內容概要：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技術被認為是有前景的技術。其碳捕獲量大，可以在短時間內實現大量的CO2減排任務。但是由于成本較高，在鋼鐵行業(yè)的應用較少。隨著CCS技術成熟度的提高，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，世界各國領導人于2016年簽署《巴黎協定?》，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，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內。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)應加快節(jié)能降耗腳步，進而實現CO2減排目標。

目前，我國能源結構以碳基煤炭為主，2020年我國煤炭消耗仍占據能源消耗的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%。調整能源結構，應用可再生能源，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，我國能源結構難以改變。高爐-轉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）技術應運而生。該技術是被認為有潛力實現“碳達峰”、“碳中和”目標，大幅降低CO2排放的關鍵技術。同時，我國對于CCS技術高度重視，出臺了《中國碳捕集、利用與封存技術發(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技術的發(fā)展提供了重要的政策支持。

2 CCS技術介紹

CCS技術主要分為CO2捕集、運輸和封存三個環(huán)節(jié)，將工業(yè)和相關能源產業(yè)所產生的CO2分離出來，經過儲存加壓等手段，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捕集技術來說，主要應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合循環(huán)為基礎，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，燃燒后捕集技術被認為是最有前景的CO2捕集技術。同時燃燒后捕集技術存在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濟性方面表現不佳。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經捕集后需要運輸到最終的封存點，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，管道運輸為鋪設專門管道將加壓后的CO2經由管道進行輸送。相比于靈活的公路運輸，管道運輸的輸送量更大。但是，管道運輸具有管道鋪設路徑固定，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)劃上基本遵循運輸到就近的CO2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，管道運輸的綜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整。

2.3碳封存

CO2封存主要分為物理封存、化學封存和生物封存等。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儲存。同時相關研究對于高壓CO2的驅油與驅氣技術進行了分析，利用注入CO2的方法可以提高油氣等資源的采集率，這可能會帶來經濟收益，注入CO2可以提高采油率10~15%。

3CCS技術發(fā)展研究現狀

3.1CCS技術研究概況

目前，CCS技術在不同方面開展了研究。CCS技術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，在應用CO2捕獲和儲存的設施中，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期。

因此，燃燒后捕集的CO2過程如果應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技術的生命周期評估、社會接受度、經濟性等方面的研究也受到了廣泛關注。

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，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減排設施基礎建設進程的存在影響，更高的CCS社會接受度可以促進鋼鐵工業(yè)對CCS技術進行應用。CCS技術的成本工程與經濟性是CCS技術走上商業(yè)應用道路的關鍵一環(huán)，相關研究正在這個方面開展。

3.2CCS項目應用

CCS技術在世界范圍內引起了高度關注，目前有43個CCS技術在大型電廠運行，少部分應用于鋼鐵行業(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備，其為我國最大的燃燒后碳捕集設備之一，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，預計其年回收CO2能力可達到3000t。

在過去，CCS技術在鋼鐵工業(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)高爐設計方案。但是，CCS技術主要應用于高爐工序，尚未應用于煉鋼工序。而對于直接還原工藝的鋼鐵廠來說，應用CCS技術的路線更為簡易。因為其已經將二氧化碳分離技術應用到生產過程中，而且排出的CO2經過了壓縮，濃度較高，故不需要額外增加碳捕集設備，CCS技術的實施可在此基礎上進行改造。

4CCS技術潛力

4.1CCS技術未來減排能力

國際能源署預計，CCS技術將在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論，將碳捕獲和儲存納入鋼鐵生產路線，可將全球變暖潛能降低47.98-75.74%。相關研究指出，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捕獲和儲存技術會帶來額外的燃料消耗和相關的其他排放，導致鋼鐵工業(yè)。在未來將要實現的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驅油系統(tǒng)，來提高石油采收率。

4.2CCS技術成本及政策支持

為了實現“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技術發(fā)展趨勢的關鍵要素。2020年中國市場平均碳價為43元/tCO2。2019年中國碳價調查報告預測，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等不同運輸方式，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技術的應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的支持政策體系應進行細化，需要在相關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，為相關企業(yè)提供持續(xù)的有力的政策支持；推動CCS技術的市場化，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運輸與儲存等相關標準和規(guī)范套用已有的有關規(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技術是一項長期技術，為了確保鋼鐵工業(yè)積極應用CCS技術，應確保其投資回報率，這需要穩(wěn)定的政策支持。

5總結

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

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

（2）國家宏觀調控。目前，在CCS應用的進程中，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，一定程度上的經濟補貼與政府支持將提高企業(yè)的CCS技術接受程度。新興的碳交易政策，同樣對于企業(yè)的CCS應用起到了支撐作用，這一決策甚至會為走在CCS技術前沿的企業(yè)帶來收益。

隨著CCS技術在世界范圍內關注度不斷的提升，各國對CCS技術信心的不斷增加。伴隨著更多的商業(yè)化應用，更多新型具有前景的CCS技術將應用于鋼鐵工業(yè)中。

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