什么是碳捕集利用与封存（CCUS）？碳捕集成本？

　　什么是碳捕集利用与封存（CCUS）？碳捕集成本？  碳捕集利用与封存简称CCUS，是把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存的一种技术。其中，碳捕集是指将大型发电厂、钢铁厂、水泥厂等排放源产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存，以避免其排放到大气中。

　　该技术具备实现大规模温室气体减排和化石能源低碳利用的协同作用，是未来全球应对气候变化的重要技术选择之一。

　　CO2捕集技术指利用吸收、吸附、膜分离、低温分馏、富氧燃烧等方式将不同排放源的 CO2进行分离和富集的过程，是 CCUS 技术发展的基础和前提。

　　《中国二氧化碳捕集利用与封存报告(2021)》将碳捕集技术分为两代，第一代包括燃烧后捕集技术、燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术，这类技术发展渐趋成熟，大部分技术已从概念或基础研究阶段发展到工业示范水平，部分技术已经具备商业化应用能力，主要瓶颈为成本和能耗偏高、缺乏广泛的大规模示范工程经验;而第二代包括新型膜分离技术、新型吸收技术、新型吸附技术、增压富氧燃烧技术等。第二代技术目前仍处于实验室研发或小试阶段，该技术成熟后，其能耗和成本会比成熟的第一代技术降低30%以上，2035年前后，有望大规模推广应用。

　　燃烧前捕集成本相对较低、效率较高，但适用性不高;此方法将化石燃料气化成合成气(主要成分为H2和CO)，然后通过变换反应将CO转化为CO2，再通过溶剂吸收等方法将H2和CO2分离开对CO2进行收集。但此技术局限于基于煤气化联合发电装置(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)，因此以此技术投产的项目较少，燃烧前捕集CO2的成本大约为20美元/t CO2，尚需要更多的项目来进行验证。

　　富氧燃烧采用纯氧或者富氧将化石燃料进行燃烧，燃烧后的主要产物为CO2、水和一些惰性组分。水蒸气冷凝后，通过低温闪蒸提纯CO2，提纯后的CO2浓度可达80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。对操作环境要求高，目前仍处于示范阶段。富氧燃烧技术是最具潜力的燃煤电厂大规模碳捕集技术之一，富氧燃烧技术发展迅速，可用于新建燃煤电厂和部分改造后的火电厂。

　　燃烧后捕集由于燃烧前捕集和富氧燃烧需要合适的材料和操作环境来满足高温要求，因此这两种技术的研究与开发和示范性项目较少。相比较而言，燃烧后捕集技术是当前炼厂应用较为广泛且成熟的技术，该技术具有较高的选择性和捕集率，但相对能耗和成本更高;常用的方法如化学吸收法、膜分离法、物理吸附法等。化学吸附法被认为是当前最有市场前景的吸附方法，在化学吸附中，胺类溶液以其吸收效果好的特点被广泛应用，但是目前核心技术被国外垄断。以当前的技术，燃烧后捕集CO2的成本大约是40美元/t CO2。 物理吸附主要是用固体吸附剂来实现对CO2的捕集，如CaO/MgO基吸附剂，biochar，MOF等，目前处于实验室研发阶段。

　　燃烧后捕集技术可用于大部分火电厂的脱碳改造，国华锦界电厂正在建设的15万吨碳捕集与封存示范项目，属于目前中国规模最大的燃煤电厂燃烧后碳捕集与封存全流程示范项目。

　　下一代碳捕集技术将会在材料的创新、工艺或设备的改进上取得突破，这些新进展将使得投资运营成本降低的同时提高捕集效率。相比国际先进水平发展有所滞后，特别是对于目前 CO2捕集潜力最大的燃烧后化学吸收法，国际上已经处于商业化应用阶段，我国仍停留在工业示范阶段。富氧燃烧技术方面国内外均处于中试阶段，整体发展较为缓慢，尤其是增压富氧燃烧技术仍处于基础研究阶段。

　　随着工业的进步，下一代捕集技术将助推CCUS技术的进步和发展。如Ion Engineering公司的非水溶液、MTR公司的膜分离体系、三菱重工的KS-21溶剂、Lind-BASF的贫富溶液吸收再生循环技术等，都已经在FEED(Front and End Engineering Design，前端工程设计)工程设计项目中进行了实践。

       成本

　　碳捕集也是CCUS流程中成本主要来源。二氧化碳捕获占整个CCS运营成本的70%以上。 碳捕集主要从工业废气和大气中捕获，CO2浓度越高，捕集成本越低。碳捕集成本主要与排放源的CO2浓度和压力相关：CO2浓度或分压越高，越利于高效捕集和后续分离，进而带来单位捕集成本的下降。

　　大部分工业烟气中的二氧化碳浓度大约占5-30%的气体体积，当二氧化碳浓度较高时(如化肥和煤化工厂等)，碳捕集成本目前大约为10美元/吨二氧化碳;对于钢铁/水泥厂等浓度稍低的捕集源，碳捕集成本最低约为50美元/吨二氧化碳;对于天然气发电厂等浓度更低的捕集源，目前的成本大约为100美元/吨二氧化碳甚至更多;而空气中的二氧化碳浓度相对较低(仅占0.04%气体体积)，因此，直接空气捕集(Direct Air Capture, DAC)的成本非常高，目前主要技术供应商的成本估计在95-230美元/吨二氧化碳(固体DAC路线)和100-600美元/吨二氧化碳(液体DAC路线)。

　　当前我国绝大部分的大规模碳源捕集成本在270元/吨以上。煤化工企业由于可产生高CO2浓度(>70%)的烟气，捕集成本最低可达约100元/吨。火力发电和钢铁行业由于烟气的CO2浓度普遍低于20%，捕集难度较大，成本需300元/吨左右。

　　因此，煤化工行业由于其碳捕集的经济性，成为最优选的碳源。而火力发电和钢铁行业由于对煤炭消耗量巨大，是碳排放的主体，在2030年之后将成为主要的CCUS需求来源。

　　与此同时，使用不同的采集技术也会影响捕集成本。在国内，胺类吸收和低温蒸馏技术由于较高的系统适用性和较低的捕集成本被广泛应用。

　　碳捕集与利用技术成本的下降主要依赖技术创新和规模效应，一方面要寻找低成本高性能的材料、低能耗的反应体系等;另一方面也要从产业发展和工艺设计两个角度去考虑规模化的问题。解吸是未来值得探索的关键步骤，这方面一些新的机理和方式可能带动整个产业的成本下降。