海外碳捕捉技術的發展與啟示

王婷婷

近年來，全球溫室效應受到越來越多國家的關注，人們圍繞降低和控制二氧化碳等溫室氣體排放，研究開發了很多新的技術，其中最有代表性的是碳捕捉、利用與儲存技術（Carbon Capture Utilization and Storage, 以下簡稱CCUS或碳捕捉技術）。此項技術經過幾十年的發展，已經成為鋼鐵企業降低碳排放量的一種可行方法。借鑒國外應用技術手段捕獲和存儲CO2的做法，以減少對大氣的碳排放，對我國鋼鐵行業的清潔生產、可持續發展和實現雙碳目標具有積極意義。

一、碳捕捉的主要方式

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

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

該方法首先使用氧氣或者空氣，將煤炭和生物質燃料等原料氣化后再進入燃燒段進行反應。與此同時，通入一定的水蒸氣，最終形成CO2、CO、H2、N2以及硫化物等。由于此時的混合合成氣氣壓很高（約30～50個大氣壓），對CO2的分離就變得容易很多。最后CO2經過吸收、吸附、膜分離等技術處理后被壓縮和運輸，進入下一個步驟。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，簡稱PCC）

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

氧氣燃燒（Oxy-combustion)

該方法主要是將空氣中的氮氣與氧氣分離，使用純氧對燃料進行燃燒，提高燃燒效率和CO2的純度，降低 CO等副產物的產生。該技術經過多年發展，已經被廣泛應用于各行各業，如煉油行業、水泥行業、鋼鐵行業等。

二、世界主要國家相關機構及代表性碳捕捉技術

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展具有成本效益的燃煤電廠碳捕集技術而成立的，由美國能源部進行資助并提供設施，在燃煤煙氣和合成氣商業化環境下，長期測試開發的技術，以加快具有成本效益的碳捕集技術開發，并確保能繼續利用煤炭發電。NCCC測試并評估CO2控制技術，包括CO2捕集溶劑、傳質設備、低成本水氣交換反應堆、規模擴大的薄膜技術，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行的能力，NCCC的研究可以有效地評估技術的成熟性。目前已有20家技術開發商在該平臺測試了24種不同技術。 NCCC兩個主要的研究領域是CO2燃燒前捕集和燃燒后捕集。

2.日本海上碳捕捉技術

日本川崎汽船與三菱造船、日本船級社合作研發了該技術，并用此技術制成全球首個海上碳捕捉器。預計到2021財年年末，將在川崎汽船的一艘運煤船上運行碳捕捉器示范設備，并測量該系統在船用條件下的性能。作為全球首個船舶示范測試，該項目將從船舶設備和船舶廢氣中捕捉二氧化碳，為實現船舶零排放設施的設計和運行提供經驗。該項目得到了日本國土交通省海事局的支持，作為其推進船舶資源技術研究開發支持項目的一部分。

3.加拿大SaskPower 碳捕集測試

加拿大 SaskPower公司在薩斯喀徹溫省埃斯特萬啟動新的碳捕集測試裝置。裝置位于邊界大壩碳捕集項目附近，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能源技術項目投資，倡議對該裝置的設計提供130萬美元的資助。該裝置與運營中的Shand燃煤電廠連接，提供測試不同的胺溶液捕集技術的獨特平臺。此碳捕集測試是一個模塊化裝置，許多獨立部分都可以進行分離、修改和操作，以測試特定的碳捕集技術。企業可以追蹤該技術在運行過程中的性能表現，以適應實際的商業化運行條件。

4.澳大利亞深海碳捕集項目

澳大利亞的深海碳捕捉技術主要是捕集二氧化碳，將其液化并運輸到澳大利亞近海的某個地點，再注入海底。利用小規模浮動生產液化天然氣技術，澳大利亞將在其近海建立一個浮動設施，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優先發展技術之一，使其從一項旨在減少碳排放的180億澳元(130億美元)計劃中獲取資金。如果研究和工程設計工作如期進行，該項目可能會在2027年后開始注入二氧化碳。

5.丹麥DecarbonICE 技術解決方案

丹麥海事發展中心開展的DecarbonICE技術解決方案，包括捕獲和封存兩個部分：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；在正常的船舶作業過程中，利用成熟的海上技術將干冰運輸到海底沉積物中。在該項目中，二氧化碳將以液態二氧化碳和二氧化碳水合物的形式安全、永久地儲存。

DecarbonICE方案可以用于新建的船舶，也可用于現有船舶的改造，該方案得到了日本船東日本郵船(NYK Line)、新加坡油輪船東Teekay、新加坡環球航運集團(BW Group)、愛爾蘭船東阿德莫爾(Ardmore)、俄羅斯最大航運公司Sovcomflot、巴西淡水河谷公司(Vale)以及挪威獨立油輪船東和運營商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)相結合，該脫碳技術可以創造負碳運輸的可能，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。

6.挪威蒙斯塔德碳捕集技術測試(TCM)

蒙斯塔德技術中心是世界上規模最大的碳捕集技術測試中心，位于挪威西海岸卑爾根市北部，毗鄰蒙斯塔煉油廠。TCM由兩個碳捕集裝置組成，每個裝置每年能從附近的煉油廠和燃氣電廠分別捕集8萬噸、2萬噸二氧化碳。未來TCM擁有可用空間和基礎設施，來維持下一代技術的測試。TCM每年的運行成本達到3億挪威克朗(約4880萬美元)，其中的碳捕集技術測試項目，主要是研究如何擴大規模和降低未來全規模捕集運行的技術風險。殼牌康索夫公司、阿克(Aker)、阿爾斯通和CarbonCleanSolutions公司均在該中心進行過測試。

7.沙特阿美能源通用綠色轉化器技術

在歐盟資金支持下，沙特阿美能源風險投資公司(Saudi Aramco Energy Ventures)資助設立了Daphne 技術公司，旨在解決各種燃料所產生的二氧化碳，計劃在2021年底前安裝世界首個實現循環經濟的干式廢氣清潔系統。

目前，該公司正在開展多個試點項目，其中一個期間項目是開發即插即用的通用綠色轉化器，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)。與市場上其他可用的單一污染物減排技術相比，該多污染物減排技術在減少空氣和海洋污染方面更加有效。該技術安裝簡單、快捷、便宜。此外，該技術涉及高能電子，能分解煙囪中的廢氣分子，因此排放出來的物質可以被捕獲、存儲和再利用作肥料生產。

三、國外碳捕捉技術發展經驗及啟示

1.碳捕捉技術的成本決定其能否得到大規模應用

根據歐洲碳捕捉技術的發展經驗，大規模使用碳捕獲、利用和封存技術，需要巨大的地質存儲能力。目前，在北美洲和西歐的英國、荷蘭和挪威，已經發現了合適的沉積盆地。歐洲經委會正在研究東歐、高加索和中亞地區的地質儲存潛力，特別是俄羅斯、哈薩克斯坦、阿塞拜疆和里海的地質儲存潛力。碳捕獲、利用和封存技術的成本是項目開發的主要障礙之一。專家估計，僅歐洲地區到2050年應用碳捕獲、利用和封存技術的成本就可能達到3200億歐元，所需的交通基礎設施投入可能要再增加500億歐元。碳捕捉數成本降低的速度將決定能否大規模推動這一技術的應用。

2.碳捕捉技術的大規模應用需要國際合作

根據聯合國歐洲經委會的報告，歐洲目前著眼于各種可用于碳捕獲和利用的技術有31個項目，北美有24個項目。斯堪的納維亞半島地區、美國和英國在碳捕獲、利用和封存技術準備方面處于領先地位，這些國家制定了試點項目并實施了所需的監管框架。根據歐美碳捕捉技術研發的經驗，此項技術的大規模應用需要各國進行合作，以提高大型清潔能源基礎設施項目的投入產出比，同時需要共享技術應用以及法規和政策基礎架構方面的最佳實踐，以支持行業和政府做出長期的環境承諾。而較小的國家需要國際合作伙伴和資金，以使碳捕獲、利用和封存技術成為現實。要在2030年之前，使此項技術成為各國都能負擔得起的、可靠的、可實施的技術，需要更多的國際合作與共享。