Nu, mer än 20 år in i det 21: a århundradet, accelererar vikten av att ta itu med klimatförändringarna. Enligt förslaget från FN:s nettonollkoalition: Parisavtalet från 2050 belyser behovet av betydande utsläppsminskningar inom ett decennium för att hålla den globala uppvärmningen under 1,5 °C och garantera ett beboeligt klimat. För att uppnå detta bygger tunga industritillverkare snabbt företag och investerar kraftigt, medan tekniska startups skapar nya lösningar. Trots industritillverkarnas investeringar för att lösa problemet och nya teknikföretags skapande av nya lösningar är det globala målet fortfarande ouppfyllt.
Kärnan i koldioxidavskiljning är några relativt enkla kemiska reaktioner. Alla system för avskiljning och regenerering av koldioxid måste fungera med extrem effektivitet för att säkerställa att de inte förvärrar problemen genom att förbruka bränslen med höga koldioxidutsläpp eller släppa ut mer kol i atmosfären. Med andra ord måste vi fånga in så mycket kol som möjligt samtidigt som vi använder mycket mindre kol för att generera reaktionen än vad som fångas in. Helst är målet att handla noll koldioxidutsläpp för obegränsad koldioxidåtervinning som produktion.
För att lösa detta problem behövs koldioxidnegativ infrastruktur. Det mest effektiva, effektiva och skalbara sättet att minska CO2-utsläppen är att använda direkt luftinfångning (DAC). Direkt luftinfångning är en teknik som separerar koldioxid från luften för att skapa ekonomiskt nödvändiga produkter - såsom jordbruksprodukter, byggmaterial, bränslen, plast och kemikalier. DAC möjliggör också sekvestrering - möjligheten att lagra CO2 för konstruktiva ändamål - vilket gör det från ett hot till en möjlighet.
Fördelarna med additiv tillverkning
Att ta bort kol från atmosfären kräver ett system av filter, värmeväxlare, kondensorer, gasavskiljare och kompressorer. Många av dessa komplexa delar kräver geometrier som är väl lämpade för additiv tillverkning, vilket är effektivare och potentiellt mer kostnadseffektivt än traditionella tillverkningsmetoder och ger betydande prestanda för DAC-enheter och ekonomiska fördelar:
Designoptimering för energieffektivitet. När vi tillämpar designoptimeringsfunktionerna för additiv tillverkning på dessa system för avskiljning och användning av koldioxid har vi potential att dramatiskt öka prestanda och effektivitet och närma oss energiförlust.
Design frihet. Snabb prototyptillverkning frigör design för att uttrycka de nya strukturer som behövs för att effektivt fånga och bearbeta atmosfäriskt kol och använda det för att göra något användbart.
föreställning. Det kan producera en serie legeringar med högtemperaturbeständighet, korrosionsbeständighet och hög värmeledningsförmåga.
Utökningsbarhet. Levereras snabbt med skalbar tillverkning för att stödja den stora efterfrågan på utrustning på fältet.
Effektivitet i leveranskedjan. Komponentintegration och övergripande design möjliggör effektivisering av kvalitet och leveranskedja. Vi kan inte ignorera koldioxidavtrycket av att använda flera leverantörer över hela landet för att producera en enda komponent.
Additiv tillverkning uppfyller alla krav för produktion av sådana reaktorer och möjliggör applikationer som tillgodoser olika behov av koldioxidavskiljning.
Mikroturbinutrustning
Mikroturbiner är en framväxande teknik inom olika branscher, inklusive kraftproduktion. De erbjuder möjligheten att tillhandahålla högtrycks, effektiv gas- och vätsketillförsel i en liten formfaktor med minimalt energi- / koldioxidavtryck. Effektiviteten för avskiljning av koldioxid är mycket lik den för allmän elproduktion och är en funktion av produktion och energitillförsel.
Hög prestanda, tillförlitlig luftkomprimering och systemtrycksstabilitet är avgörande för att koldioxidavskiljningssystem ska fungera nu och, ännu viktigare, i framtiden. När industriella system för avskiljning av koldioxid går mot mer kommersiella enheter och distribuerad produktion och drift är det ännu viktigare att använda ny, kompakt turbinteknik för att möjliggöra högeffektiv, småskalig drift.
Mekaniskt filter
En viktig del av koldioxidinfångningen är att först "fånga in" kolet med strukturerade mekaniska filter, vanligtvis belagda med koldragande aminer. Luft dras in i systemet genom det första steget, vilket är "direkt luftkontakt" -steget. Effektiviteten hos ett filter som direkt kommer i kontakt med luften kan maximeras av en filterstruktur som möjliggör maximal kontakt mellan inkommande luft och filterytan. Additiv tillverkning möjliggör en funktion-först-design av detta filter som kan inducera höga nivåer av turbulens och blandning, samt hög ytarea för maximal luftkontakt.
Häta växlare
Värmeavfall är ett vanligt problem vid avskiljning av koldioxid. Kol som avskiljs i det första direktkontaktsteget måste evakueras från det mekaniska filtret till raffineringssteget nedströms. I många utföringsformer av tekniken åstadkoms detta genom att släppa ut kolet från filtret med trycksatt ånga. Värmeväxlare kan användas för att avlägsna restvärme från ånggenereringsprocessen och oftare nedströms för att minska temperaturen på den kolrika ångan som lämnar filtersteget. Dessutom håller nya värmeväxlingsstrategier i kombination med nedströms destillations- och raffineringssteg processen vid en konstant temperatur för att upprätthålla kemiska reaktioner och producera utgående kolprodukter.
Diffusorplatta
Diffusorplattor används ofta vid kemisk bearbetning för att ta en volym gas eller vätska och blanda den. Vätskediffusion fungerar som begreppet ljuskollimation, som tar en ljuskälla och organiserar energin så att ljuset diffunderar ut i parallella strålvägar. En diffusorplatta liknar mycket sprinklerhuvudet på en trädgårdsslang, den kommer att strömma den kaotiska vätskan till ett strukturerat enhetligt flöde. Vätskediffusionsplattor är en viktig del av processstacken för att säkerställa enhetligt flöde och hantering av kolrika vätskor när de strömmar igenom.
Additiv tillverkning gör det möjligt för diffusorplattor med hög volym att ge högeffektiv vätskedispersion, främst genom designkomplexiteten för att implementera diffusorplåtformer, men även diffusormunstyckesformer. Genom att låna koncept från flygbränslemunstyckesdesign och sprinklerapplikationer för halvledarkapitalutrustning kan additivt tillverkade diffusorplattor tillverkas 20 gånger snabbare än ren bearbetning.
Kylare och stillbilder
Den kolrika produkten som kommer ut ur filtreringssteget kan betraktas som "smutsig" och kräver ytterligare bearbetning innan den kan användas. Denna smutsiga kolupparbetning kan göras utanför ett fristående system, men det innebär att mer kol genereras under logistiken för insamling och transport av smutsiga kolprodukter till sekundära upparbetningsanläggningar. De mest värdefulla och lovande systemen för avskiljning av koldioxid har en viss grad av integrerad upparbetning av smutsiga kolprodukter, så att produktionen från koldioxidavskiljningssystemet inkluderar rena användbara kolprodukter och säkra vattenbaserade biprodukter.
Raffinaderitorn, inklusive stillbilder och värmeväxlare med integrerad kylning, är traditionellt relativt komplexa att montera, med dussintals plåtskal och steg (upp till hundratals meter armbågar), liksom dussintals flänsar, beslag, grenrör, kan bearbetas eller gjutas. Allt detta måste anskaffas och monteras, vilket ytterligare ökar den kollektiva koldioxidutsläppen och föroreningarna från att bara göra delarna och montera dem.
Additiv tillverkning möjliggör ett brett spektrum av komponentintegration och övergripande design, vilket möjliggör betydande integration och effektivisering av leveranskedjan. Det möjliggör också funktion först, effektiva konstruktioner som påskyndar efterbehandlingssteget och ger mer effekt i en mindre formfaktor.
Grenrör (vätska, gas och ånga)
Koldioxidavskiljning är en kemisk process som involverar kombinationen av vätskor och gaser med kemi, temperatur och tryck. Grenrör har många tillämpningar inom koldioxidavskiljning, från att leverera kemikalier till processkammare, till effektiv distribution av kylvätska till aktiva kylkomponenter som värmeväxlare och allmänna gasdistributionsapplikationer. Det som gör produktionen av dessa delar utmanande är inte kravet på kemisk beständighet eller speciella material av rymdkvalitet, utan behovet av att upprätthålla tryckutjämning på de många grenledningarna och till och med överföra vätskor genom processkammaren. Effektiv en-till-många-förgrening och enhetligt vätskeflöde, i kombination med utrymmes- och monteringsbegränsningar, är en geometrisk fråga där additiv tillverkning har unika fördelar, och flyg-, försvars- och halvledarindustrin nu antar tekniken Den utbredda användningen är ett bevis.
Möjligheten att vi kan andas lättare i framtiden
Direkt luftinfångning och raffinering är nyckelteknologier för att förbättra atmosfärens kolnivåer, och additiv tillverkning gör för närvarande tekniken betydligt effektivare. I detta avseende sa 3D Systems Principal Solutions Leader: "3D Systems och AirCapture har kommit långt i sitt samarbete genom att utnyttja additiv tillverkning för att snabbt iterera och skapa produktionsbara komponenter. Högeffektiva geometrier som tillämpas på processstacken och värmeväxlingen ökar infångningseffektiviteten samtidigt som formfaktorn och fotavtrycket minskar, vilket gör tekniken enkel att installera och i slutändan expandera. Med ytterligare antagande av avancerade tillverkningstekniker och designverktyg tror vi att det är lättare att förstå att klimatet fortfarande kan vara bekvämt och beboeligt för framtida generationer.