4.1 CO₂ 捕集技术

“双碳”目标的提出为我国低碳建设指明了发展方向，同时也决定了今后的几十年我国的转型方向。但是，以煤为主的资源禀赋也就决定了在相当长时期内，我国仍然以化石能源作为主要的能源供应力。在此背景下，我国高耗能行业必须在碳减排方面有所行动，以有效控制温室气体排放。为降低 CO₂ 排放带来的环境影响，必须对 CO₂ 进行深度脱碳。在目前所有的碳减排手段中， CCUS 能减少CO₂ 排放而引起了大量学者的关注，它能达到分离富集钢铁、火电以及水泥等行业能源燃烧时气体中的 CO₂ 的目的，从而减弱温室效应的加剧。因此，在当前的大背景下， CCUS 技术被认为是最具潜力的前沿减排技术之一。目前， CCUS 技术已经在全球范围内进行了应用与推广。而我国在 CCUS 技术领域的应用却鲜少，这不仅仅是技术问题， 更是经济问题。经济性将直接影响 CCUS 技术的持续发展与产业投资情况。运行成本主要涉及捕集压缩、运输、封存、利用这 4 个主要环节，其中，影响整个 CCUS 的成本的关键是 CO₂ 的捕集。目前，常用的 CO₂ 的捕集手段有燃烧后捕集、燃烧前捕集及富氧燃烧。表 1 总结了目前常用的碳捕集技术成本、适用性以及利弊。由表可知：3 种 CO₂ 捕集手段各有利弊，且适用的场所也各不相同，没有任何 1 种CO₂ 捕集方法可以同时满足经济性、高效性、节能性以及可靠性等。因此，CO₂ 捕集方法应当在重点分析经济性以及可靠性等重要指标以后，再根据实际情况选取适当的 CO₂ 捕集方法。

4.2 富氧燃烧技术在 CCUS 中的潜力

CO₂ 捕集作为 CCUS 技术中最重要的一部分，其成本受到了碳源的影响，碳源的丰富程度对一个CCUS 技术能否成功起到了至关重要的作用。目前，在工业炉窑中通常采用燃烧后捕集法，燃烧后集中于窑尾的 CO₂ 体积分数大概只有 20%，而低体积分数 CO₂ 分离的化学吸收工艺需要消耗较多的中低温饱和蒸汽，这会带来较大的能源损耗。该方法还需要治理较大的烟气量，这大大增加了成本。相对之下，富氧燃烧捕集技术由于改变了助燃空气中 O₂ 的体积分数比而具有独特的优势。富氧燃烧技术与CCUS 的结合更加能发挥其内在的潜力。图 1 为富氧燃烧捕集技术路线示意图，富氧燃烧技术增加了助燃空气中 O₂ 的体积分数和部分循环烟气代替空气做化石燃料燃烧时的氧化剂，燃料的燃烧更加充分，使得烟气中 CO₂ 体积分数显著提高 （＞80%） 。CO₂的体积分数越高，对 CO₂ 捕集方法的要求和成本也就越低。丰富的碳源有效地解决了目前采用的燃烧后捕集法由于 CO₂ 体积分数低而带来的较大的能源损耗以及成本的增加问题。

图1  富氧燃烧捕集技术路线示意图

考虑到实际的氧气体积分数与制氧成本的限制，除了平板玻璃窑富氧燃烧技术中可以使用 100%纯氧助燃，别的炉窑则需要考虑选择适宜的氧体积分数。因此，有必要对典型炉窑 （水泥窑，体积分数 30%氧助燃） 的 CCUS 技术的效率及成本进行分析。在水泥工业生产过程中，一个完整的、详细的 CCUS过程有 3 个步骤： 1） 采用富氧燃烧技术使烟气中 CO₂ 富集； 2） 通过深冷冷冻液化技术对富集的 CO₂进行分离与液化； 3） 将液态的 CO₂ 产品通过管道运输至油气田用于驱油，提高原油采收率以实现对水泥行业的 CCUS。该报道得出了结论：在水泥窑中使用富氧燃烧技术捕集 CO₂ 的捕集成本 （约75.67 元 /t ） 明显优于目前煤电行业通常采用的燃烧后捕集法。

通过上述分析可知，在工业炉窑使用富氧燃烧技术使得 CO₂ 的体积分数显著提升，有益于 CO₂ 的封存和捕集，优于目前的常用方法。其诸多优势为CO₂ 的捕集纯化在各高耗能行业广泛推广提出了新的思路，使其大范围推广成为可能。特别是，玻璃窑采用富氧燃烧技术 （使用 100% O₂ 助燃），经过干燥处理后烟气中 CO₂ 的体积分数高达 95%，再通过叠加烟气再循环技术，剩余烟气经净化压缩脱水后即可得到高纯度液体 CO₂，大大降低了 CO₂ 的分离难度与捕集成本。由 此 可 见 ， 富 氧 燃 烧 技 术 与CCUS 技术的结合，可以为中国高耗能行业实现碳减排助力。

目前，研究人员开展了一大批与 CCUS 有关的探讨，并取得巨大的进展。值得注意的是，目前能进行大规模应用的集中在天然气处理、发电、化肥生产、化工生产等行业，且还是 CO₂ 的捕集和封存，而实际的大规模工程案例却还未有报道。目前全国碳市场已经将火电纳入了碳交易市场，建材（水泥） 有色、钢铁、石化、化工等高耗能行业也已经纳入了控排行业。因此 ， 实 现 高 耗 能 行 业 的CCUS 是实现“双碳”的关键。从上述的分析中可知，玻璃行业由于其特殊的工艺烟气可达 95%以上，这大大减少 CCUS 的成本，然而目前国内未将玻璃行业与 CCUS 连接在一起。未来的研究也应该将富氧燃烧技术应用于工业炉窑，以便提高烟气中 CO₂，这有利于降低 CO₂ 捕集的成本，以更好的实现高耗能行业碳中和。

5 结论

1） 富氧燃烧在火电行业、化工行业、钢铁行业、有色行业、玻璃行业和陶瓷行业的应用， 基本可以明确富氧燃烧可降低燃料消耗量，节能减排降本增效效果明显。此外，由于特殊生产工艺， 富氧燃烧技术玻璃、化工、钢铁和有色等领域未来市场较为狭窄。而水泥、陶瓷等耗能大户具有广阔的市场前景，它们应当结合实际工业自身实际情况重新权衡其中利弊，做出科学的改进。

2） 为进一步推广富氧燃烧技术在各高耗能行业的应用，进一步降低制氧成本和减少 NOx 的排放是目前的研究关键。此外，还需结合产品烧成质量进行考虑，选择最恰当的富氧燃烧方式。今后，各高耗能行业应当根据自身的窑体和生产线特点， 重新权衡其中利弊，做出科学的改进，以促进富氧燃烧技术在高耗能行业的应用与推广。

3） 富氧燃烧技术在工业炉窑中的使用，提高了CO₂ 体积分数 （80%以上），再叠加烟气再循环技术可使得 CO₂ 体积分数＞95%，这有助于 CO₂ 的封存和捕集，从而大大降低 CCUS 技术的成本。相比于其他 CO₂ 捕集手段，富氧燃烧技术更具技术优势和市场竞争力。这诸多优势为 CO₂ 捕集纯化在各高耗能行业广泛推广提出了新的思路。然而目前国内未将玻璃行业与 CCUS 连接在一起。未来的研究也应该将富氧燃烧技术应用于工业炉窑，以便提高烟气中 CO₂，这有利于降低 CO₂ 捕集的成本， 以更好的实现高耗能行业碳中和。

本文摘自《能源研究与管理》 2023,15(4)