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(jìn)研發(fā)工作正在進(jìn)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(jìn)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(dá)到90%;用于溶劑再生和/或獲得氧氣的能耗達(dá)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(dá)到7-8級,溶劑再生的熱負(fù)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(jìn)一步的改進(jìn)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(fù)載能力,改進(jìn)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(dá)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(fù)載能力;減少吸收熱量;改進(jìn)溶劑再生條件以在更高壓力下進(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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?xì)廨啓C技術(shù)成熟度達(dá)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(dá)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(fù)載/部分負(fù)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(jìn)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(jìn):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(jìn)富氫燃?xì)廨啓C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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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。
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