海外碳捕捉技術(shù)的發(fā)展與啟示

王婷婷

近年來，全球溫室效應(yīng)受到越來越多國家的關(guān)注，人們圍繞降低和控制二氧化碳等溫室氣體排放，研究開發(fā)了很多新的技術(shù)，其中最有代表性的是碳捕捉、利用與儲(chǔ)存技術(shù)（Carbon Capture Utilization and Storage, 以下簡(jiǎn)稱CCUS或碳捕捉技術(shù)）。此項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)降低碳排放量的一種可行方法。借鑒國外應(yīng)用技術(shù)手段捕獲和存儲(chǔ)CO2的做法，以減少對(duì)大氣的碳排放，對(duì)我國鋼鐵行業(yè)的清潔生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有積極意義。

一、碳捕捉的主要方式

碳捕捉，通俗講就是將高碳排放企業(yè)如大型鋼鐵廠、水泥廠和發(fā)電廠所產(chǎn)生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲(chǔ)存，避免其排放到大氣中的一項(xiàng)技術(shù)。其方法是在燃燒源中分離出CO2，并進(jìn)行收集、凈化和壓縮，降低工廠中CO2的排放，進(jìn)而減少大氣中CO2的數(shù)量。該技術(shù)主要包含：燃燒前捕捉技術(shù)、富氧燃燒捕捉技術(shù)及燃燒后捕捉技術(shù)。

燃燒前捕捉（pre-combustion capture或integrated gasif ication combined-cycle，簡(jiǎn)稱 IGCC）

該方法首先使用氧氣或者空氣，將煤炭和生物質(zhì)燃料等原料氣化后再進(jìn)入燃燒段進(jìn)行反應(yīng)。與此同時(shí)，通入一定的水蒸氣，最終形成CO2、CO、H2、N2以及硫化物等。由于此時(shí)的混合合成氣氣壓很高（約30～50個(gè)大氣壓），對(duì)CO2的分離就變得容易很多。最后CO2經(jīng)過吸收、吸附、膜分離等技術(shù)處理后被壓縮和運(yùn)輸，進(jìn)入下一個(gè)步驟。剩下的氣體則或被排空（N2等），或被再次利用（CO、H2等）。

燃燒后捕捉（post-combustion capture，簡(jiǎn)稱PCC）

顧名思義，就是在工藝的燃燒部分之后進(jìn)行捕捉。該方法多用于發(fā)電廠，往往在電廠燃燒段之后放置一吸收分離裝置，使用溶劑對(duì)CO2進(jìn)行吸收，最后吹脫出CO2氣體并壓縮，進(jìn)入運(yùn)輸管道。

氧氣燃燒（Oxy-combustion)

該方法主要是將空氣中的氮?dú)馀c氧氣分離，使用純氧對(duì)燃料進(jìn)行燃燒，提高燃燒效率和CO2的純度，降低 CO等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。該技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如煉油行業(yè)、水泥行業(yè)、鋼鐵行業(yè)等。

二、世界主要國家相關(guān)機(jī)構(gòu)及代表性碳捕捉技術(shù)

1.美國能源部國家碳捕集中心(NCCC)

美國國家碳捕集中心是為發(fā)展具有成本效益的燃煤電廠碳捕集技術(shù)而成立的，由美國能源部進(jìn)行資助并提供設(shè)施，在燃煤煙氣和合成氣商業(yè)化環(huán)境下，長(zhǎng)期測(cè)試開發(fā)的技術(shù)，以加快具有成本效益的碳捕集技術(shù)開發(fā)，并確保能繼續(xù)利用煤炭發(fā)電。NCCC測(cè)試并評(píng)估CO2控制技術(shù)，包括CO2捕集溶劑、傳質(zhì)設(shè)備、低成本水氣交換反應(yīng)堆、規(guī)模擴(kuò)大的薄膜技術(shù)，以及改善CO2壓縮方法。由于具備在多種流程和工藝條件下運(yùn)行的能力，NCCC的研究可以有效地評(píng)估技術(shù)的成熟性。目前已有20家技術(shù)開發(fā)商在該平臺(tái)測(cè)試了24種不同技術(shù)。 NCCC兩個(gè)主要的研究領(lǐng)域是CO2燃燒前捕集和燃燒后捕集。

2.日本海上碳捕捉技術(shù)

日本川崎汽船與三菱造船、日本船級(jí)社合作研發(fā)了該技術(shù)，并用此技術(shù)制成全球首個(gè)海上碳捕捉器。預(yù)計(jì)到2021財(cái)年年末，將在川崎汽船的一艘運(yùn)煤船上運(yùn)行碳捕捉器示范設(shè)備，并測(cè)量該系統(tǒng)在船用條件下的性能。作為全球首個(gè)船舶示范測(cè)試，該項(xiàng)目將從船舶設(shè)備和船舶廢氣中捕捉二氧化碳，為實(shí)現(xiàn)船舶零排放設(shè)施的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目得到了日本國土交通省海事局的支持，作為其推進(jìn)船舶資源技術(shù)研究開發(fā)支持項(xiàng)目的一部分。

3.加拿大SaskPower 碳捕集測(cè)試

加拿大 SaskPower公司在薩斯喀徹溫省埃斯特萬啟動(dòng)新的碳捕集測(cè)試裝置。裝置位于邊界大壩碳捕集項(xiàng)目附近，依托Shand電廠建造，耗資7000萬美元。加拿大政府通過自然資源部的生態(tài)能源技術(shù)項(xiàng)目投資，倡議對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)提供130萬美元的資助。該裝置與運(yùn)營中的Shand燃煤電廠連接，提供測(cè)試不同的胺溶液捕集技術(shù)的獨(dú)特平臺(tái)。此碳捕集測(cè)試是一個(gè)模塊化裝置，許多獨(dú)立部分都可以進(jìn)行分離、修改和操作，以測(cè)試特定的碳捕集技術(shù)。企業(yè)可以追蹤該技術(shù)在運(yùn)行過程中的性能表現(xiàn)，以適應(yīng)實(shí)際的商業(yè)化運(yùn)行條件。

4.澳大利亞深海碳捕集項(xiàng)目

澳大利亞的深海碳捕捉技術(shù)主要是捕集二氧化碳，將其液化并運(yùn)輸?shù)桨拇罄麃喗５哪硞€(gè)地點(diǎn)，再注入海底。利用小規(guī)模浮動(dòng)生產(chǎn)液化天然氣技術(shù)，澳大利亞將在其近海建立一個(gè)浮動(dòng)設(shè)施，每年可向海底注入150萬噸二氧化碳。

澳大利亞政府最近將碳捕集與封存列為五項(xiàng)優(yōu)先發(fā)展技術(shù)之一，使其從一項(xiàng)旨在減少碳排放的180億澳元(130億美元)計(jì)劃中獲取資金。如果研究和工程設(shè)計(jì)工作如期進(jìn)行，該項(xiàng)目可能會(huì)在2027年后開始注入二氧化碳。

5.丹麥DecarbonICE 技術(shù)解決方案

丹麥海事發(fā)展中心開展的DecarbonICE技術(shù)解決方案，包括捕獲和封存兩個(gè)部分：在船上通過低溫過程捕獲船舶廢氣中的二氧化碳和其他溫室氣體(GHG)，并將其變成干冰；在正常的船舶作業(yè)過程中，利用成熟的海上技術(shù)將干冰運(yùn)輸?shù)胶５壮练e物中。在該項(xiàng)目中，二氧化碳將以液態(tài)二氧化碳和二氧化碳水合物的形式安全、永久地儲(chǔ)存。

DecarbonICE方案可以用于新建的船舶，也可用于現(xiàn)有船舶的改造，該方案得到了日本船東日本郵船(NYK Line)、新加坡油輪船東Teekay、新加坡環(huán)球航運(yùn)集團(tuán)(BW Group)、愛爾蘭船東阿德莫爾(Ardmore)、俄羅斯最大航運(yùn)公司Sovcomflot、巴西淡水河谷公司(Vale)以及挪威獨(dú)立油輪船東和運(yùn)營商Knutsen OAS等船東和租船人的支持。與未來的碳中性燃料(如生物燃料和電力燃料)相結(jié)合，該脫碳技術(shù)可以創(chuàng)造負(fù)碳運(yùn)輸?shù)目赡?，從而以比岸上碳捕獲低得多的成本，為大氣碳減排做出貢獻(xiàn)。

6.挪威蒙斯塔德碳捕集技術(shù)測(cè)試(TCM)

蒙斯塔德技術(shù)中心是世界上規(guī)模最大的碳捕集技術(shù)測(cè)試中心，位于挪威西海岸卑爾根市北部，毗鄰蒙斯塔煉油廠。TCM由兩個(gè)碳捕集裝置組成，每個(gè)裝置每年能從附近的煉油廠和燃?xì)怆姀S分別捕集8萬噸、2萬噸二氧化碳。未來TCM擁有可用空間和基礎(chǔ)設(shè)施，來維持下一代技術(shù)的測(cè)試。TCM每年的運(yùn)行成本達(dá)到3億挪威克朗(約4880萬美元)，其中的碳捕集技術(shù)測(cè)試項(xiàng)目，主要是研究如何擴(kuò)大規(guī)模和降低未來全規(guī)模捕集運(yùn)行的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。殼牌康索夫公司、阿克(Aker)、阿爾斯通和CarbonCleanSolutions公司均在該中心進(jìn)行過測(cè)試。

7.沙特阿美能源通用綠色轉(zhuǎn)化器技術(shù)

在歐盟資金支持下，沙特阿美能源風(fēng)險(xiǎn)投資公司(Saudi Aramco Energy Ventures)資助設(shè)立了Daphne 技術(shù)公司，旨在解決各種燃料所產(chǎn)生的二氧化碳，計(jì)劃在2021年底前安裝世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的干式廢氣清潔系統(tǒng)。

目前，該公司正在開展多個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，其中一個(gè)期間項(xiàng)目是開發(fā)即插即用的通用綠色轉(zhuǎn)化器，以消除廢氣中的有毒污染物和GHG排放物，包括99%的硫氧化物(SOx)和顆粒物(PM)，以及85%的氮氧化物(NOx)。與市場(chǎng)上其他可用的單一污染物減排技術(shù)相比，該多污染物減排技術(shù)在減少空氣和海洋污染方面更加有效。該技術(shù)安裝簡(jiǎn)單、快捷、便宜。此外，該技術(shù)涉及高能電子，能分解煙囪中的廢氣分子，因此排放出來的物質(zhì)可以被捕獲、存儲(chǔ)和再利用作肥料生產(chǎn)。

三、國外碳捕捉技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)及啟示

1.碳捕捉技術(shù)的成本決定其能否得到大規(guī)模應(yīng)用

根據(jù)歐洲碳捕捉技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，大規(guī)模使用碳捕獲、利用和封存技術(shù)，需要巨大的地質(zhì)存儲(chǔ)能力。目前，在北美洲和西歐的英國、荷蘭和挪威，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了合適的沉積盆地。歐洲經(jīng)委會(huì)正在研究東歐、高加索和中亞地區(qū)的地質(zhì)儲(chǔ)存潛力，特別是俄羅斯、哈薩克斯坦、阿塞拜疆和里海的地質(zhì)儲(chǔ)存潛力。碳捕獲、利用和封存技術(shù)的成本是項(xiàng)目開發(fā)的主要障礙之一。專家估計(jì)，僅歐洲地區(qū)到2050年應(yīng)用碳捕獲、利用和封存技術(shù)的成本就可能達(dá)到3200億歐元，所需的交通基礎(chǔ)設(shè)施投入可能要再增加500億歐元。碳捕捉數(shù)成本降低的速度將決定能否大規(guī)模推動(dòng)這一技術(shù)的應(yīng)用。

2.碳捕捉技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用需要國際合作

根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)委會(huì)的報(bào)告，歐洲目前著眼于各種可用于碳捕獲和利用的技術(shù)有31個(gè)項(xiàng)目，北美有24個(gè)項(xiàng)目。斯堪的納維亞半島地區(qū)、美國和英國在碳捕獲、利用和封存技術(shù)準(zhǔn)備方面處于領(lǐng)先地位，這些國家制定了試點(diǎn)項(xiàng)目并實(shí)施了所需的監(jiān)管框架。根據(jù)歐美碳捕捉技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，此項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用需要各國進(jìn)行合作，以提高大型清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的投入產(chǎn)出比，同時(shí)需要共享技術(shù)應(yīng)用以及法規(guī)和政策基礎(chǔ)架構(gòu)方面的最佳實(shí)踐，以支持行業(yè)和政府做出長(zhǎng)期的環(huán)境承諾。而較小的國家需要國際合作伙伴和資金，以使碳捕獲、利用和封存技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。要在2030年之前，使此項(xiàng)技術(shù)成為各國都能負(fù)擔(dān)得起的、可靠的、可實(shí)施的技術(shù)，需要更多的國際合作與共享。