增材制造在應(yīng)對(duì)氣候變化中的作用

如今，我們進(jìn)入21世紀(jì)已經(jīng)20多年了，應(yīng)對(duì)氣候變化的重要性正在加速顯現(xiàn)。正如聯(lián)合國(guó)凈零聯(lián)盟所提出的：2050年《巴黎協(xié)定》強(qiáng)調(diào)了在十年內(nèi)大幅減排的必要性，以使全球變暖不超過(guò)1.5℃，并保障一個(gè)宜居的氣候。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重工業(yè)制造商正在迅速建立業(yè)務(wù)并進(jìn)行大量投資，而科技初創(chuàng)公司正在創(chuàng)造新的解決方案。盡管工業(yè)制造商為解決這一問(wèn)題進(jìn)行了投資，而新成立的科技公司也在創(chuàng)造新的解決方案，但全球目標(biāo)仍未實(shí)現(xiàn)。

碳捕獲的核心是一些相對(duì)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)。任何碳捕獲和再生系統(tǒng)都必須以極高的效率運(yùn)行，以確保它不會(huì)因?yàn)橄�耗高碳燃料或向大氣排放更多的碳而加劇�?wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，我們必須盡可能多地捕集碳，同時(shí)使用比捕集的碳少得多的碳來(lái)產(chǎn)生反應(yīng)。理想的情況下，目標(biāo)是以零碳輸入換取無(wú)限的碳回收作為輸出。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要有負(fù)碳的基礎(chǔ)設(shè)施。幫助降低二氧化碳排放的最高效、有效、可擴(kuò)展的方法是使用直接空氣捕集（DAC）。直接空氣捕集是一種能夠從空氣中分離出二氧化碳的技術(shù)，以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)所需的產(chǎn)品--如農(nóng)產(chǎn)品、建筑材料、燃料、塑料和化學(xué)品。DAC還能實(shí)現(xiàn)封存--為建設(shè)性目的封存CO2的能力--將其從威脅變?yōu)闄C(jī)會(huì)。

增材制造的好處

從大氣中去除碳需要一個(gè)由過(guò)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)雜部件中的許多都需要非常適合增材制造的幾何形狀，與傳統(tǒng)的制造方法相比，增材制造的效率更高，而且可能更具成本效益，并為DAC設(shè)備帶來(lái)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)化能力用于這些碳捕獲和利用系統(tǒng)時(shí)，我們有可能極大地提高性能和效率，接近無(wú)損能源。

設(shè)計(jì)自由�？焖俪尚椭圃焓乖O(shè)計(jì)變得自由，以表達(dá)有效地捕獲和處理大氣中的碳并利用它做一些有用的事情所需的新穎結(jié)構(gòu)。

性能。能夠生產(chǎn)一系列耐高溫、耐腐蝕、同時(shí)具有高導(dǎo)熱性的合金。

可擴(kuò)展性。通過(guò)可擴(kuò)展的制造快速提供，以支持現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備的大量需求。

供應(yīng)鏈的高效性。部件整合和整體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量和供應(yīng)鏈的精簡(jiǎn)。我們不能忽視在全國(guó)范圍內(nèi)使用多個(gè)供應(yīng)商來(lái)生產(chǎn)單個(gè)組件的碳足跡。

增材制造滿(mǎn)足了生產(chǎn)此類(lèi)反應(yīng)器的所有要求，并能實(shí)現(xiàn)解決碳捕獲的各種需求的應(yīng)用。

△圖片由RMCMI 提供。

微型渦輪機(jī)設(shè)備

微型渦輪機(jī)是包括發(fā)電在內(nèi)的各行業(yè)的一項(xiàng)新興技術(shù)。它們?yōu)樘峁└邏�、高效的氣體和流體輸送提供了機(jī)會(huì)，其外形小巧，能源/碳足跡最小。碳捕獲的效率與一般的發(fā)電非常相似，它是產(chǎn)量與能量輸入的函數(shù)。

高性能、可靠的空氣壓縮和系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性對(duì)于現(xiàn)在以及更重要的未來(lái)的碳捕集系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。隨著工業(yè)碳捕集系統(tǒng)趨向于更多的商業(yè)單位，以及分布式的生產(chǎn)和操作，利用新穎、緊湊的渦輪機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率、小尺寸的操作就更加關(guān)鍵了。

機(jī)械過(guò)濾器

△第1階段機(jī)械過(guò)濾器的一個(gè)例子，該過(guò)濾器的設(shè)計(jì)和增材制造使空氣接觸和捕獲最大化

碳捕集的一個(gè)關(guān)鍵部分是首先用結(jié)構(gòu)化的機(jī)械過(guò)濾器 “捕捉 “碳，通常涂有吸引碳的胺類(lèi)。空氣通過(guò)第一階段被吸入系統(tǒng)，這是 “直接空氣接觸“階段。直接接觸空氣的過(guò)濾器的效率可以通過(guò)允許進(jìn)入的空氣和過(guò)濾器表面之間的最大接觸的過(guò)濾器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化。增材制造允許這種過(guò)濾器的功能優(yōu)先設(shè)計(jì)，可以引起高水平的湍流和混合，以及高表面積的最大空氣接觸。

典型的數(shù)值在這里起作用。面臨的挑戰(zhàn)是，我們?nèi)绾我宰钚〉膲航但@得最大的表面積？

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)定的溫度和維持化學(xué)反應(yīng)。

熱量浪費(fèi)是碳捕捉中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。在第一個(gè)直接空氣接觸階段捕獲的碳必須從機(jī)械過(guò)濾器疏散到下游的精煉階段。在該技術(shù)的許多實(shí)施方案中，這是通過(guò)加壓蒸汽將碳從過(guò)濾器中釋放出來(lái)完成的。熱交換器可用于消除蒸汽生成過(guò)程中的剩余熱量，更常見(jiàn)的是在下游降低離開(kāi)過(guò)濾器階段的富碳蒸汽的溫度。此外，新的熱交換策略與下游的蒸餾和精煉步驟相結(jié)合，使該過(guò)程保持穩(wěn)定的溫度，以維持化學(xué)反應(yīng)和生產(chǎn)輸出碳產(chǎn)品。

擴(kuò)散板

擴(kuò)散板通常應(yīng)用于化學(xué)處理中，以獲取一定體積的氣體或液體并使其混合。流體擴(kuò)散的工作原理類(lèi)似于光準(zhǔn)直化的概念，即采取一個(gè)光源并組織能量，使光以平行的光束路徑漫射出來(lái)。擴(kuò)散板非常類(lèi)似于花園水管的噴頭，它將混亂的液體流動(dòng)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化的均勻流動(dòng)。液體擴(kuò)散板是工藝堆棧的重要組成部分，以確保富碳流體在流經(jīng)過(guò)程中的均勻流動(dòng)和處理。

增材制造允許大體積擴(kuò)散板提供高效率的液體擴(kuò)散，主要是通過(guò)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散板形狀的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但也包括擴(kuò)散器噴嘴形狀。借用航空航天燃料噴嘴設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體資本設(shè)備噴頭應(yīng)用的概念，增材制造擴(kuò)散板的制造速度比單純的機(jī)械加工快20倍。

冷卻器和蒸餾器

△由于正向反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，強(qiáng)化裝置內(nèi)嵌入的冷卻劑通道降低了柱溫。圖片來(lái)源：Michelle Lehman/ORNL，美國(guó)能源部。

從過(guò)濾階段出來(lái)的富碳產(chǎn)品可以被認(rèn)為是 "臟 "的，需要進(jìn)一步加工才能使用。這種骯臟的碳后處理可以在一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)之外完成，但這意味著在收集和運(yùn)輸骯臟的碳產(chǎn)品到二級(jí)后處理設(shè)施的物流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的碳。最有價(jià)值和有前途的碳捕集系統(tǒng)有某種程度的綜合臟碳產(chǎn)品后處理，這樣，碳捕集系統(tǒng)的輸出包括干凈的可用碳產(chǎn)品和安全的水基副產(chǎn)品。

精煉塔包括帶有綜合冷卻功能的蒸餾器和熱交換器，傳統(tǒng)的組裝方式相對(duì)復(fù)雜，有幾十個(gè)金屬板外殼和階段（多達(dá)數(shù)百碼的彎管），以及幾十個(gè)法蘭、配件和歧管，可能是加工或鑄造的。所有這些都需要采購(gòu)和組裝，進(jìn)一步增加了集體的碳輸出和僅僅制造部件和組裝它們所造成的污染。

增材制造允許廣泛的部件整合和整體設(shè)計(jì)，這使得供應(yīng)鏈得到顯著的整合和精簡(jiǎn)。它還能實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)先、高效的設(shè)計(jì)，從而加快精加工階段，在更小的外形尺寸中提供更多的產(chǎn)出。

歧管（液體、氣體和蒸汽）

碳捕集是一個(gè)化學(xué)過(guò)程，它涉及流體和氣體與化學(xué)、溫度和壓力的結(jié)合。歧管在碳捕集中的應(yīng)用很多，從將化學(xué)物輸送到工藝室，到將冷卻劑有效分配到熱交換器等主動(dòng)冷卻部件，以及一般氣體分配應(yīng)用。使這些部件的生產(chǎn)具有挑戰(zhàn)性的不是對(duì)耐化學(xué)性或航天級(jí)特殊材料的要求，而是需要在許多分支管線(xiàn)上保持壓力平衡，甚至通過(guò)工藝室輸送流體。高效的一對(duì)多分支，均勻的流體流動(dòng)，再加上空間和裝配的限制，這是一個(gè)幾何問(wèn)題，而增材制造在這方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如今航空航天、國(guó)防和半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)該技術(shù)的廣泛采用就是證明。

未來(lái)我們可以更輕松地呼吸的可能性

直接空氣捕獲和提煉是改善大氣碳水平的關(guān)鍵技術(shù)，而增材制造目前正在使該技術(shù)的效率顯著提高。對(duì)此，3D Systems 的首席解決方案負(fù)責(zé)人表示：“3D Systems 和 AirCapture 通過(guò)利用增材制造快速迭代和制造可生產(chǎn)的組件，在合作中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我們能夠?qū)⒁郧皬奈词褂眠^(guò)的高效幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工藝堆棧和熱交換，從而提高捕獲效率，同時(shí)減小外形尺寸和占地面積，使該技術(shù)易于安裝并最終擴(kuò)展。隨著先進(jìn)制造技術(shù)和設(shè)計(jì)工具的進(jìn)一步采用，我們相信我們可以更輕松地了解氣候?qū)τ诤蟠鷣?lái)說(shuō)可能仍然舒適宜居�！�