碳捕集、利用与封存(CCUS)价值链研究.docx

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1、碳捕集、利用与封存(CCUS)价值链研究二氧化碳(COJ有望成为生产可再生燃料的原料。在此背毋下，用以捕集和净化源自工业的Ca的新基础设施将投入建设。本文介绍了碳捕集、利用与封存(CCUS)价值链。文章详细阐述了通过集成co?净化工艺和整体齿轮式压缩机，捕集、净化及压缩这些极具技术与经济挑战性的任务，是如何得以被优化的。一、CCUS价值就1 .以Coa和氢气为中心的能源基础设施MANEnergySo1.u1.ions致力于建立以CO：,利用和可再生氢为中心的能源基础设施。随着可再生氢的增加，可销售产品中Co的使用也将隙之增加。这一新的基础设施将在未来几十年成为繁荣的源泉，即便口后我们实现了碳中

2、和，CO2的捕集和分配仍将继续。发电厂、水泥厂、炼油厂、石化厂和钢铁厂等大型点污染源排放大量C0”在捕集、净化和压缩后，Oh通过管道被传送至工业生产商，后者将其作为原材料投入工艺流程。大部分C0的直接利用都是临时性的，因为在该产品被消耗时，C0：被释放(如饮料、干冰、合成燃料和大多数化学品)。这些小型分散性碳排放无法以经济的方式IU1.收，会被重新释放到大气中。因此，这些使用C0?的合成产品的碳平衡至多只是循环性的。仅有少数用途的COz会被永久消除，例如聚碳酸酯和混凝土养护。大多数碳化物中的熔含量远高于COe含量，因此需要大量以氢气形式存在的可再生能源，才能将C02转化为可销售产品。可再生能源

3、的可用性越高，避免碳排放或Ca转化的可能性就越高，最终co?封存量就越低。co2的地质封存仍有其必要性，根据国际能源署设定的可持续发展情景要求，到2050年及以后，每年至少需要5.6G的碳封存容量。图1Co1.价值链及碳排放前的封存期图源ANEnergySo1.utions2 .捕集和净化大多数大型点污染源排放低浓度CU烟气。如下述全球碳捕集与封存研究院2021年的研究所示，随着COZ浓度的降低，能耗以及设备大小均会增加。尽管CO；,分离技术在各类化学工艺中应用/数十年，但低浓度烟气净化仍然是一项成本高、无利可图的投资，即使主要研究在努力减少投资成本与能耗。捕集和净化是CO二价值链中成本最高的

4、一步。全球碳捕集与封存研究院的研究表明，若以使用寿命30年计算，每吉焦煤炭成本为2.1美元，每吉焦天然气则是4.2美元，这意味着上述15%到20%碳捕集成本来自能源本身。能源至关重要，其价格在2022年初上涨了三倍，从根本上改变了碳捕集和封存的经济效益。一些大规模工业流程是碳捕集的理想场景，因为烟气C0：浓度高且净化成本低。尽管捕捉成本更低，仍鲜有这样的碳源被开发利用。ProcessUSOpertonC0tCostin%CO；capture(WPafationandpuricatcn)50-160CObeOfnPrMaionanddehydration15-2515Pp11et8119pOO1

5、15-2510Storage5-2S10MorMonng5-105Tab.1:CostofcapturingndPUrWmgcrbondioxidProcessCOconcntratknReferencep1.antEthyrwomk!Ethanoi1.emwitatKyi90%85%ArcherDameiMidtafxte.2017,Coaigasfcatosyngas_Nahjra1.g-WfcynwgayngasStMfD11wttwwHo11wiq40DakotaGasification.20,30%-30ArProducts.PortArttux.20181Natura1.gaspr

6、ocessing40%Steipnergesfieid.2O12,CtADM20171CtDatoUGavfiCAbonCcmpeny202111.deAGHG20184CtMANEnergySMxn2020Tab.2:COtcocntratk)nindifferentprocesses图2碳捕集与净化成本（上）不同工艺流程中的CO：浓度（下）图源/MANEnergySo1.utions二、碳捕集捕集C（的方法可分为三类：燃烧后捕集、富氧燃烧捕集和燃烧前捕集。1 .燃烧后捕集燃烧后捕集技术在燃烧后将COz从烟气中分离。具有C（高亲和力的选择性化学溶剂，例如胺，最适用于C（低分压的烟气，绝大多数

7、现有工业排放可采用该技术捕集。胺吸收是一项成熟技术，改造过程通常不会影响现有工艺，也无需大量的技术变更。这也是AkerCarbonCaPtUre公司的建议，采用COz压缩加热胺的模块化装置。胺吸收有良好的应用记录，多个大型工业装置正在运行，包括2016年SaskPowerBoundaryDam项目,2017年PetraNova,Texas项目，2021年HeidC1.bCrgCemenI,Brevik项目。胺吸收技术的劣势在于溶剂再生需要额外多达20%至30%能耗。Rg.3:B1.ockMgrMnofpost-conSrt)OncaptureanditsmmcftarcrtucsFtg.4:P

8、ostcombuUoncapture图3燃烧后碳捕集原理图及其主要特征()燃烧后捕集技术(下)图源/MANEnergySo1.utions2 .富新燃烧捕集新基建为富氧燃烧技术提供了机遇。纯氧取代空气与循环尾气混合。燃烧后水和其它残留物很容易从CO二中分离出来。VattenfaIS公司对一燃煤电厂的能耗研究表明，该技术可减少19%的电力输出（cf.Stromberg2008）。这种燃烧前捕集方法的效率略高于燃烧后捕集方法，但需要在全新电厂中投资建设。Fiy.5:B1.ockdiagramofxyhe4combut)ncarboncaturandrtsmamcharacteristicsBtMM

9、T*Ag.:Oxy-futxstoC4ptur图4富氧燃烧碳捕集原理图及其主要特征（上）富新燃烧捕集技术（下）图源/MANEnergySo1.utions3 .燃烧前捕集燃烧前捕集是指在燃烧前去除co*首先，水蒸汽甲烷重整或气化（如天然气、煤或生物质）产生合成气。随后，合成气发生水-气变换反应将一氧化碳和水转化为氢气和CO”C（M衣度高且可被分离，而剩余氢气作为燃料使用。”7:B1.ockm9utcnMftoncapturMdHemkcMrctrtMc”:Pr-combuWoncap：Aiia1.ot0rd*knto图U轴向进气与径向进气叶轮对比图源/MANEnergySo1.utions3

10、.叶轮流量系数和效率当叶轮中的通流路径变窄时，泄漏损失和边界层（摩擦损失）会不成比例地增加。这些损失会随着流量的增加而减少，但气动损失缓慢增加，进而在特定范围实现效率最大化。整体齿轮式压缩机为优化速度提供了更广阔空间，并可以将叶轮流量系数保持在最佳多变效率范围内。这会对高分子量气体（如COJ产生影响，导致其体积迅速减小。而单轴压缩机则采用窄叶轮，以便在后续各级压缩气体时获得足够的压头。I1.*J图12叶轮损失与离心流量系数的关系（左）转速与不同压缩级入口流量系数的关系（右）图源/MANEnergySo1.utions4 .等温压缩等温压缩是增加气体压力的最有效方式。在恒定温度3移除压缩热技术上无法实现，因此需要多变压缩与冷却技术交替进行。与单轴压缩机设计不同，整体齿轮式压缩机可在每个压缩机之间进行中间冷却，使压缩近似于等温冷却在技术上可行。5TSoICMX)Entha1.py(kgFt