內(nèi)容概要：隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，以鋼鐵工業(yè)為代表的能源密集型產(chǎn)業(yè)向大氣中排放了大量的CO2等溫室氣體。近些年，氣候變化、物種衰減等問題愈發(fā)突顯。為了減少CO2等溫室氣體排放，CCS技術(shù)被認為是有前景的技術(shù)。其碳捕獲量大，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)大量的CO2減排任務(wù)。但是由于成本較高，在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用較少。隨著CCS技術(shù)成熟度的提高，這將是鋼鐵廠CO2減排不可缺少的一個環(huán)節(jié)。

1CCS技術(shù)發(fā)展背景

針對溫室氣體排放引起的氣候變化，世界各國領(lǐng)導(dǎo)人于2016年簽署《巴黎協(xié)定?》，旨在將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)。我國在《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中明確提出了提高資源利用效率以及改善生態(tài)環(huán)境的目標，同時對于工業(yè)CO2減排工作提出了明確要求。能源密集型產(chǎn)業(yè)，如鋼鐵工業(yè)等在消耗巨額的化石燃料的同時，排放了大量的溫室氣體到大氣環(huán)境中。鋼鐵工業(yè)的溫室氣體排放量占全球溫室氣體排放量的6.7%。2020年我國粗鋼產(chǎn)量達到了10.65億噸，其帶來的CO2排放量約為23.2億噸。我國鋼鐵工業(yè)CO2排放量占我國總CO2排放的15%左右。我國致力于2030年前達到碳峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和。在“十四五”期間，“碳達峰”、“碳中和”提出的大背景下，鋼鐵工業(yè)應(yīng)加快節(jié)能降耗腳步，進而實現(xiàn)CO2減排目標。

目前，我國能源結(jié)構(gòu)以碳基煤炭為主，2020年我國煤炭消耗仍占據(jù)能源消耗的50%以上，由煤炭消耗造成的排放占76.6%，石油占17.0%，天然氣占6.4%。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，應(yīng)用可再生能源，綠色能源是減少CO2等溫室氣體排放的根本途徑。但是短時期內(nèi)，我國能源結(jié)構(gòu)難以改變。高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼在未來仍然將帶來巨大的CO2排放壓力。碳捕集與封存（Carboncaptureandstorage，CCS）技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)是被認為有潛力實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標，大幅降低CO2排放的關(guān)鍵技術(shù)。同時，我國對于CCS技術(shù)高度重視，出臺了《中國碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖》與《推動碳捕集、利用和封存試驗示范》等文件，為CCS技術(shù)的發(fā)展提供了重要的政策支持。

2 CCS技術(shù)介紹

CCS技術(shù)主要分為CO2捕集、運輸和封存三個環(huán)節(jié)，將工業(yè)和相關(guān)能源產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的CO2分離出來，經(jīng)過儲存加壓等手段，封存到海底或者地下等與大氣隔絕的地方。

2.1碳捕集

對于CO2捕集技術(shù)來說，主要應(yīng)用方法有燃燒后捕集、燃燒前捕集、以及富氧燃燒捕集。燃燒前捕集是將煤炭在進行燃燒之前以煤氣化聯(lián)合循環(huán)為基礎(chǔ)，將煤炭氣化成為清潔氣體能源，在燃燒前將CO2分離出來。燃燒后捕集的捕集對象為工廠煙氣，對其中的CO2進行捕集，其需要的成本投入較少，同時由于其多樣化的捕集方法，燃燒后捕集技術(shù)被認為是最有前景的CO2捕集技術(shù)。同時燃燒后捕集技術(shù)存在CO2濃度壓力低，需要對于煙氣進行除塵等工藝操作等劣勢。富氧燃燒捕集試圖結(jié)合以上兩種捕集方式的優(yōu)點，在燃燒過程中，通入高純度氧氣進行助燃，同時于爐內(nèi)進行加壓，之后在進行燃燒后捕集來降低前期投入成本以及捕集成本。

從理論上可以視為燃燒中捕集，該捕集方式由于高純度氧氣制備的高成本而在經(jīng)濟性方面表現(xiàn)不佳。三種CO2捕集方法中，燃燒后捕集是企業(yè)最重視的方法，其主要包括吸收分離法、吸附分離法、膜法和低溫蒸餾法等。吸收分離法按照吸收分離原理不同，可以分為化學(xué)吸收法與物理吸收法。

目前，工業(yè)中廣泛采用熱碳酸鉀法和醇胺法這兩種化學(xué)吸收法。熱碳酸鉀法主要包括本菲爾德法、坤堿法、卡蘇爾法等。以醇胺類作為吸收劑的方法有MEA法（乙醇胺）、DEA法（二乙醇胺）及MDEA法（N-甲基二乙醇胺）等。工業(yè)上最先使用的是TEA法（三乙醇胺)，但由于該法CO2的吸收效率低和落劑的穩(wěn)定性差，已逐漸被MEA和DEA所取代。胺基捕集CO2也被認為是目前成本最低的捕集方式。

2.2碳運輸

CO2經(jīng)捕集后需要運輸?shù)阶罱K的封存點，CO2運輸方式主要有公路汽車運輸與管道運輸兩種。

公路運輸為將CO2加壓后由罐車運送至CO2封存點，管道運輸為鋪設(shè)專門管道將加壓后的CO2經(jīng)由管道進行輸送。相比于靈活的公路運輸，管道運輸?shù)妮斔土扛蟆５?，管道運輸具有管道鋪設(shè)路徑固定，前期部署投入成本高等劣勢。公路運輸更適用于零散的CO2運輸，其輸送目的地并不固定，在路線規(guī)劃上基本遵循運輸?shù)骄徒腃O2埋存點的原則。以我國鋼鐵工業(yè)為代表，其CO2的運輸更適合于公路運輸。管道運輸其成本較高，應(yīng)用規(guī)模也較小，但是當CO2運輸規(guī)模增大，其運輸量增大之后，管道運輸?shù)木C合成本呈顯著下降趨勢。在未來，CO2的運輸將隨著埋存點分布與運輸成本的改變而進行調(diào)整。

2.3碳封存

CO2封存主要分為物理封存、化學(xué)封存和生物封存等。當前討論比較多的是物理封存與利用。將CO2進行海洋或者深海儲存和地質(zhì)儲存。同時相關(guān)研究對于高壓CO2的驅(qū)油與驅(qū)氣技術(shù)進行了分析，利用注入CO2的方法可以提高油氣等資源的采集率，這可能會帶來經(jīng)濟收益，注入CO2可以提高采油率10~15%。

3CCS技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀

3.1CCS技術(shù)研究概況

目前，CCS技術(shù)在不同方面開展了研究。CCS技術(shù)的碳捕集能力被鋼鐵工業(yè)所重視，在捕獲率90%的情況下，碳捕集項目每天可以捕集1.4億噸CO2。在CCS系統(tǒng)進行運行的過程中，由于CO2儲存工藝，在儲存CO2過程中將有50%或者更多的CO2被釋放出來。同時，由于能源和材料消耗將帶來額外的CO2排放，在應(yīng)用CO2捕獲和儲存的設(shè)施中，大約80%的CO2排放來自于吸收CO2的液體吸收劑的再加熱所消耗的能量，所以其最終的CO2的捕獲儲存的量要少于預(yù)期。

因此，燃燒后捕集的CO2過程如果應(yīng)用太陽能進行輔助捕集的話，其CO2捕獲率可以提升至70%。此外，對于CCS技術(shù)的生命周期評估、社會接受度、經(jīng)濟性等方面的研究也受到了廣泛關(guān)注。

基于生命周期，對氨基碳捕獲和儲存系統(tǒng)的CO2凈減排性能進行評估發(fā)現(xiàn)，對于高濃度的CO2進行改造可以獲得更高的CO2減排性能。CCS的社會接受度對于CO2減排設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)進程的存在影響，更高的CCS社會接受度可以促進鋼鐵工業(yè)對CCS技術(shù)進行應(yīng)用。CCS技術(shù)的成本工程與經(jīng)濟性是CCS技術(shù)走上商業(yè)應(yīng)用道路的關(guān)鍵一環(huán)，相關(guān)研究正在這個方面開展。

3.2CCS項目應(yīng)用

CCS技術(shù)在世界范圍內(nèi)引起了高度關(guān)注，目前有43個CCS技術(shù)在大型電廠運行，少部分應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)。其中大部分都在北美和美國，且CO2捕集后絕大多數(shù)用以提高石油開采率。我國的華能石洞電廠部署了燃燒后碳捕集設(shè)備，其為我國最大的燃燒后碳捕集設(shè)備之一，年CO2捕獲量達到了10萬噸，該系統(tǒng)使用的是混合胺吸收劑。由華能控股的，由西安熱工研究院設(shè)計完成的華能北京熱電廠CO2捕集示范工程，是中國首個燃煤電廠煙氣CO2捕集示范工程，預(yù)計其年回收CO2能力可達到3000t。

在過去，CCS技術(shù)在鋼鐵工業(yè)的研究往往集中在兩方面。一是改造以高爐為主要CO2排放點源的傳統(tǒng)的綜合鋼鐵廠，二是利用CO2捕集技術(shù)來開發(fā)新型的高爐。歐洲ULCOS（Ultra-LowCO2 Steelmaking）項目提出了一項新型的頂部氣體循環(huán)高爐設(shè)計方案。但是，CCS技術(shù)主要應(yīng)用于高爐工序，尚未應(yīng)用于煉鋼工序。而對于直接還原工藝的鋼鐵廠來說，應(yīng)用CCS技術(shù)的路線更為簡易。因為其已經(jīng)將二氧化碳分離技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，而且排出的CO2經(jīng)過了壓縮，濃度較高，故不需要額外增加碳捕集設(shè)備，CCS技術(shù)的實施可在此基礎(chǔ)上進行改造。

4CCS技術(shù)潛力

4.1CCS技術(shù)未來減排能力

國際能源署預(yù)計，CCS技術(shù)將在2010年至2050年間為減少13%的溫室氣體排放做出貢獻。Chisalita對最重要的環(huán)境影響類別進行分析后得出結(jié)論，將碳捕獲和儲存納入鋼鐵生產(chǎn)路線，可將全球變暖潛能降低47.98-75.74%。相關(guān)研究指出，到2050年，碳捕獲和封存可以減少10-15%的CO2，每年減少600兆噸CO2。假設(shè)一個鋼鐵廠可以部署CCS系統(tǒng)，通過生命周期評估（LCA），在整個生命周期內(nèi)該CCS系統(tǒng)可以減少1.25億噸CO2排放。一般來說，采用CO2捕獲和儲存技術(shù)會帶來額外的燃料消耗和相關(guān)的其他排放，導(dǎo)致鋼鐵工業(yè)。在未來將要實現(xiàn)的92千兆噸CO2的減排，其中的64%將被封存到沉積盆地的含水層進行儲存，36%將用于CO2驅(qū)油系統(tǒng)，來提高石油采收率。

4.2CCS技術(shù)成本及政策支持

為了實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標，全國性的碳交易市場將于近期啟動。碳交易價格是影響鋼鐵工業(yè)CCS技術(shù)發(fā)展趨勢的關(guān)鍵要素。2020年中國市場平均碳價為43元/tCO2。2019年中國碳價調(diào)查報告預(yù)測，碳價在2030年將達到116元/tCO2在2050年碳價將達到186元/tCO2。一些機構(gòu)估計，2020年碳捕獲成本為75美元/tCO2，到2030年將減少20美元/tCO2。通過管道或道路運輸?shù)炔煌\輸方式，碳運輸支出在每公里0.04美元/tCO2至每公里0.2美元/tCO2間進行浮動。中國的工業(yè)CCS技術(shù)的應(yīng)用可取得較好的減排效果，有望令中國鋼鐵工業(yè)釋放出減排潛力。碳捕集的一項主要優(yōu)勢是可以避免工業(yè)資產(chǎn)陷入進退兩難的境地，中國有些鋼鐵企業(yè)建成時間較短，只需要對于現(xiàn)有的企業(yè)與工藝流程做出微小的改建即可。

CCS的支持政策體系應(yīng)進行細化，需要在相關(guān)的支持政策中明確和細化如何為CCS發(fā)展提供穩(wěn)定的政策支持，特別是找準政策發(fā)力點，為相關(guān)企業(yè)提供持續(xù)的有力的政策支持；推動CCS技術(shù)的市場化，打通企業(yè)的融資渠道，同時充分發(fā)揮碳交易市場這一優(yōu)惠政策對于CCS技術(shù)的激勵作用；鋼鐵行業(yè)CCS項目沒有統(tǒng)一的規(guī)范與標準，針對CO2運輸與儲存等相關(guān)標準和規(guī)范套用已有的有關(guān)規(guī)范標準，其管理標準對于CO2管理來講較為嚴苛，增加了商業(yè)化成本。CCS技術(shù)是一項長期技術(shù)，為了確保鋼鐵工業(yè)積極應(yīng)用CCS技術(shù)，應(yīng)確保其投資回報率，這需要穩(wěn)定的政策支持。

5總結(jié)

本文對于CCS技術(shù)的發(fā)展概況以及減排潛力進行了介紹。CCS技術(shù)作為實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標具有很大潛力的技術(shù)，在未來對于CO2的減排工作將起到重要作用。CCS技術(shù)CO2減排潛力大，但對于鋼鐵行業(yè)來說，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以減排一半以上的CO2。同時，技術(shù)成熟度與高昂的成本為現(xiàn)階段CCS系統(tǒng)的應(yīng)用與部署提出了挑戰(zhàn)。為了加快實現(xiàn)CCS技術(shù)的廣泛應(yīng)用可以從以下兩點突破：

（1）提高CCS技術(shù)成熟度而減低成本。該方法可以從根本上解決CCS技術(shù)應(yīng)用受限的問題，其成本的降低，將緩解鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟效益壓力。

（2）國家宏觀調(diào)控。目前，在CCS應(yīng)用的進程中，政府的政策支持是強有力的推動力。在碳減排成本處于較高水平時，一定程度上的經(jīng)濟補貼與政府支持將提高企業(yè)的CCS技術(shù)接受程度。新興的碳交易政策，同樣對于企業(yè)的CCS應(yīng)用起到了支撐作用，這一決策甚至?xí)樽咴贑CS技術(shù)前沿的企業(yè)帶來收益。

隨著CCS技術(shù)在世界范圍內(nèi)關(guān)注度不斷的提升，各國對CCS技術(shù)信心的不斷增加。伴隨著更多的商業(yè)化應(yīng)用，更多新型具有前景的CCS技術(shù)將應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)中。

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