碳捕集技术各类型将介绍

以下介绍了欧洲和德国相关碳捕集技术的发展现状、成本和实施中的项目。

1.燃烧前捕集

燃烧前捕集的特点是，在工艺之前二氧化碳就已经被分离出 来了（图 14）。由于压力增加，为此目的使用了预先的物理 处理。通过这些流程可以实现高达 95%的分离率。与化学吸收 相比，高压物理洗涤的优点在于，不会破坏化学成分，再生 所需的电力或热量较少。物理溶剂无毒，对环境的危害很 小。

应用领域包括合成气生产、BECCS 以及化学工艺中的生物质转 化等。商业化应用案例是在 IGCC（整体煤气化联合循环发 电）发电厂中应用这项技术。

蒸汽裂解炉

燃烧前和燃烧后方法为未来在蒸汽裂解炉中以不产生温室气 体的方式生产烯烃和芳香烃提供了可能，前 提是未来使用温室气体中和原料，否则产品的范围 3 化石排 放将继续存在下去。

蒸汽裂解炉所产生的产品包括乙烯等烃类及副产气。这些副 产气可以通过部分氧化或自热重整（POX/ATR）与纯氧反应， 产生主要由氢气和二氧化碳组成的混合气体。分离出二氧化 碳后，剩余的氢气可以用来为工艺提供能量。如前所述，采 用燃烧前方法可能需要对裂解炉进行某些改造。

在电气化过程中，副产气仍将产生，因此在 POX/ATR 中进行 上述转换并随后进行二氧化碳捕集成为一个可行的减排选 择。如果原料是生物源（可持续的），那么通过该工艺可产 生负排放。

在燃烧后捕集方法中，难点在于找到一个技术上有效的方式 来从烟气中分离出二氧化碳。烟气中不仅含有氧气，还含有 氮氧化物。这两种成分都会对用于吸收二氧化碳的胺产生负 面影响，并导致胺降解。目前，有多项研究正在探索无需使 用胺的分离溶剂。 由于烟气中的高二氧化碳含量，全球碳捕集与封存研究所 （2023）估计，燃烧前方法的二氧化碳捕集成本相对较低， 约在 20~50 欧元/吨二氧化碳之间（全球碳捕集与封存研究 所，2023 ）。而运营商估计，燃烧前和燃烧后两种方法的捕 集成本高达 140 欧元/吨二氧化碳。据目前资料，改造一个每 年排放 100 万吨二氧化碳的裂解炉的成本约为 5~10 亿欧元。 30运营成本可能差异很大，需要根据场地的具体条件进行全面 评估。 最终选择哪种方法应基于整体效率的考虑，并取决于具体的 场地条件。

中国视角下的结论

石油和化学工业中，二氧化碳排放浓度范围差异很大，大致 在 10~55%之间。 针对化学工业的主要二氧化碳排放源，目前常用的主流碳捕 集技术包括物理溶剂吸收等燃烧前工艺。从成本角度考虑， 低温甲醇洗涤技术已成为首选方案，其成本约为每吨二氧化 碳 72~74 元。31 考虑到中国煤制氢工厂捕集的二氧化碳浓度高达 80%以上，相 关的碳捕集成本相对较低。根据中国目前设备、原材料、能 源和劳动力成本，煤制氢 CCS 项目的成本估算为每吨二氧化 碳 292 元。碳捕集、运输（假设距离 200 公里）和封存的成 本分别为每吨二氧化碳 194 元、65 元和 33 元。32

富氧燃烧工艺的基本步骤是燃料与纯氧发生反应（见图 16 所 示）。与纯氧反应会产生仅由二氧化碳和水组成的相对均质 的气体，可以通过压缩和净化装置以较低的（能量和工艺） 成本将水分冷凝出来。纯氧燃烧对相关工业和电厂工艺提出 了特殊要求，一方面，氧气的使用会导致温度显著升高，从 而对材料提出要求，这是由于氮气的吸热作用被消除。为了 控制温度，可以循环利用部分排气。此过程中大约 60~70%的 冷却烟气被回收利用（丹麦能源，2021），因此要考虑工厂 的位置，以决定在多大程度上可以进行改造和新建，集成富 氧燃烧技术（CEMCAP，2019；Prognos，2021）。 核心技术是空气分离装置（ASU），它提供几乎纯净的氧气。 空气分离是一个能源密集型过程，决定了该方法的效率（丹 麦能源，2021；Prognos，2021）。33富氧燃烧工艺在其对发 电厂工艺和水泥行业工艺的改变方面有很大不同。

富氧燃烧在不同行业的应用

在水泥厂中，可以使用富氧燃烧工艺，但由于工艺集成度高 （煅烧、熟料烧成、熟料冷却等），因此需要对工艺进行调 整。燃烧条件发生变化，大部分烟气被重复利用，这导致水 泥窑工艺的改变。熟料冷却器、回转窑、煅烧器和预热器中 的气体环境发生了变化。不过，这种变化并不妨碍工艺的改 造。 与无分离装置的工厂相比，采用富氧燃烧工艺的工厂需要额 外的能量，主要用于空气分离装置（ASU）和压缩净化装置 （CPU）。这部分能源需求可以通过回收废热来满足（丹麦能 源，2021）。

2.富氧燃烧捕集

技术成熟度 + 项目

法国 K6 项目：位于法国北部的 CCS 项目，在 EQIOM 公司运营 的一座水泥厂（年产能 80 万吨）中利用富氧燃烧工艺。该设 施预计将于 2028 年开始运行，预计分离率可到 95~98%（欧盟 委员会，2022a）。 德国 Everest 项目：Lhoist 公司在欧洲最大的石灰厂计划通 过 Everest 项目捕集高达 160 万吨的二氧化碳，首批 40 万吨 计划于 2028 年前完成捕集。该项目将在新建的麦尔兹窑旁建 造第一座富氧燃烧石灰厂（液化空气集团所有）。项目旨在 将石灰厂富氧燃烧工艺的技术成熟度（TRL）提升至 9 级。 Catch4Climate 和 Westküste 100 项目（德国）： Catch4Climate 项目旨在展示一种先进的富氧燃烧工艺，即所 谓的 polyisus®纯富氧燃烧工艺，主要特点是取消了二氧化碳 循环管线。 Westküste 100 项目是一项跨学科倡议，旨在通过电解产生氢 气，然后与来自水泥厂的二氧化碳结合，制造甲醇。甲醇随 后将被加工成气体、汽油和煤油（Westküste100，2023）。 Westküste 100 二氧化碳捕集项目将成为首个采用富氧燃烧工 艺从水泥厂捕集二氧化碳的全规模项目。项目预计于 2027 年 开始运行，投产后，技术成熟度（TRL）将达到 8 级。

成本

据估算，捕集成本约为每吨二氧化碳 45~62 欧元。其他成本 方面，绿地工厂（greenfield plant）的成本估计为每吨二 氧化碳 60~100 欧元，包括每吨二氧化碳 45 欧元的运输和封 存成本。由于不同场地条件及相关运营成本差异，成本波动 可能较大，每吨二氧化碳的成本波动可达 +/- 25 欧元。 而对于改造现有工厂（棕地工厂），由于技术方案多种多 样，要估算富氧燃烧工艺的成本非常困难。多位专家一致认 为，改造措施会产生大量资本支出（CAPEX）。在这种情况 下，新建工程可能更为划算。

中国视角下的结论

富氧燃烧技术特别适用于新建项目。预计未来中国水泥需求 将显著下降。因此，新水泥厂的建设数量尚存在不确定性； 水泥行业的年龄结构与钢铁行业类似，仍然相对年轻（平均 寿命约 25 年），因此预计水泥厂的扩张速度会较低。这样看 来，富氧燃烧工艺最初可能只在有限的项目中实施。 理论上，富氧燃烧技术在中国具有重大潜力，但实际应用目 前尚不成熟。富氧燃烧技术的实施需要建设新的装置，但目 前正在建设的此类装置数量很少。此外，由于在新装置的设 计阶段未考虑富氧燃烧技术，导致错过了实施该技术的 “窗 口期"。

3.燃烧后捕集

燃烧后工艺是一种末端处理技术，可用于电厂和工业设施的 改造。改造的优点是缩短了时间，并省去了整个工厂新建的 投资成本。此外，现有工厂的比例明显高于规划新建工厂的 比例。

化学吸收（胺洗涤）

胺洗涤工艺中，使用如单乙醇胺 （MEA）等胺类水溶液吸收 二氧化碳。其他可用物质包括氨、碱式碳酸盐、氨基酸盐和 离子液体等。随后，饱和胺溶液会在工厂的另一部分加热至 约 120~150°C，释放出二氧化碳（Fischedick 等人， 2015）。以干基计，二氧化碳纯度通常至少为 99.9%（按体 积计算）（丹麦能源，2021）。使用胺洗涤可以减少点源 90% 以上的二氧化碳排放（丹麦能源，2021）。 胺洗涤适用于所有主要行业。其局限性可能来自于具体的场 地条件和工艺条件。胺洗涤在烟气源（废物、生物质等）和 烟气成分（二氧化碳含量通常在 3~30%之间）方面非常灵活。 因此，该工艺非常适合于现有工厂的改造。

技术要求： 胺洗涤工艺是一个能源密集型工艺。最大的能源需求在于蒸 汽生成过程。根据丹麦能源局（2021）的研究，分离过程中 的热量需求在每吨二氧化碳 700~1000 kWhth之间，电力需求在 每吨二氧化碳 25~35 kWhel之间。文献中，使用单乙醇胺 （MEA）进行胺洗涤时通常使用的热需求值约为每吨二氧化碳 1000 kWhth（Jakobsen 等人，2017；Markewitz 等人，2019； Beiron 等人，2022；Nina Svinhufvud，2022）。 据专家称，这一数值会因所使用的溶剂和内部热能优化设计 而有所不同，每吨二氧化碳约 600~1200 kWhel不等。该工艺的 电力需求可能因所用溶剂而异，大致在每吨二氧化碳 50~800 kWhth之间。此外，在调节/制备过程中，平均需要约 150kWhel/t CO2用于压缩，以及额外的 100kWhel/t CO2用于液 化。

效率潜力：热能优化对于提高胺洗涤效率具有重大潜力，包括利用预处 理过程中产生的废热（例如，从排气中回收热能，综合利用 废物热处理厂的蒸汽等）（丹麦能源，2021）。 其他减少该工艺热能需求的选项包括：机械蒸汽压缩、吸收 器中间冷却或内部热能集成等（丹麦能源，2021；Eliasson 等人，2022）。

该工艺已在工业规模上采用，例如用于发电厂的碳捕集。食 品工业、气体净化过程和化学工业中也有长期使用经验，技 术成熟度（TRL）为 9 级（丹麦能源，2021）。 布雷维克项目：挪威布雷维克（Norcem）水泥厂示范项目计 划使用胺洗涤技术每年捕集约 40 万吨二氧化碳（占排放量的 一半）（丹麦能源，2021）。 亨格罗的特温斯垃圾焚烧厂：作为荷兰 CCU 示范项目的一部 分，位于亨格罗的特温斯垃圾焚烧厂的胺基分离装置自 2019 年开始运行，其二氧化碳捕集能力为每年 10 万吨（碳捕集期 刊，2021）。 德伊芬的 AVR 公司：位于荷兰德伊芬的这家工厂自 2019 年起 开始运行，该设施是一座废物热处理厂，通过 MEA 作为吸收 剂的胺洗涤工艺，每年捕集 10 万吨二氧化碳。 朗夫特的 CAP2U 项目：在朗夫特的海德堡材料公司水泥厂， 目前正在建设一个利用林德公司 OASE® blue 工艺的分离装 置。该装置的捕集设计能力为每年 70,000 吨二氧化碳。该装 置预计于 2025 年投入运营。在该项目中，排气中的废热被用 于分离过程，无需投入额外的热能用于捕集。

总之，胺洗涤技术已投入商业应用，但研究仍在进行中。工 艺设备供应商也已开始优化装置。由于市场的不确定性，之 前尚未开展调查，一般认为减少资本支出（CAPEX）的潜力非 常巨大（丹麦能源局，2021）。

成本

专家表示，胺洗涤（废弃物转制能源和水泥）的成本因能源 需求和其他因素（如工厂规模、排气中的二氧化碳浓度和净 化质量）而异，范围在每吨二氧化碳 70~130 欧元。此外还包 括封存和运输成本。

中国视角下的结论

在中国，胺洗涤技术已在许多示范项目中得到应用。鉴于其 代表着最高的技术成熟度、且是一种具有最丰富实践经验的 分离技术，预计该技术将在短期和长期内得到广泛应用。特 别是胺洗涤技术能量需求的改进和进一步的效率提升可能导 致胺洗涤成本的显著降低。