深度分析 | 二氧化碳捕集技术研发与应用进展分析

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二氧化碳捕集技术研发与应用进展分析

二氧化碳捕集是碳捕集利用和封存（CCUS）领域最关键的技术之一，也是整个流程中成本和能耗最高的环节，是CCUS项目经济性的主要制约因素。根据CO₂捕集系统与能源系统集成方式不同主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧、化学链燃烧和直接空气捕集等。另一方面，根据CO₂捕集过程中所使用的具体技术手段及分离原理差异主要分为吸收法、吸附法、膜分离以及低温分馏等。各类碳捕集技术的研发和示范受到广泛关注。8月份以来，美国能源部已宣布投资12.13亿美元用于从工业、发电厂以及空气和海洋中的捕集二氧化碳及其转化利用的项目资助^[1],[2]，资助主题包括直接空气碳捕集设施示范、基于电化学方法的海洋碳去除、金属-聚合物杂化吸附剂、新型吸附剂、可再生的CO₂捕获溶剂以及CO₂转化利用技术。本文梳理分析近期全球二氧化碳捕集技术研发与商业化应用进展，以供决策参考。

一
低成本和低能耗二、三代碳捕集技术是近中期研究重点

二氧化碳捕集是整个CCUS产业链的最大成本和能耗来源^[3]，约占CCUS成本的近75%^[4]。根据国际能源署（IEA）数据，目前从水泥、发电等低浓度气体流中捕集CO₂的成本在40~120美元/吨CO₂之间^[5]。美国能源部指出，从工业源中捕集CO₂成本需要降至30美元/吨左右，CCUS才具有商业可行性^[6]。因此降低碳捕集技术的成本是近中期研发的目标。目前碳捕集技术正从基于单一胺的传统燃烧后化学吸收技术、燃烧前物理吸收技术等第一代碳捕集技术向基于胺基两相吸收剂等新型吸收剂、金属有机框架吸附技术、增压富氧燃烧等第二代碳捕集技术过渡，电化学、化学链燃烧等第三代技术也开始崭露头角^[7]。

2022年底以来，多项低成本碳捕集技术研发取得进展。2023年1月，美国太平洋西北国家实验室开发了新碳捕集剂CO2BOL，与商业技术相比，该溶剂可将捕集成本降低19%（每吨低至38美元），能耗降低17%，捕集率高达97%^[8]。2023年6月，美国佐治亚理工学院开发一种新型涂层碳纤维电驱动变温吸附的直接空气捕集（DAC）技术，该DAC系统可在10分钟内完全再生，吸附量约为1.2毫摩尔每克碳纤维，纯度达到82%，中试规模的总成本约为160美元/吨CO₂^[9]。2023年8月24日，国科大杭州高等研究院、哈佛大学和西湖大学联合开发吩嗪基高容量高稳定性电化学CO₂捕集电池，该系统具有0.86~1.41 mol l^-1的高捕集能力、36~55 kJ mol^-1的低能量成本，以及每天小于0.01%的极低容量衰减率（具体取决于有机物浓度），且充放电循环还可以实现电能存储功能^[10]。

全球多家公司开展了碳捕集相关技术研发与示范，如法国的液化空气集团、美国的巴布科克·威尔科克斯公司（Babcock & Wilcox）、CARBONCAPT技术公司、燃料电池能源公司；挪威的Aker碳捕集公司；英国的C-CAPTURE公司等（表1）。从技术类型来看，内容涉及新型溶剂（离子液体、相变吸收剂、氨基酸盐等）、低温分离技术、溶剂-膜混合碳捕集系统、变压/变温吸附、金属有机框架等先进固体吸附剂、富氧燃烧以及化学链燃烧、电化学等多种二、三代碳捕集技术。从关键指标或优势来看，如何降低碳捕集成本和能耗以提高碳捕集技术应用的经济性是商业技术研发的方向，例如法液空低温分离CRYOCAP™ H2技术，与甲基二乙醇胺（MDEA）相比，成本减少40%，运营成本为30~50欧元/吨，捕集率大于99%（CO₂+H₂）。从主要应用领域来看，适用于钢铁、水泥、发电以及制氢等能源密集型行业的点源碳捕集技术是目前研究的热点。

二
碳捕集技术受到全球风险资本青睐

全球碳捕集的投资资本不断增加，2022年碳捕集的风险投资额达到9.04亿，是2015年的0.12亿美元75倍^[11]。2021年1月，美国马斯克宣布设立1亿美金的ＸPrize碳去除竞赛，直接空气捕集就包括在其中。2022年4月，马斯克基金会宣布15个入围团队，每个团队都将获得100万美元的奖励，总冠军将在2025年获得8000万美元的奖金^[12]。2022年5月，Stripe、Alphabet、Shopify、Meta 和 McKinsey Sustainability启动9.25亿美元的Frontier计划，这是一个预先市场承诺(AMC)，用于从有前景的新解决方案供应商那里购买永久性除碳技术。2023年4月，随着Autodesk、H&M Group、JPMorgan Chase和Workday加入，Frontier金额超过10亿美元^[13]。在国内，2023年3月，腾讯联合多方伙伴发起了我国首个由科技企业发起的大规模资助计划——“碳寻计划”，聚焦创新型CCUS技术，通过技术创新与产业应用双轮驱动，加速推进CCUS的成本下降与规模化应用^[14]。

表1  全球领先企业碳捕集技术发展和应用现状^[15]

三
传统重工业企业加速碳捕集工程化应用

燃烧前物理吸附法和燃烧后化学吸收法发展较为成熟，目前已经处于商业应用阶段；燃烧前化学吸附法、燃烧前变压吸附法、燃烧前低温分馏法、燃烧后化学吸附法、燃烧后物理吸附法、燃烧后膜分离法、常压富氧燃烧以及直接空气捕集均处于工业示范或中试阶段；而增压富氧燃烧和化学链燃烧技术则处于中试及以下阶段^[16]。

在行业应用方面，CO₂捕集技术不断扩大规模化。2022年10月，安赛乐米塔尔、三菱重工、必和必拓和三菱开发公司共同签署了一项合作协议，计划分别在位于比利时根特钢厂和北美的钢厂采用三菱重工的碳捕集技术开展为期多年的试点项目^[17]。2023年6月14日，位于比利时根特的钢铁厂宣布实现从高炉废气中的捕集CO₂并进一步生产出了首批乙醇，预计将在年底前达到全部运营能力^[18]。2023年8月14日，海德堡材料宣布其位于加拿大艾伯塔省埃德蒙顿的水泥厂已安装三菱重工株式会社的CO₂MPACT^TM系统，该设施有望成为全球水泥行业首个全面的CCUS解决方案，预计将于2026年底投入运营，每年将捕获超过1万吨CO₂^[19]。8月31日，华能陇东能源基地百万吨级二氧化碳捕集利用与封存研究及示范项目动工，该工程建成后将成为全球规模最大煤电碳捕集项目^[20]。

四
下一代碳捕集技术研发方向和挑战
目前碳捕集技术取得了一些进展，总体成熟度较大，并已开始在钢铁、水泥等能源密集型行业开展相关技术示范。但成本和能耗仍是目前制约碳捕集发展的关键因素。2022年英国商业、能源与工业战略部发布的《下一代碳捕集技术》^[21]报告指出，低成本、低能耗的新型溶剂、吸附剂和膜分离仍将是碳捕集技术未来研究的三大核心技术类型。其中①溶剂技术：主要挑战和研发方向包括提高吸收能力、降低溶剂成本、减少再生的能量需求、提高溶剂稳定性并减少降解、减少溶剂引起的腐蚀以及减少对环境的影响。如离子液体、相变吸收剂、双相吸收剂、具有闪蒸再生功能的哌嗪溶剂、氨基硅溶剂、氨和碳酸钾混合盐溶剂等。②吸附剂：主要挑战和研发方向包括研发和设计具有特定应用所需属性的定制吸附剂材料；加深对分子、微观和宏观结构水平及其与吸附剂材料特性的关系的理解；提高吸附剂的长期反应性、可回收性和稳健性；优化吸附剂在工艺中的集成。如金属有机框架、多孔聚合物网络结构吸附剂、先进气凝胶吸收剂、快速变压吸附、快速变温吸附、低成本高容量可再生吸附剂、温度和压力摆动碳捕集系统等。③膜分离：主要挑战和研发方向包括加深对新材料（如聚合物、陶瓷、双相和复合材料）膜界面传输现象的理解，以提高其渗透性和选择性性能；大规模、低成本膜结构或模块化单元的新设计和制造方法；提高膜的寿命和对气体进料中污染物有害影响的抵抗力等。如无机/聚合物复合膜、新型金属有机多面体膜、复合中空纤维膜、仿生膜、双功能二氧化硅基膜、混合基质膜等。此外，化学链燃烧、钙循环、酶法碳捕集、溶剂-膜分离混合系统、吸附剂-膜分离混合系统、电化学碳捕集等其他创新碳捕集技术也是未来值得关注的研究方向。
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[1] DOE. DOE Invests Over $13 Million for Projects That Capture Carbon Emissions from Industrial Facilities, Power Plants, Air, and Oceans. https://www.energy.gov/fecm/articles/doe-invests-over-13-million-projects-capture-carbon-emissions-industrial-facilities

[2] DOE. Biden-Harris Administration Announces Up To $1.2 Billion For Nation’s First Direct Air Capture Demonstrations in Texas and Louisiana. https://www.energy.gov/articles/biden-harris-administration-announces-12-billion-nations-first-direct-air-capture

[3] Global CCS Insitute. Technology Readiness and Costs of CCS.

https://www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2021/03/Technology-Readiness-and-Costs-for-CCS-2021-1.pdf

[4] IEA. CCUS in Clean Energy Transitions. https://www.iea.org/reports/ccus-in-clean-energy-transitions/accelerating-deployment

[5] IEA. Is Carbon Capture Too Expensive?. https://www.iea.org/commentaries/is-carbon-capture-too-expensive

[6] International Centre for Sustainable Carbon. The Resilience of Coal-based Industries in the Transition to Net Zero (ICSC-CIAB). https://www.sustainable-carbon.org/report/the-resilience-of-coal-based-industries-in-the-transition-to-net-zero-icsc-ciab/

[7] 张贤，杨晓亮，鲁玺 等. 中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2023) [R].中国21世纪议程管理中心，全球碳捕集与封存研究院，清华大学. 2023.

[8] Pacific Northwest National Laboratory. CO₂BOL Solvents for Cheaper Carbon Capture and Sequestration, Pre- and Post-Combustion . https://www.pnnl.gov/available-technologies/co2bol-solvents-cheaper-carbon-capture-and-sequestration-pre-and-post

[9] Won Hee Lee, Xin Zhang,Sayan Banerjee. et.al. Sorbent-coated Carbon Fibers for Direct Air Capture Using Electrically Driven Temperature Swing Adsorption. Joule. 2023,7(6): 1241-1259.

[10] Pang, S., Jin, S., Yang, F. et al. A Phenazine-based High-capacity and High-stability Electrochemical CO₂ Capture Cell with Coupled Electricity Storage. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01347-z

[11] IEA. Annual Venture Capital Investment in CCUS Projects and Companies, 2015-2022. https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/annual-venture-capital-investment-in-ccus-projects-and-companies-2015-2022

[12] Xprize and the Musk Foundation Award $15M to Prize Milestone Winners in $100M Carbon Removal Competition. https://www.xprize.org/prizes/carbonremoval/articles/xprize-and-the-musk-foundation-award-15m-to-prize-milestone-winners-in-100m-carbon-removal-competition

[13] Frontier. 除碳承诺额创历史新高，达10亿美元，新增四名成员：Autodesk、H&M Group、JPMorgan Chase 和 Workday. https://frontierclimate.com/writing/new-members

[14] 腾讯. 碳寻计划. https://carbonxprogram.com/

[15] The Global CCS Institute. State of the Art: CCS Technologies 2023. https://www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2023/08/State-of-the-Art-CCS-Technologies-2023-GCCSI-Final.pdf

[16] 张贤,杨晓亮,鲁玺等.中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2023).中国21世纪议程管理中心, 全球碳捕集与封存研究院, 清华大学. 2023.

[17] ArcelorMittal. Carbon Capture in the Steel Industry: ArcelorMittal, Mitsubishi Heavy Industries Engineering, BHP and Mitsubishi Development Sign Collaboration Agreement. https://corporate.arcelormittal.com/media/news-articles/carbon-capture-in-the-steel-industry-arcelormittal-mitsubishi-heavy-industries-engineering-bhp-and-mitsubishi-development-sign-collaboration-agreement

[18] ArcelorMittal and LanzaTech Announce First Ethanol Samples from Commercial Flagship Carbon Capture and Utilisation Facility in Ghent, Belgium. https://corporate.arcelormittal.com/media/news-articles/arcelormittal-and-lanzatech-announce-first-ethanol-samples-from-commercial-flagship-carbon-capture-and-utilisation-facility-in-ghent-belgium

[19] Heidelberg Materials. Heidelberg Materials North America and MHI Are Working Toward First Full-Scale Carbon Capture, Utilization and Storage Solution for Cement Industry. https://www.heidelbergmaterials.us/home/news/news-post/news/2023/08/14/heidelberg-materials-north-america-and-mhi-pilot-are-working-toward-first-full-scale-carbon-capture-utilization-and-storage-solution-for-cement-industry

[20] 中国电力网. 世界规模最大、能耗最低的煤电二氧化碳捕集工程正式开工. http://www.chinapower.com.cn/tanzhonghe/dongtai/2023-09-01/216307.html

[21] Department for Business, Energy and Industrial Strategy. Next Generation Carbon Capture Technology: Technology Review. https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1079540/aecom-next-gen-carbon-capture-technology-technology-review-annex-1.pdf

（秦阿宁 孙玉玲）

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