歐盟發布CCUS技術進展報告展望未來發展趨勢

    近期，歐盟委員會聯合研究中心在戰略能源技術規劃（SET-Plan）信息服務平臺發布了更新版的《碳捕集、利用與封存技術發展報告》 ，總結了碳捕集、利用與封存（CCUS）技術的現狀、發展趨勢、目標和需求、技術障礙以及到2050年的技術經濟預測。關鍵要點如下：

 

一、碳捕集技術

 

      1、技術現狀及目標

 

      至今為止，碳捕集技術主要基于發電來定義。第一代碳捕集技術包括：①胺基溶劑（燃燒后捕集）；②物理溶劑如聚乙二醇二甲醚法（Selexol）、低溫甲醇法（Rectisol）等（燃燒前捕集）；③富氧燃燒。這些技術已經成熟可以投入商業應用，只是成本較高，因此相關的改進研發工作正在進行中。與發電相比，工業過程中的碳排放可能并非來自燃燒，因而上述第一代碳捕集技術的分類并不適用于工業。綜合來看，可分為基于溶劑的碳捕集、基于吸收劑的碳捕集、基于膜的碳捕集以及高溫循環碳捕集等。第二代碳捕集技術處于研發階段，將在稍后階段進行示范；第三代技術正處于概念設計或早期開發階段，兩者均側重于開發更高效、環保和經濟的技術。目前碳捕集行業的開發目標如下：捕集成本低于15歐元/噸CO2；效率損失低于5%；到2050年碳捕集率達到90%；用于溶劑再生和/或獲得氧氣的能耗達到最小。

 

當前，主要碳捕集技術的發展現狀如下：

 

      （1）基于溶劑的碳捕集。第一代單乙醇胺（MEA）碳捕集技術的技術成熟度已達到7-8級，溶劑再生的熱負荷已經從5吉焦/噸CO2降至1.8吉焦/噸CO2，通過溶劑優化和工藝整合，進一步的改進仍在中試和示范工廠中測試，其開發目標為：開發低成本和無腐蝕性的溶劑，提高CO2負載能力，改進反應動力學，減少廢氣排放，降低溶劑再生的能耗。在較高CO2濃度時，物理溶劑的應用效果更好，其技術成熟度已達到第8級。而在較低CO2濃度情況下，甲基二乙醇胺（MDEA）是首要選擇。第一代碳捕集技術的研究重點是：提高高溫下的CO2負載能力；減少吸收熱量；改進溶劑再生條件以在更高壓力下進行碳捕集。

 

      （2）基于吸附劑的碳捕集。對于固體吸附劑，通常將變壓吸附或變溫吸附用于吸附劑再生，氣體與吸附劑的接觸發生在固定床、移動床或流化床中。尤其是對于天然氣電廠，可以利用碳捕集技術獲得高純度的H2。在這種情況下，通常在使用物理溶劑分離CO2后，利用活性炭變壓吸附（技術成熟度為8級）獲得高純度的H2。這一策略適合煤氣化電廠（如IGCC）和天然氣重整工廠。

 

      （3）基于膜的碳捕集。此類技術利用滲透性材料選擇性地從煙氣中分離CO2。氣體分離涉及物理或化學相互作用和/或表面反應以及選擇性運輸。通常，膜系統由多級和循環流組成。

 

      （4）高溫循環技術。此類技術的成熟度在4-5級，是當前研究的重點，歐盟相關項目多集中在化學鏈燃燒項目（技術成熟度5級）以及煤和天然氣鍋爐項目（技術成熟度為6級），鈣循環法的技術成熟度已達到5級。

歐盟目前資助的相關研究項目為碳捕集技術設定了如下目標：胺基溶劑碳捕集技術成熟度達到7級，為工廠規模的部署奠定基礎；鈣循環碳捕集技術成熟度在“地平線2020”框架計劃資助期內提升至7級；化學鏈循環的技術成熟度達到6級，為中試工廠奠定基礎；吸附強化水煤氣變換和氫燃氣輪機技術成熟度達到6級；“地平線2020”資助期內溶劑法、吸附劑法、化學鏈燃燒和鈣循環法技術成熟度達到7級以后在大規模工廠中部署。

 

      2、技術趨勢及需求

 

      對于適用于發電和高能耗行業的碳捕集技術，通用的技術趨勢及需求如下：第一代、第二代和第三代碳捕集技術的有效集成；綜合環境控制系統，如胺排放控制；全負載/部分負載下的靈活性；CO2雜質的影響。

對于每種技術，可以確定以下趨勢和需求：

 

      （1）基于化學/物理溶劑的吸附：優化溶劑管理，示范靈活性和可操作性，以及溶劑降解研究；降低溶劑成本以及能源消耗；開發更有效的接觸面和更快的循環，以減少設備體積。

 

      （2）固體吸附劑吸附：開發新型吸附材料以改善性能；開發新材料的標準化測試流程；減小設備尺寸以降低成本。

 

      （3）膜技術：開發聚合物膜；競爭吸附、滲透以及H2與CO2之間的污染研究；膜特性（接觸面積等）研究，以進行有效分離；影響分離過程的CO2濃度和壓力研究；密封、穩定性、機械應力、結垢、水凝結和耐用性研究。

 

      （4）高溫循環系統（化學鏈燃燒和鈣循環）：第二代和第三代技術的效率提高；優化固體燃料反應器中的燃料轉化過程；需要具有合理反應性和機械穩定性的材料來解決化學反應活性。

 

      （5）過程和系統改進：提升氧氣分離效率，降低成本；開發用于高溫高壓燃燒系統和超臨界CO2系統的材料；優化用于極端溫度條件的材料，如用于高溫高壓下H2與CO2分離的材料；改善使用低階煤的氣化爐性能；設計和改進富氫燃氣輪機組件以適應較高的燃燒溫度和冷卻要求。

 

      3、大規模部署的障礙

 

      影響碳捕集技術大規模部署的技術障礙主要包括：

 

      •  改善因效率下降導致的附加損失；

 

      •  降低溶劑再生及捕集成本；

 

      •  針對惡劣條件進行材料優化，以提高可用性并降低成本；

 

      •  控制除CO2以外的排放物，例如胺降解；

 

      •  確定采用CO2捕集的鍋爐和氣化爐的最佳運行條件；

 

      •  靈活集成到運行模式中；

 

      •  改善發電循環；

 

      •  進行全面示范，以增強潛在未來投資者和公眾的認識和信心。

 

二、碳利用技術

 

      1、技術現狀及目標

 

      利用CO2可以合成多種產品，各自的技術進展程度有所不同，如利用CO2生產尿素已經可以應用于市場，而生產燃料和化學品尚處于開發階段。催化合成是最先進的碳利用途徑，其中電化學和光化學轉化的碳排放較低，藻類合成是用于生物燃料生產的新型技術。不同碳利用技術的成熟度如圖1所示。

 

 

圖1 不同碳利用技術的技術成熟度

 

      歐盟SET-Plan設定的碳利用目標為：（1）開發并示范將CO2轉化為輕質烯烴（主要是乙烯和丙烯）的途徑（技術成熟度4級以上），主要包括利用改進的費托催化劑實現CO2直接轉化，以及將CO2經甲醇轉化為烯烴的間接轉化方法；（2）開發和示范將CO2轉化為精細化學品的途徑（技術成熟度6級以上）；（3）開發和示范將CO2轉化為聚合物的途徑（技術成熟度6級以上）；（4）開發和示范利用煙氣中捕集的CO2生產礦物碳酸鹽及將其作為水泥添加劑的用途（技術成熟度6級以上）。

 

      2、技術趨勢及需求

 

      •  設計流程和商業模式，以使基于CO2的產品具有市場競爭力。

 

      •  對使用碳利用技術可以避免的化石燃料消耗量進行評估。

 

      •  評估整個價值鏈中通過特定途徑實現的凈減排量。

 

      •  通過使用標準化工具的生命周期評估模型評估整個供應鏈的碳排放量。

 

      •  通過設計熱集成工廠、完善的環境控制系統和靈活運行來優化流程。

 

      •  與其他部門的協同作用，如使用可再生能源（作為零排放能源）和智能電網。

 

      •  根據不同碳利用途徑的濃度和雜質需求，確定最佳的CO2來源。

 

      •  加強碳排放交易監管，避免將碳利用作為套利工具。

 

      •  驗證用于緩解氣候變化的某些碳利用技術的效率。

 

      3、大規模部署的障礙

 

      決定碳利用市場競爭力的主要因素在于CO2原料的可用性和質量、H2原料（如果需要）的可用性和質量，以及提供H2的電力成本。一些利用工藝，如德國sunfire公司和奧迪公司的燃料合成技術已經得以部署，但其他技術水平仍較低。還需提升市場對碳基產品的認可，相關激勵措施極為重要。其他一些間接影響還包括：碳價，將碳利用工廠與可再生能源資源整合，可再生能源投資者對于與碳利用工廠整合的興趣等。