歐盟發(fā)布CCUS技術(shù)進展報告展望未來發(fā)展趨勢

    近期，歐盟委員會聯(lián)合研究中心在戰(zhàn)略能源技術(shù)規(guī)劃（SET-Plan）信息服務平臺發(fā)布了更新版的《碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)展報告》 ，總結(jié)了碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、目標和需求、技術(shù)障礙以及到2050年的技術(shù)經(jīng)濟預測。關(guān)鍵要點如下：

 

一、碳捕集技術(shù)

 

      1、技術(shù)現(xiàn)狀及目標

 

      至今為止，碳捕集技術(shù)主要基于發(fā)電來定義。第一代碳捕集技術(shù)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(shù)已經(jīng)成熟可以投入商業(yè)應用，只是成本較高，因此相關(guān)的改進研發(fā)工作正在進行中。與發(fā)電相比，工業(yè)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(shù)的分類并不適用于工業(yè)。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(huán)碳捕集等。第二代碳捕集技術(shù)處于研發(fā)階段，將在稍后階段進行示范；第三代技術(shù)正處于概念設計或早期開發(fā)階段，兩者均側(cè)重于開發(fā)更高效、環(huán)保和經(jīng)濟的技術(shù)。目前碳捕集行業(yè)的開發(fā)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(shù)的技術(shù)成熟度已達到7-8級，溶劑再生的熱負荷已經(jīng)從5吉焦/噸CO2降至1.8吉焦/噸CO2，通過溶劑優(yōu)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(fā)目標為：開發(fā)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(shù)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(shù)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(fā)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(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)由多級和循環(huán)流組成。

 

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

歐盟目前資助的相關(guān)研究項目為碳捕集技術(shù)設定了如下目標：胺基溶劑碳捕集技術(shù)成熟度達到7級，為工廠規(guī)模的部署奠定基礎；鈣循環(huán)碳捕集技術(shù)成熟度在“地平線2020”框架計劃資助期內(nèi)提升至7級；化學鏈循環(huán)的技術(shù)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(shù)成熟度達到6級；“地平線2020”資助期內(nèi)溶劑法、吸附劑法、化學鏈燃燒和鈣循環(huán)法技術(shù)成熟度達到7級以后在大規(guī)模工廠中部署。

 

      2、技術(shù)趨勢及需求

 

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

對于每種技術(shù)，可以確定以下趨勢和需求：

 

      （1）基于化學/物理溶劑的吸附：優(yōu)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(fā)更有效的接觸面和更快的循環(huán)，以減少設備體積。

 

      （2）固體吸附劑吸附：開發(fā)新型吸附材料以改善性能；開發(fā)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(shù)：開發(fā)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(wěn)定性、機械應力、結(jié)垢、水凝結(jié)和耐用性研究。

 

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

 

      （5）過程和系統(tǒng)改進：提升氧氣分離效率，降低成本；開發(fā)用于高溫高壓燃燒系統(tǒng)和超臨界CO2系統(tǒng)的材料；優(yōu)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(guī)模部署的障礙

 

      影響碳捕集技術(shù)大規(guī)模部署的技術(shù)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(yōu)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(fā)電循環(huán)；

 

      •  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(shù)

 

      1、技術(shù)現(xiàn)狀及目標

 

      利用CO2可以合成多種產(chǎn)品，各自的技術(shù)進展程度有所不同，如利用CO2生產(chǎn)尿素已經(jīng)可以應用于市場，而生產(chǎn)燃料和化學品尚處于開發(fā)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(zhuǎn)化的碳排放較低，藻類合成是用于生物燃料生產(chǎn)的新型技術(shù)。不同碳利用技術(shù)的成熟度如圖1所示。

 

 

圖1 不同碳利用技術(shù)的技術(shù)成熟度

 

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

 

      2、技術(shù)趨勢及需求

 

      •  設計流程和商業(yè)模式，以使基于CO2的產(chǎn)品具有市場競爭力。

 

      •  對使用碳利用技術(shù)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(xiàn)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(huán)境控制系統(tǒng)和靈活運行來優(yōu)化流程。

 

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

 

      •  根據(jù)不同碳利用途徑的濃度和雜質(zhì)需求，確定最佳的CO2來源。

 

      •  加強碳排放交易監(jiān)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(shù)的效率。

 

      3、大規(guī)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(zhì)量、H2原料（如果需要）的可用性和質(zhì)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(shù)已經(jīng)得以部署，但其他技術(shù)水平仍較低。還需提升市場對碳基產(chǎn)品的認可，相關(guān)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。