海外碳捕捉技术的发展与启示

王婷婷

近年来，全球温室效应受到越来越多国家的关注，人们围绕降低和控制二氧化碳等温室气体排放，研究开发了很多新的技术，其中最有代表性的是碳捕捉、利用与储存技术（Carbon Capture Utilization and Storage, 以下简称CCUS或碳捕捉技术）。此项技术经过几十年的发展，已经成为钢铁企业降低碳排放量的一种可行方法。借鉴国外应用技术手段捕获和存储CO2的做法，以减少对大气的碳排放，对我国钢铁行业的清洁生产、可持续发展和实现双碳目标具有积极意义。

一、碳捕捉的主要方式

碳捕捉，通俗讲就是将高碳排放企业如大型钢铁厂、水泥厂和发电厂所产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存，避免其排放到大气中的一项技术。其方法是在燃烧源中分离出CO2，并进行收集、净化和压缩，降低工厂中CO2的排放，进而减少大气中CO2的数量。该技术主要包含：燃烧前捕捉技术、富氧燃烧捕捉技术及燃烧后捕捉技术。

燃烧前捕捉（pre-combustion capture或integrated gasif ication combined-cycle，简称 IGCC）

该方法首先使用氧气或者空气，将煤炭和生物质燃料等原料气化后再进入燃烧段进行反应。与此同时，通入一定的水蒸气，最终形成CO2、CO、H2、N2以及硫化物等。由于此时的混合合成气气压很高（约30～50个大气压），对CO2的分离就变得容易很多。最后CO2经过吸收、吸附、膜分离等技术处理后被压缩和运输，进入下一个步骤。剩下的气体则或被排空（N2等），或被再次利用（CO、H2等）。

燃烧后捕捉（post-combustion capture，简称PCC）

顾名思义，就是在工艺的燃烧部分之后进行捕捉。该方法多用于发电厂，往往在电厂燃烧段之后放置一吸收分离装置，使用溶剂对CO2进行吸收，最后吹脱出CO2气体并压缩，进入运输管道。

氧气燃烧（Oxy-combustion)

该方法主要是将空气中的氮气与氧气分离，使用纯氧对燃料进行燃烧，提高燃烧效率和CO2的纯度，降低 CO等副产物的产生。该技术经过多年发展，已经被广泛应用于各行各业，如炼油行业、水泥行业、钢铁行业等。

二、世界主要国家相关机构及代表性碳捕捉技术

1.美国能源部国家碳捕集中心(NCCC)

美国国家碳捕集中心是为发展具有成本效益的燃煤电厂碳捕集技术而成立的，由美国能源部进行资助并提供设施，在燃煤烟气和合成气商业化环境下，长期测试开发的技术，以加快具有成本效益的碳捕集技术开发，并确保能继续利用煤炭发电。NCCC测试并评估CO2控制技术，包括CO2捕集溶剂、传质设备、低成本水气交换反应堆、规模扩大的薄膜技术，以及改善CO2压缩方法。由于具备在多种流程和工艺条件下运行的能力，NCCC的研究可以有效地评估技术的成熟性。目前已有20家技术开发商在该平台测试了24种不同技术。 NCCC两个主要的研究领域是CO2燃烧前捕集和燃烧后捕集。

2.日本海上碳捕捉技术

日本川崎汽船与三菱造船、日本船级社合作研发了该技术，并用此技术制成全球首个海上碳捕捉器。预计到2021财年年末，将在川崎汽船的一艘运煤船上运行碳捕捉器示范设备，并测量该系统在船用条件下的性能。作为全球首个船舶示范测试，该项目将从船舶设备和船舶废气中捕捉二氧化碳，为实现船舶零排放设施的设计和运行提供经验。该项目得到了日本国土交通省海事局的支持，作为其推进船舶资源技术研究开发支持项目的一部分。

3.加拿大SaskPower 碳捕集测试

加拿大 SaskPower公司在萨斯喀彻温省埃斯特万启动新的碳捕集测试装置。装置位于边界大坝碳捕集项目附近，依托Shand电厂建造，耗资7000万美元。加拿大政府通过自然资源部的生态能源技术项目投资，倡议对该装置的设计提供130万美元的资助。该装置与运营中的Shand燃煤电厂连接，提供测试不同的胺溶液捕集技术的独特平台。此碳捕集测试是一个模块化装置，许多独立部分都可以进行分离、修改和操作，以测试特定的碳捕集技术。企业可以追踪该技术在运行过程中的性能表现，以适应实际的商业化运行条件。

4.澳大利亚深海碳捕集项目

澳大利亚的深海碳捕捉技术主要是捕集二氧化碳，将其液化并运输到澳大利亚近海的某个地点，再注入海底。利用小规模浮动生产液化天然气技术，澳大利亚将在其近海建立一个浮动设施，每年可向海底注入150万吨二氧化碳。

澳大利亚政府最近将碳捕集与封存列为五项优先发展技术之一，使其从一项旨在减少碳排放的180亿澳元(130亿美元)计划中获取资金。如果研究和工程设计工作如期进行，该项目可能会在2027年后开始注入二氧化碳。

5.丹麦DecarbonICE 技术解决方案

丹麦海事发展中心开展的DecarbonICE技术解决方案，包括捕获和封存两个部分：在船上通过低温过程捕获船舶废气中的二氧化碳和其他温室气体(GHG)，并将其变成干冰；在正常的船舶作业过程中，利用成熟的海上技术将干冰运输到海底沉积物中。在该项目中，二氧化碳将以液态二氧化碳和二氧化碳水合物的形式安全、永久地储存。

DecarbonICE方案可以用于新建的船舶，也可用于现有船舶的改造，该方案得到了日本船东日本邮船(NYK Line)、新加坡油轮船东Teekay、新加坡环球航运集团(BW Group)、爱尔兰船东阿德莫尔(Ardmore)、俄罗斯最大航运公司Sovcomflot、巴西淡水河谷公司(Vale)以及挪威独立油轮船东和运营商Knutsen OAS等船东和租船人的支持。与未来的碳中性燃料(如生物燃料和电力燃料)相结合，该脱碳技术可以创造负碳运输的可能，从而以比岸上碳捕获低得多的成本，为大气碳减排做出贡献。

6.挪威蒙斯塔德碳捕集技术测试(TCM)

蒙斯塔德技术中心是世界上规模最大的碳捕集技术测试中心，位于挪威西海岸卑尔根市北部，毗邻蒙斯塔炼油厂。TCM由两个碳捕集装置组成，每个装置每年能从附近的炼油厂和燃气电厂分别捕集8万吨、2万吨二氧化碳。未来TCM拥有可用空间和基础设施，来维持下一代技术的测试。TCM每年的运行成本达到3亿挪威克朗(约4880万美元)，其中的碳捕集技术测试项目，主要是研究如何扩大规模和降低未来全规模捕集运行的技术风险。壳牌康索夫公司、阿克(Aker)、阿尔斯通和CarbonCleanSolutions公司均在该中心进行过测试。

7.沙特阿美能源通用绿色转化器技术

在欧盟资金支持下，沙特阿美能源风险投资公司(Saudi Aramco Energy Ventures)资助设立了Daphne 技术公司，旨在解决各种燃料所产生的二氧化碳，计划在2021年底前安装世界首个实现循环经济的干式废气清洁系统。

目前，该公司正在开展多个试点项目，其中一个期间项目是开发即插即用的通用绿色转化器，以消除废气中的有毒污染物和GHG排放物，包括99%的硫氧化物(SOx)和颗粒物(PM)，以及85%的氮氧化物(NOx)。与市场上其他可用的单一污染物减排技术相比，该多污染物减排技术在减少空气和海洋污染方面更加有效。该技术安装简单、快捷、便宜。此外，该技术涉及高能电子，能分解烟囱中的废气分子，因此排放出来的物质可以被捕获、存储和再利用作肥料生产。

三、国外碳捕捉技术发展经验及启示

1.碳捕捉技术的成本决定其能否得到大规模应用

根据欧洲碳捕捉技术的发展经验，大规模使用碳捕获、利用和封存技术，需要巨大的地质存储能力。目前，在北美洲和西欧的英国、荷兰和挪威，已经发现了合适的沉积盆地。欧洲经委会正在研究东欧、高加索和中亚地区的地质储存潜力，特别是俄罗斯、哈萨克斯坦、阿塞拜疆和里海的地质储存潜力。碳捕获、利用和封存技术的成本是项目开发的主要障碍之一。专家估计，仅欧洲地区到2050年应用碳捕获、利用和封存技术的成本就可能达到3200亿欧元，所需的交通基础设施投入可能要再增加500亿欧元。碳捕捉数成本降低的速度将决定能否大规模推动这一技术的应用。

2.碳捕捉技术的大规模应用需要国际合作

根据联合国欧洲经委会的报告，欧洲目前着眼于各种可用于碳捕获和利用的技术有31个项目，北美有24个项目。斯堪的纳维亚半岛地区、美国和英国在碳捕获、利用和封存技术准备方面处于领先地位，这些国家制定了试点项目并实施了所需的监管框架。根据欧美碳捕捉技术研发的经验，此项技术的大规模应用需要各国进行合作，以提高大型清洁能源基础设施项目的投入产出比，同时需要共享技术应用以及法规和政策基础架构方面的最佳实践，以支持行业和政府做出长期的环境承诺。而较小的国家需要国际合作伙伴和资金，以使碳捕获、利用和封存技术成为现实。要在2030年之前，使此项技术成为各国都能负担得起的、可靠的、可实施的技术，需要更多的国际合作与共享。