大概率2021-2030間CCUS項目更多的是示范工程。全國目前已經建立近十個二氧化碳捕集與利用的電力行業示范工程。水泥、鋼鐵企業也

大概率2021-2030間CCUS項目更多的是示范工程。全國目前已經建立近十個二氧化碳捕集與利用的電力行業示范工程。水泥、鋼鐵企業也在嘗試對接CCUS需求中。印染、液晶、電解鋁行業也在持續推進。但預測各行業大規模實施、部署CCUS技術為：煤電和鋼鐵行業2030-2040，水泥2035-2050，生物質能2040-2060。

CCUS技術背景

國家生態環境部環境規劃院對CCUS進行了定位，首先CCUS技術是實現化石能源低碳化利用的唯一選擇。2050年化石能源仍扮演重要角色，占中國能源消費比例10%-15%。

其次CCUS是保持電力系統靈活性的主要技術手段。火電來加裝CCUS實現近零排放可以保證電力系統的靈活性、可靠性、且平衡可再生能源發電的波動性。

第三，CCUS是鋼鐵、水泥等難減排行業低碳轉型的可行技術。鋼鐵行業即使利用氫還原鐵技術也將持續排放剩余二氧化碳。水泥行業采取減排措施后也將排放剩余二氧化碳。因此加裝CCUS來實現鋼鐵和水泥行業的凈零排放是重要的。

第四，CCUS可以進行新能源耦合實現負排放技術，比如將CCUS與生物質能進行有機結合實現負碳排放。

中科院山西煤炭化學研究所陸詩建教授稱：

CCUS示范項目截止到2020年，國外擁有65個商業化CCUS設施，34個示范項目，8個CCUS技術測試中心，每年整體利用和封存4000萬噸二氧化碳。

而我國有35個CCUS示范項目，6個商業化設施。目前主要示范項目集中在化工和電力工程，體量為每年300萬噸，與國外相比仍有差距。

我國碳排放和CCUS技術現狀

從燃燒的角度，CCUS捕集技術分為燃燒前、燃燒中、和燃燒后。

燃燒前是化工過程中的煤氣化和天然氣凈化技術。燃燒中指的是包括富氧燃燒和化學鏈的化學熱技術。而燃燒后技術是指電廠、鋼鐵廠煙囪排放的燃燒后尾氣的二氧化碳捕集。

我國二氧化碳排放目前最大為燃煤鍋爐煙氣。

其中電廠排放40億噸二氧化碳，燃煤鍋爐的煙氣二氧化碳濃度為11%-15%。鋼鐵廠排放18億噸二氧化碳，二氧化碳濃度為12%-30%。水泥廠排放15億噸二氧化碳，煙氣二氧化碳濃度為30%-40%。

以上煙氣均為常壓。電廠、水泥廠、鋼鐵廠是碳排放大戶并每年排放七十億噸二氧化碳。

化工行業排放6億噸二氧化碳，且擁有高壓高濃度二氧化碳。

燃油鍋爐廠、生物質鍋爐煙氣、船舶排氣、天然氣聯合循環電廠的碳排放規模相對較小，且濃度較低。

從技術角度捕集方法分為固體吸收法、溶劑吸附法、膜法、和低溫精餾法。

固體吸附法分為變壓吸附和變溫吸附。變壓吸附技術已經成熟，低溫的鈉基吸附劑和固態胺吸附劑可以用于小型示范項目，但高溫鈣劑和鎂劑吸附劑還處于實驗室階段。變壓吸附采用固定床，而變溫吸附采用循環流化床。

變壓吸附法應用于中濃度40%-60%二氧化碳的天然氣凈化場景。但缺點是產品的純度低，一般為95%且能耗較大。

整體固體吸附法需要高性能吸附劑，主要體現在孔容大、吸附容量大、吸附分離度高、再生過程性能好、顆粒均勻、機械程度好。

尤其變溫吸附劑的關鍵是較好的機械耐磨度。反應器的循環流化床需要來回循環，機械強度差會磨碎并失效。變壓吸附和循環流化床的變溫吸附工藝一般采用吸附塔和解吸附塔的工藝。

溶劑吸收法包括化學吸收、物理吸收、以及物理化學吸收。三個方法都相對成熟，且化學吸收法正持續改良中。

化學吸收劑第一代的典型代表是1950年美國開發的一乙醇胺法MEA，主要用于脫除二氧化碳和硫化氫。吸收能力相對穩定、價格便宜又環保、五級反應二氧化碳吸收速度快，但能耗較高。

目前工業應用由于高能耗的原因開始使用混合胺吸收劑。典型代表為混合胺KS系列、MA系列、多元胺PZ系列等等。

能耗指標從MEA吸收劑的3.8-4.5GJ/tCO2降低至2.8-3.2GJ/tCO2，大約每捕集一噸二氧化碳消耗1.5噸蒸汽。

物理吸收主要應用于化工、化肥、沼氣、高壓天然氣等場景。物理吸收法的典型溶劑是聚乙二醇二甲醚。

物理化學吸收的典型代表是天然氣脫碳。天然氣含有低濃度二氧化碳且適合物理化學吸收法。物理化學吸收劑的典型代表為MDEA甲基二乙醇胺，并已實現規模化應用。

膜分離法的原理是利用膜材料性能分離二氧化碳。它一般含有二氧化碳和其他成分，而二氧化碳更容易滲透穿過。比如甲烷在高壓側而二氧化碳在滲透側滲透從而通過物理方法實現甲烷和二氧化碳的分離。

膜法適用于商業化項目，天然氣凈化和化工廠尾氣處理都有應用。它的優點是適合模塊化設計。

缺點是膜對于預處理要求嚴格，氣體分離膜容易堵塞，氣源中如果有水、重烴或固體顆粒會對膜組件造成較大傷害。

此次國外的膜壽命能達到十年，而國內的膜壽命為5-8年，使用年限較短。

小規模項目將用到10-20根膜管，但百萬噸規模項目的膜管需求量會加大。小規模應用占地面積小是優勢，但當規模變大后反而占地面積會成為劣勢。

此外膜的純度有限，一般中濃度二氧化碳可以提純95%，如果進氣是10%的低濃度二氧化碳煙氣，能耗高且純度一般小于80%。

低溫精餾法也是物理方法，它主要是利用二氧化碳和其他氣體凝點的不同來分離。

基本方法是對氣源進行降溫，降溫后的二氧化碳首先變成液態，而其他氣體從塔頂排出達到分離效果，但實際會有未液化的二氧化碳一并排出。

一般低溫精餾法回收率在85-90%之間。剩余二氧化碳一般采用低溫精餾加膜法或加吸附法的組合工藝繼續分離。

它適合高濃度二氧化碳場景。低溫煤化工、低溫甲醇洗的尾氣中二氧化碳濃度為80%。但缺點是只適合于高濃度的進氣。如果氣源二氧化碳濃度為20%-50%，能耗及成本會十分昂貴。

總體來說：

燃燒中的富氧和化學鏈技術仍在開發中，且工業運用不多。

胺溶劑的化學吸附法和低溫精餾法已應用于工業化裝置并往大型規模發展。

膜分離法在天然氣凈化和化工廠已有工業化的示范裝置。但低濃度的煙氣氣源更多處于中試階段。固定吸附法也處于中試階段，對于化工廠的氣源也剛剛擁有成熟化的裝置。

最后，燃煤燃油鍋爐煙氣、水泥廠&鋼鐵廠煙氣、天然氣聯合循環電廠等應用場景目前大多使用化學吸收技術。

化學吸收技術路徑分析

化學吸收法主要分為兩種：熱鉀堿法和有機胺法。

熱鉀堿法主要用于化肥尾氣二氧化碳的回收利用。化肥廠的蒸汽余熱未被利用起來，因此蒸汽的余熱可以加熱溶液。化學原理是在低溫下吸收，而在之后的加熱中發生解吸。

熱鉀堿以碳酸鉀為主。此體系在低溫下與二氧化碳發生反應生成碳酸氫鉀，加熱的情況下碳酸氫鉀又發生分解，并成為碳酸鉀和二氧化碳。

技術缺點是碳酸鉀容易結晶，解吸溫度較高，且溫度要求嚴格。反應溫度區間是70℃，解吸溫度是120℃。如果溫度低于65°C容易發生結晶并產生危害和受阻。

有機胺法最廣泛的應用場景是煙氣二氧化碳捕集，且毒性較低。有機胺體系的缺點是容易氧化。煙氣中含有氧，在加熱和帶氧的情況下胺液會發生氧化并降解。

有機胺法的基本原理也是酸堿反應。煙氣采用的是二氧化碳和有機胺在低溫下反應生成氨基甲酸酯，并在高溫下解吸分解為二氧化碳和有機胺體系。

整個流程后端是在低溫下吸收，吸收后解吸，解吸的過程中需要加熱。加熱使用蒸汽作為熱源，因此耗熱的能耗是核心。

另外消耗層面主要是消費蒸汽和溶劑。溶劑價格昂貴，且可能產生降解和損耗。額外添加的溶劑也是成本。吸收劑吸收容量越大、能耗越低、循環量越低，性能越好。

裝備層面是三個規整的填料塔：前端是堿洗塔、中間的是吸收塔、后端是再生塔。一般工業鍋爐排放煙氣中的二氧化碳首先經過預處理冷卻至40度，預處理包括脫除硫等雜質氣體再進入吸收塔。

預處理后煙氣進入吸收塔中二氧化碳與噴頂的堿性胺吸收液產生化學反應并吸收，再通過換熱器送到再生塔。

再生塔底部利用蒸汽加熱廢氣至100度，吸收液將分解并制成二氧化碳。隨后二氧化碳經過冷凝壓縮通過管道裝罐運輸。

目前研究的重點是在大規模項目中是否采用方塔或圓塔、是否用水泥替換鋼材、水泥塔的防腐性能、以及填料中的氣液分布器優化等課題。

工藝層面是利用堿洗塔底的貧富液換熱器回收貧液熱量，沒有完全回收的余熱則用熱泵回收。

化學吸收技術的工藝特點是煙氣適應性好，煙氣構成復雜及排量大的問題都能很好應用，技術相對成熟。

我國目前80%-90%的二氧化碳捕集技術都采用化學吸收法。

化學吸收技術開發情況

目前我國各方正在持續研發化學吸收劑用于降低投資成本。其中降低蒸汽的能耗、吸收劑的損耗、以及電費是核心。

吸收劑的性能由多維度指標評判。較低的降解揮發、較小的腐蝕、較快的反應速度、較大的容量、較小的粘度密度，都會降低吸收劑的損耗，而最后是價格因素。

混合胺有上百種類別，而常用的有十多種，主要分為一級、二級、三級胺。典型的MEA吸收劑為一級胺，它反應快但能耗高。

二級胺的代表PZ、DEA反應更快、容量大但再生性不好，因此需要更高的溫度。

三級胺的典型為MDEA，它的特性是反應慢但能耗低。

因此我國各大院校正在混合不同胺來兼顧平衡吸收性、再生性、能耗、粘度等各項指標開發合適的配方。

現在的研究重點是相變吸收劑，混合胺吸收劑在吸收塔中吸收二氧化碳后進入分相器。分相器中一項胺會搶奪二氧化碳，結果是分相器下方二氧化碳濃度非常高且溶液量較少而上方幾乎沒有二氧化碳。

溶液量少意味著再生能耗的大幅降低。分相的過程需要尋找控制點，而最優情況下可降至2.2GJ/tCO2。能耗相比MEA吸收劑降低45%。

各方院校單位正在積極研究兩相吸收劑的配方。

此外市場正在研究新型離子液體、觸發性吸收劑、和無水吸收劑等技術。

浙江大學能源工程學院方夢祥教授團隊已經開展相變吸收劑的中式研究并落地相應工程示范，2022年有望實現工業化。

中科院山西煤化所陸詩建教授團隊研發的低分壓二氧化碳吸收劑主要針對低濃度二氧化碳排放應用場景，包括電廠、鋼鐵、水泥、和冶金行業的煙道氣。

目前提升后的性能為再生能耗小于等于2.7GJ/tCO2。采用方式是吸收劑配方的優化，利用組合工藝實現吸收劑的回收降低夾帶，吸收劑負載相比MEA提高33%。

化學吸收劑降解揮發問題

煙氣中一般含有氧氣、二氧化硫、氮氧化物、和粉塵。氣體會造成吸收劑的氧化降解，而再生塔溫度較高會發生熱降解。

通常氧化降解占到70%，熱降解占到30%。氧化降解通常發生脫烷基化反應、加成反應并生成熱穩定性。熱降解反應通常發生去甲基化反應、二聚反應、環化反應并產生氨和尿素等污染物的增加。

解決的辦法是抗降解劑，通常加入氧化膜型緩蝕劑、金屬捕獲劑、和氧氣捕獲劑。目前吸收劑的改良工作正由各大校方及機構大力推進中。

中科院山西煤化所陸詩建教授團隊已經開發抗氧化劑降低溶劑降解損耗，而吸收劑損耗小于等于0.7kg/tCO2。

目前市場已知吸收劑損耗最理想能夠達到0.5kg/tCO2的水平。

關鍵設備和技術研發

設備研發主要包括吸收塔、再生塔、板式換熱器、再沸器、以及壓縮系統。

吸收塔和再生塔目前使用不銹鋼填料塔。不銹鋼填料可以滿足速率性能要求，其中也包括了氣體和液體的均勻分布器設備開發。

浙江大學能源工程學院方夢祥教授團隊研發了低成本塑料填料。

塑料的問題是親水性大，因此添加聚丙烯的親水改性劑可以提高成膜率來達到不銹鋼填料的性能。目前浙大正在進行工業化研究。

其次是換熱器研發。吸收塔和再生塔中的溫差在40度到100度之間，大量熱量需要換熱。目前正在根據吸收性和傳熱性研發板式換熱器，而不易泄漏和腐蝕也是換熱器的研發關鍵。

第三是節能工藝。吸收系統中的吸收劑會發生放熱反應并造成吸收劑的吸收容量下降。回收工藝包括級間冷卻、分布式換熱、MVR熱泵、壓縮式熱泵、分級流解吸、直接換熱、增壓換熱等等。

級間冷卻的工藝可以吸收一定的二氧化碳后冷卻再回到塔中恢復吸收容量，然后再使用富液分級流的工藝利于再生塔中的再生過程。最后再用MVR工藝把能耗回收。

級間冷卻+MVR熱泵+分級流解吸的三種工藝結合可以降低總能耗20%。

浙江大學能源工程學院方夢祥教授團隊通過200Nm3/h的實驗設備結合以上技術、材料、和工藝可達成2.8GJ/tCO2的指標。

第四，中科院山西煤化所陸詩建教授團隊開發了預處理堿洗旋流煙氣脫水脫硫技術。

煙氣構成很復雜，除了二氧化碳、氮氣、氧氣外還有二氧化硫等雜質氣體，和重金屬。二氧化硫進入吸收系統后首先與氨液反應，它的酸性比二氧化碳強并與氨液反應后在解吸塔的溫度下無法解吸，因此溶液降解了。需要采用預處理技術的堿洗把氧化硫提前去除。

其次電廠、鋼廠煙氣的特點是50-60°C的飽和氣，但進塔溫度要求40°C，且過程中需要降溫脫水。不排水的結果是在運行中將產生水霧并稀釋溶液，所以預處理也可以調節水平衡。

最后吸收過程中也含有氨氣、亞硝胺、氣溶膠等環境污染物，多級水洗等工藝也在開發中。

焦鋼人CokeSteel