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(wù)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(biāo)和需求、技術(shù)障礙以及到2050年的技術(shù)經(jīng)濟預(yù)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(biāo)

 

      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(yīng)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(shè)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(biāo)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(dāng)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(biāo)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(yīng)動力學(xué)，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(yīng)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(xué)相互作用和/或表面反應(yīng)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(dāng)前研究的重點，歐盟相關(guān)項目多集中在化學(xué)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(shè)定了如下目標(biāo)：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(chǔ)；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(xué)鏈循環(huán)的技術(shù)成熟度達到6級，為中試工廠奠定基礎(chǔ)；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(xué)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(xué)/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(shè)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(biāo)準(zhǔn)化測試流程；減小設(shè)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(yīng)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(xué)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(yīng)器中的燃料轉(zhuǎn)化過程；需要具有合理反應(yīng)性和機械穩(wěn)定性的材料來解決化學(xué)反應(yīng)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(shè)計和改進富氫燃氣輪機組件以適應(yīng)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(dǎo)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(rèn)識和信心。

 

二、碳利用技術(shù)

 

      1、技術(shù)現(xiàn)狀及目標(biāo)

 

      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(yīng)用于市場，而生產(chǎn)燃料和化學(xué)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(xué)和光化學(xué)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(shè)定的碳利用目標(biāo)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(xué)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)化工具的生命周期評估模型評估整個供應(yīng)鏈的碳排放量。

 

      •  通過設(shè)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(rèn)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。