MAN Energy Solutions銷售部負責人Peter Klotzsche(左)、商業智能與發展部負責人Christian Rufer(右)

二氧化碳(CO₂)有望成為生產可再生燃料的原料。在此背景下，用以捕集和凈化源自工業的CO₂的新基礎設施將投入建設。本文介紹了碳捕集、利用與封存(CCUS)價值鏈。文章詳細闡述了通過集成CO₂凈化工藝和整體齒輪式壓縮機，捕集、凈化及壓縮這些極具技術與經濟挑戰性的任務，是如何得以被優化的。

CCUS價值鏈

1.以CO₂和氫氣為中心的能源基礎設施

MAN Energy Solutions致力于建立以CO₂利用和可再生氫為中心的能源基礎設施。隨著可再生氫的增加，可銷售產品中CO₂的使用也將隨之增加。這一新的基礎設施將在未來幾十年成為繁榮的源泉，即便日后我們實現了碳中和，CO₂的捕集和分配仍將繼續。

發電廠、水泥廠、煉油廠、石化廠和鋼鐵廠等大型點污染源排放大量CO₂。在捕集、凈化和壓縮后，CO₂通過管道被傳送至工業生產商，后者將其作為原材料投入工藝流程。大部分CO₂的直接利用都是臨時性的，因為在該產品被消耗時，CO₂被釋放(如飲料、干冰、合成燃料和大多數化學品)。這些小型分散性碳排放無法以經濟的方式回收，會被重新釋放到大氣中。因此，這些使用CO₂的合成產品的碳平衡至多只是循環性的。僅有少數用途的CO₂會被永久消除，例如聚碳酸酯和混凝土養護。

大多數碳化物中的焓含量遠高于CO₂含量，因此需要大量以氫氣形式存在的可再生能源，才能將CO₂轉化為可銷售產品。可再生能源的可用性越高，避免碳排放或CO₂轉化的可能性就越高，最終CO₂封存量就越低。CO₂的地質封存仍有其必要性，根據國際能源署設定的可持續發展情景要求，到2050年及以后，每年至少需要5.6Gt的碳封存容量。

圖1 CO₂價值鏈及碳排放前的封存期 圖源/MAN Energy Solutions

2.捕集和凈化

大多數大型點污染源排放低濃度CO₂煙氣。如下述全球碳捕集與封存研究院2021年的研究所示，隨著CO₂濃度的降低，能耗以及設備大小均會增加。盡管CO₂分離技術在各類化學工藝中應用了數十年，但低濃度煙氣凈化仍然是一項成本高、無利可圖的投資，即使主要研究在努力減少投資成本與能耗。

捕集和凈化是CO₂價值鏈中成本最高的一步。全球碳捕集與封存研究院的研究表明，若以使用壽命30年計算，每吉焦煤炭成本為2.1美元，每吉焦天然氣則是4.2美元，這意味著上述15%到20%碳捕集成本來自能源本身。能源至關重要，其價格在2022年初上漲了三倍，從根本上改變了碳捕集和封存的經濟效益。

一些大規模工業流程是碳捕集的理想場景，因為煙氣CO₂濃度高且凈化成本低。盡管捕捉成本更低，仍鮮有這樣的碳源被開發利用。

圖2 碳捕集與凈化成本(上)不同工藝流程中的CO₂濃度(下) 圖源/MAN Energy Solutions

碳捕集

捕集CO₂的方法可分為三類：燃燒后捕集、富氧燃燒捕集和燃燒前捕集。

1.燃燒后捕集

燃燒后捕集技術在燃燒后將CO₂從煙氣中分離。具有CO₂高親和力的選擇性化學溶劑，例如胺，最適用于CO₂低分壓的煙氣，絕大多數現有工業排放可采用該技術捕集。胺吸收是一項成熟技術，改造過程通常不會影響現有工藝，也無需大量的技術變更。這也是Aker Carbon Capture公司的建議，采用CO₂壓縮加熱胺的模塊化裝置。胺吸收有良好的應用記錄，多個大型工業裝置正在運行，包括2016年SaskPower Boundary Dam項目，2017年Petra Nova, Texas項目，2021年HeidelbergCement, Brevik項目。胺吸收技術的劣勢在于溶劑再生需要額外多達20%至30%能耗。

圖3 燃燒后碳捕集原理圖及其主要特征(上)燃燒后捕集技術(下) 圖源/MAN Energy Solutions

2.富氧燃燒捕集

新基建為富氧燃燒技術提供了機遇。純氧取代空氣與循環尾氣混合。燃燒后水和其它殘留物很容易從CO₂中分離出來。Vattenfals公司對一燃煤電廠的能耗研究表明，該技術可減少19%的電力輸出(cf.Str?mberg 2008)。這種燃燒前捕集方法的效率略高于燃燒后捕集方法，但需要在全新電廠中投資建設。

圖4 富氧燃燒碳捕集原理圖及其主要特征(上)富氧燃燒捕集技術(下) 圖源/MAN Energy Solutions

3.燃燒前捕集

燃燒前捕集是指在燃燒前去除CO₂。首先，水蒸汽甲烷重整或氣化(如天然氣、煤或生物質)產生合成氣。隨后，合成氣發生水-氣變換反應將一氧化碳和水轉化為氫氣和CO₂。CO₂濃度高且可被分離，而剩余氫氣作為燃料使用。

圖5 燃燒前碳捕集原理圖及其主要特征(上)燃燒前捕集技術(下)  圖源/ MAN Energy Solutions

碳利用

捕集的CO₂可作為原料應用于眾多工業流程。但這些機遇的開發需要基礎設施設計師、生產商和運營商在基礎設施領域更緊密合作。

1.碳輸送

CO₂在捕集后輸送至工業用戶或封存地點。鹿特丹港正在建立一個收集網絡以整合和分配CO₂。大多數CO₂排放者缺乏管理排放的專業知識。而這里公用事業公司可以介入，因為發電廠是最大的排放源，所以必須采取行動。公用事業公司可以結合CO₂捕集方面的專業知識與自建帶有CO₂輸配功能的工業中心，將提供碳管理作為一種服務。

圖6 Porthos項目:全范圍二氧化碳管理 圖源/MAN Energy Solutions

2.碳利用

CO₂利用是指在工業或化工流程中直接或間接使用CO₂生產有價值的含碳產品。并非所有的利用方案都能永久去除CO₂，多數方案仍需要大量的可再生能源。

圖7 二氧化碳利用路徑 圖源/MAN Energy Solutions

碳封存

碳封存是將CO₂儲存在油氣田或鹽堿含水層等地表下，該技術可追溯到20世紀70年代。

CO₂的封存需要將其注入地下深層孔隙巖地質儲層，如鹽堿含水層、枯竭油氣儲層，或含有高濃度活性鈣鎂離子的巖層并已形成穩定的碳酸鹽。據國際能源署2020年一項詳細分析顯示，工業國家70%的排放量是在距離潛在儲存地點100至300公里的范圍內釋放的。目前，至少有8000Gt的空間可用于碳封存。

圖8 MAN Energy Solutions碳捕集、利用與封存解決方案 圖源/MAN Energy Solutions

地質封存的深度必須大于800米，以保持CO₂處于稠密液體狀態。這就要求注入壓力通常保持在130至250 bar之間。氣候與能源方案中心列出了超過20處，在各種地質背景已經累計數十年經驗的封存現場。

壓縮技術

壓縮技術是實現CO₂管道輸送或以液相注入的前提。壓縮和脫水過程在CO₂捕集價值鏈的成本中占比約15%，在總能量消耗中占比約25%。

1.高效整體齒輪式壓縮機

隨著能源成本不斷增加，降低壓縮成本顯得尤為重要。壓縮機設計的選擇會有影響。整體齒輪式壓縮機在效率、中冷、葉輪總數、工藝抽氣/旁路的靈活性，以及入口導葉流量控制等方面優于單軸壓縮機設計。

整體齒輪式壓縮機在以下方面極具效率優勢：軸向進氣、多級壓縮時選擇最佳葉輪速度、每級葉輪下游中間冷卻，以及獨立流量控制。

圖9 向用戶及地質封存場輸送CO₂的途徑 圖源/MAN Energy Solutions

2.軸向進氣流

與整體齒輪式壓縮機相反，單軸壓縮機的進氣流在進入葉輪之前須先重新定向，而這會導致損耗和渦流。對于軸向進氣，因其葉輪表面積較大，進而允許更高的流量系數和葉尖速度，而不會達到影響效率和操作范圍的前緣馬赫數。如需要，整體齒輪式壓縮機的每個壓縮級都可以安裝入口導葉，以增加操作范圍和部分負荷效率。

圖10 薩斯科電力集團大壩電廠碳捕集項目采用八級濕式二氧化碳壓縮機壓力從1.7至174bara 圖源/MAN Energy Solutions

圖11 軸向進氣與徑向進氣葉輪對比 圖源/MAN Energy Solutions

3.葉輪流量系數和效率

當葉輪中的通流路徑變窄時，泄漏損失和邊界層(摩擦損失)會不成比例地增加。這些損失會隨著流量的增加而減少，但氣動損失緩慢增加，進而在特定范圍實現效率最大化。整體齒輪式壓縮機為優化速度提供了更廣闊空間，并可以將葉輪流量系數保持在最佳多變效率范圍內。這會對高分子量氣體(如CO₂)產生影響，導致其體積迅速減小。而單軸壓縮機則采用窄葉輪，以便在后續各級壓縮氣體時獲得足夠的壓頭。

圖12 葉輪損失與離心流量系數的關系(左)轉速與不同壓縮級入口流量系數的關系(右) 圖源/MAN Energy Solutions

4.等溫壓縮

等溫壓縮是增加氣體壓力的最有效方式。在恒定溫度下，移除壓縮熱技術上無法實現，因此需要多變壓縮與冷卻技術交替進行。與單軸壓縮機設計不同，整體齒輪式壓縮機可在每個壓縮機之間進行中間冷卻，使壓縮近似于等溫冷卻在技術上可行。

圖13 整體齒輪式壓縮機(藍色和綠色)與單軸壓 縮機(紅色和黃色)壓縮干式二氧化碳的路徑 圖源/MAN Energy Solutions

流程集成

壓縮機是流程的一部分。壓縮機制造商與工藝專利商在尋找集成壓縮的新方法方面存在共同利益。

1.靈活性與價值

在不同壓力下輸送氣流或在工藝流程中接入旁路的靈活性，提高了裝置的整體效率。整體齒輪式壓縮機是這些場景下的理想選擇，并能為終端用戶提供價值。

CCUS需要通過壓縮將CO₂，或以高壓氣體的形式(80至200bar)在管道中輸送，或以液體形式(15bar，-28℃)封存于帶保溫的低溫壓力容器中。利用壓縮熱再生化學吸附劑大大降低了總能耗。例如，MAN Energy Solutions與Aker Carbon Capture合作，將壓縮熱整合到胺吸收過程中；與Air Liquide合作，將壓縮與混合膜-低溫蒸餾單元進行整合。

圖14 化學吸附的流程圖 圖源/MAN Energy Solutions

2.胺吸收

胺吸收適用于CO₂濃度低于20%的大多數工業煙氣。廢氣被送至吸收塔，胺溶液(貧溶劑)在吸收塔中吸附CO₂，大多數氮氣被留在塔頂部，并釋放到大氣中。富溶劑聚集在塔底，從底部泵送至交換器，并從熱貧溶劑吸收熱量。富溶劑進入熱再生器后在90℃至130℃的溫度下釋放CO₂。每噸CO₂化學吸收需要2.5至3.5GJ的熱能，這通常由再沸器中的蒸汽提供。

圖15 以四種不同汽液平衡溶劑為例說明再生溫度對碳捕集熱需求的影響 圖源/MAN Energy Solutions

3.CCUS的能源成本

CO₂凈化的能耗比率與燃料中可用的能量相比更高。當考慮到碳氫化合物燃料的能量含量時，能源提升需求就顯得尤為重要。

凈化后，壓縮機將CO₂壓力升高至140至180bar以便通過管道輸送或液化運輸。每壓縮一噸CO₂，這兩種方案都需耗費約0.4GJ的電力。電廠須生產這些額外電力，導致增加燃料消耗。

2021年以來，能源價格飆升，而多數先期研究顯著低估了成本。能源至關重要，在經濟評估中必須謹慎考慮。

圖16 CO2凈化的能耗比率 圖源/MAN Energy Solutions

圖17 額外發電造成的燃料消耗增量(上)煤與天然氣的能源價格(下) 圖源/MAN Energy Solutions

4.壓縮服務一體化

最佳的胺再生溫度在90℃至120℃之間，這一溫度范圍用蒸汽發生器取代級間冷卻器來回收壓縮熱。壓縮服務一體化是降低燃料消耗和改善濕CO₂蒸汽脫水的關鍵。通過與Aker Carbon Capture合作，MAN Energy Solutions充分發揮了整體齒輪式壓縮機的潛力，將壓縮服務與再生器和CO₂液化循環進行整合。

圖18 流程高度整合一體化的整體齒輪式壓縮機與輔助設備三維布置圖 圖源/MAN Energy Solutions

工藝優化：

——濕CO₂從再生器直接輸送至壓縮機；

——濕CO₂與蒸汽發生器四次換熱；

——從每個中冷器下游分離冷凝水；

——在壓縮末級的上游干燥CO₂；

——液化流程CO₂旁路回流；

——每一旁路導葉控制。

5.膜低溫蒸餾

混合凈化系統利用多種技術優勢來研發經濟上更具吸引力的CO₂分離方法。Air Liquide公司的Cryocap?氫氣解決方案使用低溫技術和膜技術來凈化蒸汽甲烷重整后變壓吸附尾氣中的CO₂。這一技術能在減少CO₂的同時將氫氣產量增加近20%，具有多重優勢。

該混合技術需要多個獨立壓縮和擴展服務。MAN Energy Solutions和Air Liquide已將這些服務組合應用于單臺整體齒輪式壓縮機的獨立工藝循環中，從而降低投資成本和能源消耗。

圖19 Cryocap?工藝流程圖 圖源/MAN Energy Solutions

本文：MAN Energy Solutions銷售部負責人Peter Klotzsche、商業智能與發展部負責人Christian Rufer

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文章來源：中國船檢