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工业中碳捕获技术以及以水泥回转窑作为核心的吸附再生器

作者：P.里斯本a^[1]， R.哥里^[2]，L.M.罗密欧，U.德西德里

摘要

CCS集群的概念是使用共享的捕获和/或运输基础设施将多个CO₂工业排放者聚集在一起，与点对点的单个项目相比，它为网络合作伙伴提供了多个优势。它降低了CCS的成本，并能够从小批量工业设施中捕获CO_2，通过实施Ca循环，CCS 系统将具有大量热量需求的工业场所集群并与水泥厂联系起来，该系统在独立的锅炉/碳酸化器中处理来自所有工业排放器的烟气，同时将窑炉用作水泥和捕集厂的煅烧炉，位于每个工业场所的碳酸化器反应器由水泥厂的CaO供给，以捕获其自身烟气中的CO₂含量。碳酸化反应后，废气吸附剂被运回送至水泥厂进行窑炉再生。这项工作的目的是分析拟议的Ca循环CCS集群的技术经济可行性，并进行经济评估。假设20欧元/吨 CaO和碳市场30欧元/吨CO₂，并且这种集中式碳捕集系统处理来自小型排放者的碳。结果表明，使用煤炭或天然气的小公司的运营成本从2130万欧元降至1880万欧元，或从255万欧元降至2300万欧元。对于水泥行业而言与仅在水泥厂实施CCS的参考情况相比，这一收入使其运营成本降低了190万欧元。

关键词：碳捕集 水泥生产 氧燃烧 集中捕获系统经济可行性

1引言

为了履行关于减少CO₂排放的国际承诺，并实现将本世纪全球气温上升限制在工业化前水平以上2^。C以下的目标水平，CCS/CCU技术的参与是必不可少的^[3]。增加可再生能源在电力生产中的份额将减少电力部门的CO₂排放^[4]，这可能会对全球减排做出重要贡献，因为超过40%的CO₂排放是由电力部门^[5]造成的^[6]。然而，鉴于需要非常高温的热量和/或处理会释放碳排放的原料化学品，工业部门使用可再生能源的影响有限。水泥和钢铁行业是这个问题最突出的例子。出于这个原因，在过去几年中，工业部门在CO₂减排目标中的贡献正在被考虑和强调这与当前排放相比，预计2030年工业直接排放的潜在节省范围为4.2-6.6Gt CO₂eq/年（块等人，2020）。2014年，69%的工业能源使用和74%的直接工业CO₂排放来自五个能源密集型行业^[7]：化工和石化、钢铁、水泥、纸浆和造纸以及铝。2018年,工业部门占全球最终能源使用总量的37%（157EJ）。这意味着自2010年以来能源消耗每年增长0.9%，继上一年强劲增长1.6%之后，2018 年增长0.8%。^[8]行业自 2010 年以来，该行业的能源结构总体上保持相对不变：能源结构中的化石燃料份额从73%下降到69%，而电力从18%上升到21%，主要是由于非能源密集型行业的用电量增加。^[9]由于这些原因，很明显，必须在这些部门做出重大努力以实现更快的脱碳。在制造业中，水泥生产占直接工业二氧化碳CO₂排放总量的第二大份额，占27%，2014年为 2.2 GtCO₂/年，尽管在能源效率、替代燃料的使用和熟料替代品、水泥行业。^[10]水泥生产涉及石灰石的分解，约占该过程中产生的CO₂排放总量的三分之二，其余的CO₂排放来自燃料燃烧。煤炭的利用仍然是熟料生产中使用最广泛的燃料，占全球水泥热能消耗的70%（尽管欧洲的煤炭份额仅为 30%）^[11]人口增长、城市化模式和基础设施发展需求预计将增加全球水泥产量，到2050年，这一数字将比2014年增长12-23%。提高能源效率、改用替代燃料、降低熟料与水泥的比例以及将碳捕获纳入水泥生产是支持水泥行业可持续转型的主要碳减排杠杆。^[12]然而，像碳捕获这样的创新技术被认为可以提供最大的CO₂累积减排量。针对水泥工业和CO₂捕集提出了几个概念，主要基于Ca循环过程。^[13]但也适用于其他燃烧后捕集技术。^[14]或全氧燃料概念^[15]。其中，Ca循环与水泥生产具有明显的协同作用，并且该工艺的技术准备水平已达到在实际条件下运行的中 试工厂的技术示范 (TRL7)。已经在世界各地建造并成功运行了几个Ca循环试验工厂的例子。2009 年，INCAR-CSIC 设计了位于La Pereda（西班牙）与多个伙伴达成协议。该装置于2011年投产，2012年在 CaOling 欧洲七号项目内开工到 2017 年，累计稳定运行3100多小时^[16]。获得的果证明，如果系统在足够的吸附剂库存和活性下运行，该工艺有可能进一步扩大到30 MWth^[17]。TU Darmstadt 1 MWth试点工厂于2011年建成并投入使用，到2019年，在各种条件下累计稳定运行超过3900小时^[18]。经过1200小时以上的固定捕获，验证了Ca循环工艺的工业规模可行性，效率高达94%。该工厂的经验有助于将技术规模扩20MWth^[19] ，试验工厂包括一个作为回转窑设计和操作的煅烧炉。因此，这种配置对于评估钙循环、电力和水泥行业之间的潜在整合非常有趣。它累积了超过300小时的连续循环操作。该工厂是即将建成的30MWth示范工厂的里程碑^[20]。尽管Ca循环的碳捕获在技术上是可行的选择对于工业脱碳，工业CCS/CCU 的经济可行性以及监管方面延迟了其实施和部署。工业CCS/CCU 的实施有几个限制：

1. 缺乏基于国际协议的关于CO₂储存的明确和全球立法
2. 传统的低排放市场的CO₂价格（截至2020年底，ETS历史最高碳价格约为30欧元/吨）不利于经济可行性并降低对该技术的兴趣。必须强调的是，2021年第一季度碳价格经历了极端上涨，实现了当前价值为55欧元/吨（2021年5月）。

3.需要大量的资金投入，需要大型装置以增加经济可行性机会，但这些系统的资本投资大到足以阻止投资。

4.小型CCUS系统似乎在经济上不可行，这使得CCUS在整个工业部门的部署极为困难。独立的CCS项目对大型碳工业排放者具有商业意义。然而，许多工业工厂以小规模运营，CCS项目对于这些规模通常是不可行的。

图 1. 在产业集群中实施的碳捕集中心。资料来源：改编自全球CCS研究所（2015年全球CCS研究所).

1. 目前，现有的CO₂捕集替代方案对于小型工业来说在经济上是不可行的，并且这些公司没有真正的动机根据其业务知识投资于全新的工艺，例如碳捕集厂。这些行业唯一的碳减排选择是通过节能或提高效率的措施来减少排放。除此之外，他们还必须在CO₂市场购买碳排放配额才能达到法定限额。通过共享碳捕获基础设施将几个中小型工业基地聚集在一起，如图所示图1可以使捕获过程对小型排放者也变得经济可行。过去几年，国际组织发表了几篇对当前工业CCS中心或未来项目的评论^[21]。现有的产业集群中的CCUS枢纽主要集中在共享收集、运输和存储设施上。这意味着一个共享的收集网络将把CO₂从每个单独的来源带到收集中心，以便继续运输到储存或利用阶段。国际能源署温室气体研究与发展计划确定了全球主要的CCS集群并总结了它们的关键技术信息^[22]，本次审查的重点是位于世界各地的十几个集群，从早期概念到操作系统，TRL各不相同，包括美国最大的CO₂-EOR集群。全球CCS研究所还在2015年发布了一份报告，其中评估捕捞集群和运输网络的影响是部署欧洲CCS的关键要素2015年全球CCS研究所。零排放平台发布了一份报告，探讨了CCS枢纽和集群的部署如何促进欧洲经济的脱碳^[23]。这项研究强调了在CCS集群可以发挥优势的一些地区缺乏可用数据，并总结了部署该概念的政策需求。ECOFYS在2017年提交了一份报告，比较了几种潜在的工业CCS的准备程度英国的集群^[24]，其他研究由IEAGHG推动，调查了与全球工业CCS集群相关的经济和商业问题^[25]它提出了不同的商业模式并建议 最适合每个全球地区的。碳封存领导论坛发布了一份关于CCS集群、枢纽和基础设施的报告，提供了当前活跃的CCS集群和处理CCS集群的项目的最新信息^[26]，它为政策制定者和行业利益相关者提供了加速CCS集群部署的具体建议布朗在英国（亨伯赛德、提赛德、默西塞德、南威尔士、格兰奇茅斯和圣弗格斯）、挪威（格伦兰）和荷兰（鹿特丹）确定了几个具有潜在工业CCS集群的地区^[27]。十多年来，被视为CCS集群的亨伯赛德得到 Drax集团对减少碳排放的强烈兴趣。该位置受到北海南部海上大型且特征明确的储存地点和合适的港口设施的青睐。尽管当地工业网络正在参与工业脱碳，但只有属于 Drax Group的大型排放者明确关注CCS。 在建立工业CCS方面有许多积极的特点集群，例如存在几个具有高 CO₂浓度的大型排放器，部分碳捕获设施以及通过现有管道网络与存储站点的良好连接。最显着的弱点是距离最近的存储地点的距离太远。苏格兰集群包括两个独立的工业区，由现有天然气管道，适用于运输CO₂，改造成本低。它代表了在炼油厂和石化联合体以及天然气加工联合体中实施潜在捕集的巨大优势（国际-国家能源署IEA2018）。这个CCS集群的主要优势是存在和可用的三条海上天然气管道，适合将CO2输送到北海中部已确定和可用的储存地点。该基础设施的定位是接收来自综合体的碳排放，以及来自和其他欧洲捕集设施的碳排放。彼得黑德港^[28] 尽管该集群具有明显的优势，但由于难以为CCS制定商业案例，当地小型行业的参与度非常缓慢。挪威格伦兰集群的工业排放量不是特别大，没有其他排放者可以轻易添加到簇，目前关于全面CCS项目的建议仅用于两个用于捕获 CO₂的排放器、水泥设施和垃圾焚烧发电厂。CO₂将是反式的用船运到科尔斯内斯的收集中心，从那里通过管道输送到盐层中的储存点。所有这些现

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