案例洞悉3D打印-增材制造如何助力實現碳中和
碳中和是指國家、企業、產品、活動或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，以抵消自身產生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實現正負抵消，達到相對“零排放”。為了實現這一目標，重工業制造商正在迅速投入大量資金開展業務，科技初創企業正在創造新穎的解決方案。本期，3D科學谷與谷友一起來洞悉3D打印-增材制造如何通過其“四兩撥千斤”的巧妙存在，助力實現碳中和。
1 級機械過濾器的示例，該過濾器的設計旨在最大限度地增加空氣接觸和捕獲。
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碳捕獲的核心是一些相對簡單的化學反應，任何碳捕獲和回收系統都必須以極高的效率運行，以確保不會因消耗高碳燃料或向大氣中排放更多的碳而加劇問題。換句話說，必須盡可能多地捕獲碳，同時使用比我們捕獲的碳少得多的碳來產生反應。幫助降低二氧化碳排放的最有效、可擴展的方法是使用直接空氣捕獲 (DAC)。直接空氣捕集是一種技術，可以將二氧化碳從空氣中分離出來，以創造經濟所需的產品——例如農產品、建筑材料、燃料、塑料和化學品。DAC 還能夠用于封存用途——為建設性目的儲存二氧化碳的能力——將其從威脅轉變為機遇。
3D打印-增材制造的好處
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組成的系統。其中許多復雜零件需要非常適合增材制造的幾何形狀，這比傳統制造方法更高效且可能更具成本效益，并為 DAC 設備提供實質性的性能和經濟效益，3D打印可以帶來如下益處：能源效率的設計優化：當我們將增材制造的設計優化能力導向這些碳捕獲和利用系統時，我們有可能顯著提高性能和效率，接近無損能源。
設計自由度：增材制造賦予的設計自由度能夠更有效地捕獲和處理大氣中的碳。
性能：能夠加工一系列耐高溫、耐腐蝕、同時具有高導熱性的合金。
可擴展性：通過可擴展的制造可快速提供零件制造能力，以支持變化的需求。
供應鏈效率：通過結構一體化零件設計，可實現供應鏈的優化。避免多個供應商生產單個組件帶來的物流中的碳排放。
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微型渦輪設備
微型渦輪機是包括發電在內的各個行業的新興技術，提供了提供高壓、高效氣體和流體輸送的機會，外形小巧，能源/碳足跡最小
高性能、可靠、空氣壓縮和系統壓力穩定性對于碳捕集系統現在的功能至關重要，更重要的是，在未來，隨著工業碳捕獲系統趨向于分布于更多的商業區域，利用新穎、緊湊的渦輪機技術實現高效、小占地面積運行變得更加關鍵。
碳捕獲的一個關鍵組成部分是首先使用結構化機械過濾器“捕獲”碳，該過濾器通常涂有吸引碳的胺。空氣通過第一階段被吸入系統，即“直接空氣接觸”階段。通過允許進入空氣和過濾器表面之間的最大接觸的過濾器結構，可以使直接空氣接觸過濾器效率最大化。3D打印-增材制造實現的復雜設計帶來了高水平的湍流和混合，通過高表面積以實現最大的空氣接觸。
熱交換器
圖 2：使用 3DXpert 軟件設計的更換器有助于保持穩定的溫度和維持化學反應。
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熱量浪費是碳捕獲中的常見問題。在第一個直接空氣接觸階段捕獲的碳必須從機械過濾器中抽空到下游精煉階段。在該技術的許多實施例中，這是通過將碳從過濾器中釋放出來的加壓蒸汽來完成的。熱交換器可用于消除蒸汽產生過程中的多余熱量，更常見的是在下游降低離開過濾階段的富碳蒸汽的溫度。此外，新的熱交換策略與下游蒸餾和精煉步驟相結合，以使該過程保持在穩定的溫度，以維持化學反應并產生輸出碳產品。
擴散板
擴散板通常用于化學處理，以吸收一定體積的氣體或流體并對其進行準直。流體擴散的工作原理類似于光準直的概念，它采用光源并組織能量，使光以平行光束路徑擴散發射。擴散板非常類似于花園軟管噴嘴，它采用混沌的流體流動并產生結構化且均勻的流動。液體擴散板是工藝堆棧的重要組成部分，以確保富碳流體在流經工藝時的均勻流動和處理。
3D打印-增材制造允許大體積擴散板提供高效的流體擴散，主要是通過使擴散板形狀的設計復雜性以及擴散器噴嘴形狀的設計復雜化。借鑒航空燃料噴嘴結構一體化設計的靈感，3D打印-增材制造擴散板的制造速度比單獨加工快 20 倍。
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冷卻器和蒸餾器
離開過濾階段的富含碳的產品可以被認為是“臟的”，需要進一步處理才能使用。這種臟碳后處理可以在獨立系統之外完成，但這意味著在收集臟碳產品并將其運輸到二級后處理設施的物流過程中將產生更多的碳。最有價值和最有前途的碳捕獲系統具有一定程度的集成“臟碳”產品后處理。
精煉塔可以包括帶有集成冷卻的蒸餾器和熱交換器，傳統上組裝起來相對復雜，有幾十個金屬板殼，多達數百碼的彎管，以及幾十個法蘭、配件和歧管，所有這些都需要采購和組裝，這進一步增加了僅僅制造和組裝部件所造成的集體碳排放。
3D打印-增材制造允許廣泛的零件整合和整體設計，從而實現供應鏈的顯著整合和精簡。它還實現了功能優先、高效的設計，可以加速細化階段，從而以更小的外形尺寸提供更多的輸出。
歧管（液體、氣體和蒸汽）
碳捕獲是一個化學過程，涉及到流體和氣體與化學、溫度和壓力相結合。碳捕獲中的歧管應用范圍廣泛，從化學品輸送到工藝室，到冷卻劑的有效分配到主動冷卻組件（如熱交換器），以及一般氣體分配應用。使這些組件難以生產的原因不僅僅是因為耐化學性或航空級特殊材料的要求，還是對許多分支管線的平衡壓力的需求，甚至是通過工藝室輸送流體的需求。
3D打印可以實現高效的一對多分支，均勻的流體流動以及以更緊湊的設計滿足空間和裝配限制，正如當今在航空航天、國防和半導體設備中采用3D打印技術所帶來的那些優勢。
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