一个巨大的挑战：碳捕集、利用和封存.pdf

一一个巨大大的挑战战：碳捕集、利用用和封存存

202408022



这是关于于美国石油油工程师协协会（SPEE）在能源源领域的重重大挑战的的六

篇系系列文章中中的第五篇篇，是SPPE研究与与开发技术术部在德克克萨斯州奥奥斯

汀举举办的20023年研讨讨会的成果果。

在去年JJPT的一篇文章中中描述过，每个挑战战将在本系系列中单独独讨

论地地热能;零零操作;提高高致密/页页岩资源采采收率;数字字转换；碳碳捕集、利利用

和封封存;还有有教育和宣宣传。

2019年年，全球人人为温室气气体（GHG）净排放放（主要是是CO2和和甲

烷）达到近600亿吨吨CO2当量，其中中能源相关关排放贡献献最大，接接近

4000亿吨（IIPCC20222）。煤煤炭、石油油和天然气气工业的逸逸散性排放放约

为5.8%。图图1显示了了能源相关关部门的全球排放放量;煤炭、石油和天天然

气的的使用是温温室气体排排放的主要来源。

图1

20000-2022年全球球能源相关温温室气体排放量资料来源IIEA

2022

在过去的的15年里里，可再生生能源（太太阳能、风风能和水力力发电）的的发

电量量显著增加加。然而，可再生能能源目前只只占一次次能源发电电量的15%%左

右。。近80%%的一次能能源来自化化石燃料：：煤、石油油和天然气气，约5%%来

自核核裂变。

美国能源源情报署（EIA）预预测，未来来30年，可再生能能源将从115%

增长长到27.66%左右（图2），但仅凭可可再生能源源本身无法法满足人类类的

消费费需求。化化石燃料仍仍将贡献约68.5%%。

图2

美国能能源情报署预预测的一次能源源消耗（20119年）

我们们如何在使使用化石燃燃料的同时减少CO2的排放放?

只有在相相关的CO22能够被捕捕集、封存存或再利用的情况下，化石燃料料才

能被被使用。氢氢被设想为为未来的清清洁燃料，但所有所需需的氢都不不能来自电电解

（因因为缺乏可可再生能源源的能力）;其中大部部分将来自化石燃料，而化石燃燃料

又必必须在净零零经济中辅辅以碳捕集。

CCUS有有三个组成部部分:碳捕集、运输和和封存/利用。所需CCUS的规规模

决定定了这三个个组件需要要同时开发发，以成功部署该技术术。例如，在运输和和封

存//利用运作之之前，发电电厂不能安安装碳捕集集装置。

CO2捕集碳捕集过程将CO2从工业源（点源）排放的气体流中分离出来，

例如发电厂、钢铁厂和蒸汽甲烷重整器（SMR）。CO2浓度在发电厂约为

4%至12%，在钢铁厂约为20%，在小型堆约为15%至45%。也有新兴的

捕集技术从空气中分离CO2（浓度为0.042%），称为直接空气捕集

（DAC）。随着CO2浓度的降低，分离需要更多的能量和成本（每吨

CO2量）。

发电厂的碳捕集技术有两个关键类别：燃烧后和燃烧前。燃烧后

技术包括吸收、吸附和膜分离;这些技术也适用于其他点源。预燃烧技

术可以是IGCC（综合气化联合循环）或全氧燃烧。在IGCC中，燃料

首先在高压下与蒸汽气化，产生可用于发电的合成气，或者将合成气

用于水转移反应，主要产生CO2和氢气。在全氧燃烧中，空气被分离

成氧气和氮气，煤或天然气只与氧气燃烧。然后气态产物大部分是CO2，

杂质分离后可以送去封存。

本文讨论的第一个技术是将CO2从其他气体（如氮气、氢气或碳

氢化合物气体）中分离出来的吸收技术。它的发展很好，其中溶剂（通

常是胺-水溶液）从气体混合物中吸收CO2，并将含有CO2的胺溶液

通过一个汽提塔，在那里加热（主要是蒸汽）从溶剂中移除CO2，然

后再利用（Rochelle2009）。这项技术已有近100年的历史，最初

是为了从天然气中分离CO2而开发的，现有的电厂可以用这种捕集技

术进行改造。

该技术的主要缺点是汽提塔移除CO2所需的能量（单乙醇胺[MEA]

的CO2约为8,776kJ/kg）。它消耗了约30%的发电能量，降低了发

电效率。许多商业溶剂已经开发并正在使用，例如单乙醇胺（MEA）、

哌嗪（Piperazine）、KS-1（三菱重工）、Cansolv（壳牌公司）以

及二甲醚和聚乙二醇（一种物理吸收剂）的混合物。捕集每吨CO2的

成本约为55至80美元。正在开发利用电化学方法从烟道气中分离

CO2而不是热量的新技术（Rah