隨著全球氣溫升高，颶風(fēng)、洪水、干旱等極端氣象事件出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度不斷增加，氣候變暖已受到全世界廣泛關(guān)注。據(jù)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第四份氣候變化評(píng)估報(bào)告[1]預(yù)測(cè)：全球氣溫在二十一世紀(jì)末可能升高1.1~6.4℃。如果溫升達(dá)到1.5℃，則全球有20%~30%的動(dòng)植物將面臨滅絕。如果溫升達(dá)3.5℃以上，那么將有40%~70%的物種面臨滅絕。二氧化碳是一種主要的溫室氣體，它對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)率超過(guò)了60%[2]，減少二氧化碳排放已經(jīng)成為全球最緊迫的環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)已經(jīng)對(duì)世界作出莊嚴(yán)承諾：二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。煤基工業(yè)行業(yè)開(kāi)展二氧化碳（CO2）減排是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要領(lǐng)域，而碳捕集、利用與封存技術(shù)（Carbon Dioxide Capture，Utilization andStorage，簡(jiǎn)稱(chēng)CCUS）是目前公認(rèn)的唯一能夠在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模減排的技術(shù)手段。世界各國(guó)早在二十多年前就開(kāi)始對(duì)CCUS技術(shù)進(jìn)行探索，整體而言目前CCUS技術(shù)取得了許多進(jìn)步和成績(jī)，但是仍處于試點(diǎn)示范階段，運(yùn)行成本高是該技術(shù)大規(guī)模推廣面臨的主要問(wèn)題之一。CCUS主要包括捕集、運(yùn)輸、利用、封存等，不同行業(yè)開(kāi)展碳捕集項(xiàng)目的成本因技術(shù)流程、煙氣CO2濃度、捕集技術(shù)成熟等參數(shù)不同有所差異，而在CCUS產(chǎn)業(yè)鏈中，整體上碳捕集環(huán)節(jié)的成本占總成本的70%以上[3]。進(jìn)一步降低碳捕集成本是CCUS技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”的關(guān)鍵。目前可工業(yè)化應(yīng)用的碳捕集技術(shù)主要是胺化學(xué)吸收法和變壓吸附法，而低壓變壓吸附法碳捕集技術(shù)具有能耗低、易于自動(dòng)化控制、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，在煙氣碳捕集領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。
2胺化學(xué)吸收法碳捕集技術(shù)及其面臨的問(wèn)題
2.1胺化學(xué)吸收法原理與工藝胺化學(xué)吸收法是利用CO2的酸性特點(diǎn)，采用堿性溶液進(jìn)行酸堿化學(xué)反應(yīng)吸收，然后借助逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)吸收溶液的再生。堿性胺吸收溶液與煙氣中的CO2在吸收塔中逆流接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不穩(wěn)定的水溶性復(fù)合物，而不穩(wěn)定復(fù)合物在加熱再生的再生塔內(nèi)會(huì)逆向分解釋放出CO2，從而達(dá)到從煙氣捕集CO2的目的。
圖 2.1 胺吸收法 CO2捕集工藝流程簡(jiǎn)化圖
煙氣中的酸性氣體除CO2外，還有NOX、SOX等。氨吸收溶液對(duì)低壓煙氣中的酸性氣體不具有專(zhuān)一的選擇性，從而導(dǎo)致了額外的藥劑消耗，與此同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱穩(wěn)定性鹽，如氨基硫酸鹽等。此外，SO2還會(huì)影響吸收劑的降解率。相關(guān)研究表明：對(duì)目前開(kāi)發(fā)的吸收劑來(lái)說(shuō)，煙氣中SO2的濃度需要控制在10mg/m3[4]。作為二氧化碳排放占比最大的火力發(fā)電行業(yè)，雖然我國(guó)制定的火力發(fā)電廠(chǎng)排放標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)最為嚴(yán)格，SO2的排放濃度在50~200mg/m3，但這一指標(biāo)仍不滿(mǎn)足胺化學(xué)吸收法碳捕集的要求。采用胺化學(xué)吸收法的各技術(shù)商對(duì)煙氣進(jìn)行了精脫硫、脫硝、脫汞等預(yù)處理，再進(jìn)行二氧化碳的捕集，如殼牌康索夫公司2014年在加拿大SaskPower燃煤電廠(chǎng)示范項(xiàng)目，碳捕集流程為煙氣經(jīng)除塵、脫硫、脫硝處理后，再經(jīng)脫硫吸收塔進(jìn)一步降低SO2的濃度，最后再進(jìn)脫碳塔進(jìn)行碳捕集[5]。德國(guó)西門(mén)子碳捕集工藝也是先進(jìn)行脫除SO2和NOX的預(yù)處理，再進(jìn)行煙氣二氧化碳的捕集。煙氣預(yù)處理必然會(huì)增加碳捕集投資和運(yùn)行費(fèi)用，直接增加了碳捕集的成本。此外，富液需要在110℃左右完成再生，再生能耗高；煙氣中SO2、O2、飛灰等的作用，不可避免會(huì)引起胺液的降解從而發(fā)生一系列設(shè)備腐蝕問(wèn)題。
3四川鴻鵠低壓變壓吸附碳捕集技術(shù)及其特點(diǎn)
3.1四川鴻鵠低壓變壓吸附碳捕集工藝
變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）技術(shù)是基于氣體組分在固體多孔材料上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力的變化而變化的特性，通過(guò)加壓吸附完成混合氣體的分離，通過(guò)降壓解吸完成吸附劑的再生，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離或提純。四川鴻鵠科技集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的低壓變壓吸附碳捕集工藝是指在較低的煙氣壓力下（50kPaG左右）進(jìn)行煙氣碳捕集的PSA技術(shù)。
圖 3.1 低壓變壓吸附碳捕集工藝流程簡(jiǎn)圖
在常規(guī)PSA法碳捕集工藝中，需要將煙氣壓縮到0.5~0.6MpaG，在PSA碳捕集工藝中煙氣增壓能耗占的比例最大，其次才是真空泵能耗，故常規(guī)PSA法碳捕集工藝能耗高，不能在碳捕集領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。低壓PSA碳捕集技術(shù)需要的煙氣壓力低，可以大幅度降低碳捕集能耗。此外，可以節(jié)省煙氣壓縮機(jī)投資及其配套的公輔工程投資。在低壓PSA碳捕集工藝中，煙氣只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的水洗除塵預(yù)處理，而煙氣中SO2、NOX可以在吸附劑上很好地完成吸附和解吸，故不需要額外的脫硫脫硝預(yù)處理，又將對(duì)降低碳捕集整體投資和運(yùn)行費(fèi)用產(chǎn)生積極作用。低壓變壓吸附碳捕集技術(shù)具有工藝流程簡(jiǎn)單、投資低、能耗低的特點(diǎn)。但是因?yàn)镾O2、NOX沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置預(yù)處理脫除，水洗后殘余的SO2、NOX會(huì)在再生過(guò)程中進(jìn)入產(chǎn)品二氧化碳中，若捕集的二氧化碳用于封存則可以直接壓縮、運(yùn)輸、封存；若用于工業(yè)，則需要根據(jù)后續(xù)利用行業(yè)對(duì)其雜質(zhì)的需求進(jìn)行處理。
4低壓變壓吸附碳捕集技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
以年10萬(wàn)噸/年燃煤電廠(chǎng)煙氣碳捕集項(xiàng)目為例，對(duì)低壓變壓吸附法碳捕集的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并與目前胺化學(xué)法碳捕集成本進(jìn)行對(duì)比。
4.1碳捕集參數(shù)設(shè)定
原料煙氣以我國(guó)燃煤電廠(chǎng)煙氣CO2普遍含量12%（濕基）為計(jì)算基礎(chǔ)，從原電廠(chǎng)FGD脫硫裝置出口引出煙氣進(jìn)行碳捕集，凈化煙氣返回原煙道系統(tǒng)排放，其中煙氣粉塵、SO2、NOX含量按照國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分別取80mg/m3、80mg/m3、300mg/m3。采用兩段法低壓變壓吸附碳捕集技術(shù)，產(chǎn)品氣中二氧化碳含量達(dá)到95%以上，碳捕集率85%，取原煙道氣量為66000Nm3/h。碳捕集裝置年運(yùn)行實(shí)際與發(fā)電廠(chǎng)年一致，按年運(yùn)行時(shí)間8000h設(shè)計(jì)。
4.2二氧化碳捕集能耗
低壓變壓吸附碳捕集裝置消耗的公用工程包括循環(huán)水、儀表空氣、電，以年運(yùn)行時(shí)間8000h為計(jì)算基礎(chǔ)，對(duì)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。為方便比較，參照《綜合能耗計(jì)算通則GB2589》對(duì)能耗進(jìn)行折算。
表 4.1 10 萬(wàn)噸/年低壓變壓吸附碳捕集裝置能耗
| 消耗項(xiàng)目 | 規(guī)格 | 數(shù)量/年 | 能耗折算值 | 能耗 | 備注 |
| 循環(huán)水 |
符合：
GB50746-2012
石油化工循環(huán)
水場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范
的水質(zhì)要求
|
4X106噸 | 2.51MJ/噸 | 1.00 X107MJ | 500t/h |
| 儀表空氣 |
壓力
0.5~0.7MPa
|
1.6 X106Nm3 | 1.17MJ/Nm3 | 1.87X106MJ | 200Nm3 /h |
| 電 | 380V,6000V |
2.388 X107
kw·h
|
3.6MJ/ kw·h | 8.60 X107MJ | 2985kw/h |
通過(guò)上述數(shù)據(jù)，該裝置年能耗總額為9.8×104GJ，折算單位二氧化碳能耗為0.98GJ/t CO2。低壓變壓吸附法碳捕集能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《煙氣二氧化碳捕集純化工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T51316-2018》規(guī)定的二氧化碳捕集裝置能耗不高于4.2GJ/t CO2的要求。4.3碳捕集成本分析低壓變壓吸附法碳捕集裝置主要利用吸附原理的物理分離原理，運(yùn)行過(guò)程中僅水泵、真空泵、煙氣增壓風(fēng)機(jī)、程控閥等消耗循環(huán)水、儀表空氣、電，不需要消耗蒸汽。
表 4.2 10 萬(wàn)噸/年低壓變壓吸附碳捕集裝置成本分析
| 序號(hào) | 項(xiàng)目 | 單位 | 數(shù)值 | 備注 | |
| 一 | 裝置投資、折舊及利息 | ||||
| 1 | 碳捕集規(guī)模 | 萬(wàn)噸/年 | 10 | 設(shè)計(jì)產(chǎn)量，折合為 100%純 CO2 | |
| 2 | 二氧化碳純度 |
%（
V）
|
95 | 保證的最低純度 | |
| 3 | 碳捕集率 | % | 85 | ||
| 4 | 總投資 | 萬(wàn)元 | 4500 | 碳捕集部分總投資，不含 CO2壓縮 | |
| 5 | 設(shè)備折舊年限 | 年 | 15 | ||
| 6 | 年折舊費(fèi) | 萬(wàn)元 | 300 | 直線(xiàn)折舊 | |
| 7 | 貸款年利率 | % | 5.5 | ||
| 8 | 平均年利息 | 萬(wàn)元 | 369.7 | 按總投資全額貸款，復(fù)利計(jì)算 | |
| 9 | 年管理費(fèi) | 萬(wàn)元 | 90.0 | 費(fèi)率 2%，以總投資為基數(shù) | |
| 10 | 年維修費(fèi) | 萬(wàn)元 | 45.0 | 費(fèi)率 1%，以總投資為基數(shù) | |
| 11 | 年固定成本 | 萬(wàn)元 | 804.7 | ||
| 二 | 碳捕集運(yùn)行費(fèi) | ||||
| 1 | 循環(huán)水單價(jià) | 元/噸 | 0.15 | ||
| 2 | 循環(huán)水量 | 噸/h | 500 | 含洗滌、煙氣增壓、碳捕集消耗 | |
| 3 | 年循環(huán)水費(fèi) | 萬(wàn)元 | 60 | ||
| 4 | 儀表空氣單價(jià) | 元/Nm3 | 0.1 | ||
| 5 | 儀表空氣用量 | Nm3/h | 200 | ||
| 6 | 年儀表空氣費(fèi) | 萬(wàn)元 | 16 | ||
| 7 | 電價(jià) | 元/kw·h | 0.4 | 以燃煤電廠(chǎng)發(fā)電成本價(jià)計(jì)算 | |
| 8 | 碳捕集電耗 | Kw/h | 2985 |
含煙氣洗滌、增壓、碳捕集，折合
為 100%純二氧化碳
|
|
| 9 | 年碳捕集電費(fèi) | 萬(wàn)元 | 955.2 | ||
| 10 | 年可變成本 | 萬(wàn)元 | 1031.2 | ||
| 三 | 總成本及單位成本 | ||||
| 1 | 年總成本 | 萬(wàn)元 | 1835.9 | 固定成本+可變成本 | |
| 2 | CO2單位成本 | 元/噸 | 183.59 | 折合為 100%純二氧化碳捕集成本 |
隨著“碳達(dá)峰、碳中和”計(jì)劃的實(shí)施，CCUS項(xiàng)目在融資政策、商業(yè)模式、碳稅政策和碳價(jià)提高等多方面將獲得有利支撐，屆時(shí)碳捕集成本將進(jìn)一步降低。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究成果，以450元/t作為碳捕集成本的情況下，二氧化碳驅(qū)油（CO2-EOR）項(xiàng)目在當(dāng)前較低的原油價(jià)格和碳市場(chǎng)交易價(jià)格下仍能實(shí)現(xiàn)盈利。低壓變壓吸附碳捕集成本僅184元/t，該技術(shù)應(yīng)用于CO2-EOR項(xiàng)目將具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。
表 4.3 10 萬(wàn)噸/年燃煤電廠(chǎng)煙氣碳捕集技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析
| 比較項(xiàng)目 |
胺化學(xué)吸收
法碳捕集
|
常規(guī)變壓吸
附碳捕集
|
低壓變壓吸附
碳捕集
|
備注 |
| 一次性投資 | 6000 萬(wàn)元 | 7000 萬(wàn)元 | 4500 萬(wàn)元 | 節(jié)省投資 25~35% |
| 單位能耗 | 2.8~3.8GJ/t | 2.2~2.7GJ/t | 0.9~1.2GJ/t | 節(jié)省能耗約 50~60% |
| 單位成本 | 300① | 332 | 183 | 節(jié)省約 40~45% |
注：①根據(jù)文獻(xiàn)[7]，當(dāng)前胺化學(xué)吸收法碳捕集成本低值約為300元/噸。通過(guò)上述碳捕集成本的分析可以看出，四川鴻鵠科技集團(tuán)有限公司的低壓變壓吸附法與胺化學(xué)吸收法或常規(guī)變壓吸附法相比，無(wú)論在一次性投資，還是運(yùn)行能耗、運(yùn)行費(fèi)用、單位成本都具有顯著優(yōu)勢(shì)。
5結(jié)論及建議
根據(jù)我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，CCUS技術(shù)路線(xiàn)將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是“碳中和、碳達(dá)標(biāo)”的重要手段。四川鴻鵠科技集團(tuán)有限公司的低壓變壓吸附法碳捕集能耗和成本遠(yuǎn)低于目前廣泛使用的胺化學(xué)吸收法，可以有效提高CCUS項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和生存能力。展望未來(lái)，隨著吸附劑和吸附工藝的進(jìn)一步發(fā)展，以及碳交易價(jià)格的提高，站在CCUS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，低壓變壓吸附碳捕集技術(shù)將助力我國(guó)“碳中和、碳達(dá)標(biāo)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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[2]Halman,M.m.;Stenberg,M.，Greenhouse gas carbon dioxide mitigation.CRC PressLLC:Florida，1999 p 9-15.
[3]Dolf G.IEA/EET Working Paper,Paris,2003.
[4][2]Puxty G.et al.A novel process concept for the capture of CO2 and SO2 using a single solvent and column.Energy Procedia,2014(63):703-714.
[5]張啟陽(yáng).淺談燃煤電廠(chǎng)煙氣二氧化碳捕集工藝的近零排放.山東工業(yè)技術(shù)，2015.
[6]劉牧心，梁希，林千果.碳中和背景下中國(guó)碳捕集、利用與封存項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，熱力發(fā)電，2021.
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