能、可靠性、空氣壓縮和系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性對于碳捕獲系統(tǒng)現(xiàn)在以及未來至關(guān)重要。隨著工業(yè)碳捕獲系統(tǒng)趨向于更多的商業(yè)單位，分布式生產(chǎn)和運(yùn)營，利用新穎，緊湊的渦輪機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效率，小占地面積的運(yùn)行變得更加重要。

機(jī)械過濾器

第一級機(jī)械過濾器的示例，該過濾器的設(shè)計(jì)和增材制造可最大限度地提高空氣接觸和捕獲

碳捕獲的一個關(guān)鍵組成部分是首先用結(jié)構(gòu)化的機(jī)械過濾器“捕獲”碳，通常涂有吸引碳的胺。空氣通過第一級（即“直接空氣接觸”階段）被吸入系統(tǒng)。直接空氣接觸過濾器的效率可以通過過濾器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最大程度的接觸，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣與過濾器表面之間的最大接觸。增材制造允許對這種過濾器進(jìn)行功能優(yōu)先的設(shè)計(jì)，這種過濾器可以引起高水平的湍流和混合，以及高表面積，以實(shí)現(xiàn)最大的空氣接觸。

熱交換器

使用 3DXpert 軟件設(shè)計(jì)的熱交換器，有助于保持穩(wěn)定的溫度并維持化學(xué)反應(yīng)

新型 3D 打印強(qiáng)化裝置由鋁制成，并將熱交換器和質(zhì)量交換接觸器集成到單個裝置中，以增強(qiáng)二氧化碳的捕獲

熱廢物是碳捕獲中的常見問題。在第一次直接空氣接觸階段捕獲的碳必須從機(jī)械過濾器中抽出到下游精煉階段。在該技術(shù)的許多實(shí)施方式中，這是通過加壓蒸汽從過濾器中釋放碳來完成的。熱交換器可用于消除蒸汽產(chǎn)生過程中的多余熱量，更常見的是下游降低離開過濾階段的富碳蒸汽的溫度。此外，新型熱交換策略與下游蒸餾和精煉步驟相結(jié)合，使過程保持在穩(wěn)定的溫度，以維持化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生輸出的碳產(chǎn)品。

擴(kuò)散板

擴(kuò)散板通常用于化學(xué)加工，以吸收一定體積的氣體或流體并將其準(zhǔn)直。流體擴(kuò)散的工作原理類似于光準(zhǔn)直的概念，光準(zhǔn)直采用光源并組織能量，以便光以平行光束路徑漫射。擴(kuò)散板非常類似于花園軟管噴嘴，它吸收混沌流體流動并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化和均勻的流動。液體擴(kuò)散板是工藝堆垛的重要組成部分，可確保富碳流體在流經(jīng)工藝時均勻流動和處理。

增材制造允許大體積擴(kuò)散器板提供高效的流體擴(kuò)散，主要是通過實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散板形狀的設(shè)計(jì)復(fù)雜性以及擴(kuò)散器噴嘴形狀。借鑒航空航天燃料噴嘴設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體資本設(shè)備淋浴噴頭應(yīng)用的概念，增材制造的擴(kuò)散器板的制造速度比單獨(dú)加工快20倍。

冷水機(jī)組和蒸餾器

離開過濾階段的富碳產(chǎn)品可以被認(rèn)為是“骯臟的”，需要進(jìn)一步加工才能使用。這種臟碳后處理可以在自給系統(tǒng)之外完成，但它意味著在收集和運(yùn)輸臟碳產(chǎn)品到二級后處理設(shè)施的物流中將產(chǎn)生更多的碳。最有價值和最有前途的碳捕獲系統(tǒng)具有一定程度的集成臟碳產(chǎn)品后處理，使得碳捕獲系統(tǒng)的輸出由清潔的可用碳產(chǎn)物和安全的水基副產(chǎn)物組成。

強(qiáng)化裝置內(nèi)的嵌入式冷卻液通道會降低柱溫，這是由于正向反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量造成的

精煉塔可能包括具有集成冷卻功能的蒸餾器和熱交換器，傳統(tǒng)上組裝起來相對復(fù)雜，具有數(shù)十個鈑金外殼和階段 - 多達(dá)數(shù)百碼的彎曲管 - 以及數(shù)十個法蘭，配件和歧管，可以加工或鑄造。所有這些需要采購和組裝的因素進(jìn)一步增加了集體碳輸出和僅制造組件并組裝它們造成的污染。

增材制造允許廣泛的零件整合和整體設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的重大整合和簡化。它還支持功能優(yōu)先的高效設(shè)計(jì)，可以加速優(yōu)化階段，從而以更小的外形尺寸提供更多輸出。

歧管（液體、氣體和蒸汽）

碳捕獲是一個化學(xué)過程，涉及流體和氣體與化學(xué)，溫度和壓力的結(jié)合。碳捕獲中的多種應(yīng)用非常廣泛，從化學(xué)輸送到工藝室，到冷卻液的有效分配，再到熱交換器等主動冷卻組件，以及一般氣體分配應(yīng)用。使這些部件難以生產(chǎn)的原因不是對耐化學(xué)性或航空航天級特殊材料的要求，而是需要跨許多分支管路平衡壓力，甚至通過工藝室輸送流體。高效的一對多分支，均勻的流體流動與空間和裝配限制相結(jié)合，是增材制造具有獨(dú)特優(yōu)勢的幾何問題，正如當(dāng)今航空航天，國防和半導(dǎo)體資本設(shè)備采用該技術(shù)所證明的那樣。

3D打印歧管技術(shù)