隨著全球氣溫升高，颶風、洪水、干旱等極端氣象事件出現的頻率和強度不斷增加，氣候變暖已受到全世界廣泛關注。據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四份氣候變化評估報告[1]預測：全球氣溫在二十一世紀末可能升高1.1~6.4℃。如果溫升達到1.5℃，則全球有20%~30%的動植物將面臨滅絕。如果溫升達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，它對全球氣候變化的貢獻率超過了60%[2]，減少二氧化碳排放已經成為全球最緊迫的環境問題。我國已經對世界作出莊嚴承諾：二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。煤基工業行業開展二氧化碳（CO2）減排是推動實現碳達峰碳中和的重要領域，而碳捕集、利用與封存技術（Carbon Dioxide Capture，Utilization andStorage，簡稱CCUS）是目前公認的唯一能夠在該領域實現大規模減排的技術手段。世界各國早在二十多年前就開始對CCUS技術進行探索，整體而言目前CCUS技術取得了許多進步和成績，但是仍處于試點示范階段，運行成本高是該技術大規模推廣面臨的主要問題之一。CCUS主要包括捕集、運輸、利用、封存等，不同行業開展碳捕集項目的成本因技術流程、煙氣CO2濃度、捕集技術成熟等參數不同有所差異，而在CCUS產業鏈中，整體上碳捕集環節的成本占總成本的70%以上[3]。進一步降低碳捕集成本是CCUS技術大規模應用和實現“碳達峰碳中和”的關鍵。目前可工業化應用的碳捕集技術主要是胺化學吸收法和變壓吸附法，而低壓變壓吸附法碳捕集技術具有能耗低、易于自動化控制、不產生二次污染等特點，在煙氣碳捕集領域具有很大的優勢。
2胺化學吸收法碳捕集技術及其面臨的問題
2.1胺化學吸收法原理與工藝胺化學吸收法是利用CO2的酸性特點，采用堿性溶液進行酸堿化學反應吸收，然后借助逆反應實現吸收溶液的再生。堿性胺吸收溶液與煙氣中的CO2在吸收塔中逆流接觸并發生化學反應，生成不穩定的水溶性復合物，而不穩定復合物在加熱再生的再生塔內會逆向分解釋放出CO2，從而達到從煙氣捕集CO2的目的。
圖 2.1 胺吸收法 CO2捕集工藝流程簡化圖
煙氣中的酸性氣體除CO2外，還有NOX、SOX等。氨吸收溶液對低壓煙氣中的酸性氣體不具有專一的選擇性，從而導致了額外的藥劑消耗，與此同時還會產生熱穩定性鹽，如氨基硫酸鹽等。此外，SO2還會影響吸收劑的降解率。相關研究表明：對目前開發的吸收劑來說，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電行業，雖然我國制定的火力發電廠排放標準在全球范圍內最為嚴格，SO2的排放濃度在50~200mg/m3，但這一指標仍不滿足胺化學吸收法碳捕集的要求。采用胺化學吸收法的各技術商對煙氣進行了精脫硫、脫硝、脫汞等預處理，再進行二氧化碳的捕集，如殼牌康索夫公司2014年在加拿大SaskPower燃煤電廠示范項目，碳捕集流程為煙氣經除塵、脫硫、脫硝處理后，再經脫硫吸收塔進一步降低SO2的濃度，最后再進脫碳塔進行碳捕集[5]。德國西門子碳捕集工藝也是先進行脫除SO2和NOX的預處理，再進行煙氣二氧化碳的捕集。煙氣預處理必然會增加碳捕集投資和運行費用，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，不可避免會引起胺液的降解從而發生一系列設備腐蝕問題。
3四川鴻鵠低壓變壓吸附碳捕集技術及其特點
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，通過加壓吸附完成混合氣體的分離，通過降壓解吸完成吸附劑的再生，從而實現混合氣體的分離或提純。四川鴻鵠科技集團有限公司開發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）進行煙氣碳捕集的PSA技術。
圖 3.1 低壓變壓吸附碳捕集工藝流程簡圖
在常規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PSA法碳捕集工藝能耗高，不能在碳捕集領域得到廣泛應用。低壓PSA碳捕集技術需要的煙氣壓力低，可以大幅度降低碳捕集能耗。此外，可以節省煙氣壓縮機投資及其配套的公輔工程投資。在低壓PSA碳捕集工藝中，煙氣只需要進行簡單的水洗除塵預處理，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處理，又將對降低碳捕集整體投資和運行費用產生積極作用。低壓變壓吸附碳捕集技術具有工藝流程簡單、投資低、能耗低的特點。但是因為SO2、NOX沒有單獨設置預處理脫除，水洗后殘余的SO2、NOX會在再生過程中進入產品二氧化碳中，若捕集的二氧化碳用于封存則可以直接壓縮、運輸、封存；若用于工業，則需要根據后續利用行業對其雜質的需求進行處理。
4低壓變壓吸附碳捕集技術經濟性分析
以年10萬噸/年燃煤電廠煙氣碳捕集項目為例，對低壓變壓吸附法碳捕集的技術經濟性進行分析，并與目前胺化學法碳捕集成本進行對比。
4.1碳捕集參數設定
原料煙氣以我國燃煤電廠煙氣CO2普遍含量12%（濕基）為計算基礎，從原電廠FGD脫硫裝置出口引出煙氣進行碳捕集，凈化煙氣返回原煙道系統排放，其中煙氣粉塵、SO2、NOX含量按照國家現行標準分別取80mg/m3、80mg/m3、300mg/m3。采用兩段法低壓變壓吸附碳捕集技術，產品氣中二氧化碳含量達到95%以上，碳捕集率85%，取原煙道氣量為66000Nm3/h。碳捕集裝置年運行實際與發電廠年一致，按年運行時間8000h設計。
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水、儀表空氣、電，以年運行時間8000h為計算基礎，對能耗進行統計計算。為方便比較，參照《綜合能耗計算通則GB2589》對能耗進行折算。
表 4.1 10 萬噸/年低壓變壓吸附碳捕集裝置能耗
| 消耗項目 | 規格 | 數量/年 | 能耗折算值 | 能耗 | 備注 |
| 循環水 |
符合：
GB50746-2012
石油化工循環
水場設計規范
的水質要求
|
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 |
通過上述數據，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遠低于《煙氣二氧化碳捕集純化工程設計標準GB/T51316-2018》規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，運行過程中僅水泵、真空泵、煙氣增壓風機、程控閥等消耗循環水、儀表空氣、電，不需要消耗蒸汽。
表 4.2 10 萬噸/年低壓變壓吸附碳捕集裝置成本分析
| 序號 | 項目 | 單位 | 數值 | 備注 | |
| 一 | 裝置投資、折舊及利息 | ||||
| 1 | 碳捕集規模 | 萬噸/年 | 10 | 設計產量，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 | 萬元 | 4500 | 碳捕集部分總投資，不含 CO2壓縮 | |
| 5 | 設備折舊年限 | 年 | 15 | ||
| 6 | 年折舊費 | 萬元 | 300 | 直線折舊 | |
| 7 | 貸款年利率 | % | 5.5 | ||
| 8 | 平均年利息 | 萬元 | 369.7 | 按總投資全額貸款，復利計算 | |
| 9 | 年管理費 | 萬元 | 90.0 | 費率 2%，以總投資為基數 | |
| 10 | 年維修費 | 萬元 | 45.0 | 費率 1%，以總投資為基數 | |
| 11 | 年固定成本 | 萬元 | 804.7 | ||
| 二 | 碳捕集運行費 | ||||
| 1 | 循環水單價 | 元/噸 | 0.15 | ||
| 2 | 循環水量 | 噸/h | 500 | 含洗滌、煙氣增壓、碳捕集消耗 | |
| 3 | 年循環水費 | 萬元 | 60 | ||
| 4 | 儀表空氣單價 | 元/Nm3 | 0.1 | ||
| 5 | 儀表空氣用量 | Nm3/h | 200 | ||
| 6 | 年儀表空氣費 | 萬元 | 16 | ||
| 7 | 電價 | 元/kw·h | 0.4 | 以燃煤電廠發電成本價計算 | |
| 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 | 萬元 | 955.2 | ||
| 10 | 年可變成本 | 萬元 | 1031.2 | ||
| 三 | 總成本及單位成本 | ||||
| 1 | 年總成本 | 萬元 | 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“碳達峰、碳中和”計劃的實施，CCUS項目在融資政策、商業模式、碳稅政策和碳價提高等多方面將獲得有利支撐，屆時碳捕集成本將進一步降低。根據文獻[6]的研究成果，以450元/t作為碳捕集成本的情況下，二氧化碳驅油（CO2-EOR）項目在當前較低的原油價格和碳市場交易價格下仍能實現盈利。低壓變壓吸附碳捕集成本僅184元/t，該技術應用于CO2-EOR項目將具有顯著的成本優勢。
表 4.3 10 萬噸/年燃煤電廠煙氣碳捕集技術經濟性對比分析
| 比較項目 |
胺化學吸收
法碳捕集
|
常規變壓吸
附碳捕集
|
低壓變壓吸附
碳捕集
|
備注 |
| 一次性投資 | 6000 萬元 | 7000 萬元 | 4500 萬元 | 節省投資 25~35% |
| 單位能耗 | 2.8~3.8GJ/t | 2.2~2.7GJ/t | 0.9~1.2GJ/t | 節省能耗約 50~60% |
| 單位成本 | 300① | 332 | 183 | 節省約 40~45% |
注：①根據文獻[7]，當前胺化學吸收法碳捕集成本低值約為300元/噸。通過上述碳捕集成本的分析可以看出，四川鴻鵠科技集團有限公司的低壓變壓吸附法與胺化學吸收法或常規變壓吸附法相比，無論在一次性投資，還是運行能耗、運行費用、單位成本都具有顯著優勢。
5結論及建議
根據我國“富煤、貧油、少氣”的能源結構特點，CCUS技術路線將在很長一段時間內是“碳中和、碳達標”的重要手段。四川鴻鵠科技集團有限公司的低壓變壓吸附法碳捕集能耗和成本遠低于目前廣泛使用的胺化學吸收法，可以有效提高CCUS項目的經濟性和生存能力。展望未來，隨著吸附劑和吸附工藝的進一步發展，以及碳交易價格的提高，站在CCUS技術發展的關鍵時間節點，低壓變壓吸附碳捕集技術將助力我國“碳中和、碳達標”目標的實現。
參考文獻
[1]Climate Change 2007：Synthesis Report,An assessment of the Intergovernmental Panel on Climate Change.IPCC.2007.
[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.淺談燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集工藝的近零排放.山東工業技術，2015.
[6]劉牧心，梁希，林千果.碳中和背景下中國碳捕集、利用與封存項目經濟效益和風險評估研究，熱力發電，2021.
[7]蔡博峰，李琦，林千果，馬勁風等.中國二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）報告（2019）
[R].生態環境部環境規劃院氣候變化與環境政策研究中心.2020.
