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直接空气碳捕集(DAC)技术与产业化

作者:   时间:2023-09-13   浏览次数:1801

随着碳中和的推进,减碳、捕碳和碳封存技术不断发展迭代。节能降耗的新工艺应用、原料脱碳、煤电厂/水泥生产/天然气联合循环电厂/整合气化联合循环电厂/生物质能源碳捕集等技术手段在我国持续推广,然而我们技术版图中缺少了一块——直接空气捕碳。直接空气捕碳技术是当今唯一能解决下面三种问题的技术手段:

1.成本合理

2.规模可以无限放大

3.可消除任何时间点排放的CO2;永久脱除空气中的CO2。

直接空气捕碳过程可分为三个步骤:

1)空气被通过位于收集器内部的风扇吸入。一旦吸入,它通过位于收集器内部的过滤器,将二氧化碳颗粒捕获。

2)当过滤器完全充满CO2时,收集器关闭,温度上升至大约100°C,大致相当于煮一杯茶所需的温度!

3)被捕集的CO2混合一部分水引入地表以下,通过矿化作用永久封存在地下。

另外,被捕集的CO2也可以转化成合成柴油或低碳燃油、直接用来发电、直接输送至附近的温室或饮料行业。

图1:CarbonEngineering(CE)的CO₂捕集、封存及利用路线

直接空气捕碳(DAC)技术分类

根据直接空气捕碳(DAC)工艺中的吸收剂类型,DAC分为液体和固体两种。

液体DAC技术:

1)碱性氢氧化物溶液

碱性氢氧化物溶液DAC技术包括两个循环反应,一是大气中的CO2与碱性氢氧化物(氢氧化钠NaOH或氢氧化钾KOH)溶液反应生成可溶于水的碳酸盐,二是通过苛化反应实现碱性氢氧化物的再生,并将苛化反应生成的碳酸钙(CaCO3)加热至900℃以上释放出CO2。

2)胺溶液

胺溶液吸收在CO2燃烧后捕集中的应用比较广泛,先在环境温度下利用胺溶液从烟道气体中吸收CO2,然后在120℃左右温度下通过汽提使胺溶液再生。研究发现烷醇胺对CO2具有很高的亲和力,满足从空气中直接捕获CO2的条件

3)氨基酸盐溶液

将氨基酸盐溶液作为吸收溶剂,通过胍氢键将大气中的CO2转化为碳酸盐结晶(PyBIGH2(CO3)(H2O)4),这种结晶的溶解度非常低进而可从溶液中过滤分离。氨基酸盐溶液/BIGs DAC流程主要分为三个环节,如图2所示:一是空气中的CO2与氨基酸盐溶液反应生成相应的碳酸氢盐,二是碳酸氢盐与BIGs(Bis-iminoguanidines)作用使氨基酸盐再生并同时得到碳酸盐结晶,三是碳酸盐晶体在较低温度(80~120℃)分解实现BIGs的再生并得到高纯度的CO2。

图2 氨基酸盐溶液/BIGs DAC 流程示意图

4)碱度浓度变化

如图3所示,该方法采用稀碱性水溶液吸收空气中的CO2,溶液与空气达到平衡时碱度由初始碱度增至平衡碱度,随后将溶液浓缩使溶液中溶解的无机碳增多、碱度增加至最高碱度,CO2在溶液中的分压也随之增加,将系统压力降至低于CO2分压后溶液中吸收的CO2得以脱除排放,继续将浓缩溶液稀释使其恢复初始碱度,再重新吸收空气中的CO2并不断循环对上述过程。

图3 碱度浓度变化DAC流程示意图

固体DAC技术:

1)固体碱(土)金属

有纯碱(土)金属、负载型碱(土)金属、固态胺吸附剂三种,以纯碱金属CaO为例:

其CO2捕集过程主要包括两步:一是CaO与CO2接触后发生碳酸化反应转化为CaCO3;二是CaCO3煅烧释放出CO2,上述两步连续循环进行。碱(土)金属的氧化物或氢氧化物同样可应用于空气中CO2的捕集,只是由于空气中CO2的浓度远低于烟气中CO2的浓度,导致空气中直接捕集CO2所需能量大幅增加。

图4 碱(土)金属DAC实验流程示意图

2)MOFs材料

近年来MOFs已成为DAC领域的研究热点,可通过在MOFs上负载胺基(3.2节),或调整孔径及活性点位分布来获得较强的CO2吸附能力。Shekhah等研究了SIFSIX-3-Cu/Ni/Zn直接空气捕集CO2的性能,通过调整金属种类改变单元格和孔径分布,发现中心粒子为锌(Zn)时孔径最大,对应的CO2吸附量为0.13mmol/g;中心粒子为铜(Cu)时孔径最小,可吸附1.24mmol/g的CO2。

3)变湿吸附

变湿吸附DAC主要分为三个步骤:一是在干燥环境下,吸附剂表面的碱性基团(OH-或CO32-)吸附空气中的CO2;二是在湿度较高或水合度较高条件下,吸附剂所吸附的CO2逐渐解吸;三是解吸后得到的CO2压缩后封存或利用。

实现DAC产业化的公司

目前,瑞士Climeworks、加拿大CarbonEngineering及美国GlobalThermostat等公司多年来致力于DAC技术的研究,并已有多个运营成功的DAC项目。

Climeworks简介:2009年Climeworks在瑞士成立,当时是苏黎世联邦理工大学的分支机构。2014年,Climeworks与Sunfire和Audi合作启动了首个试点工厂,可将环境中80%的二氧化碳捕获并转化为合成柴油。2017年ClimeworksAG成功运营了世界上第一个工业规模的直接空气捕集工厂,每年捕集900tCO2,所捕集的CO2直接输送至附近的温室或饮料行业。Climeworks在冰岛运营的直接空气捕集与封存项目Orca是全球首个运行的DAC项目,Orca项目于2020年8月开始建设、2021年9月正式运行,每年捕集4000tCO2。2022年6月,Climeworks宣布启动第二个直接空气捕集与封存项目Mammoth,每年捕集36000tCO2,预计2024年开始运行。

● CarbonEngineering(CE)简介: CE是哈佛大学DavidKeith教授2009年在加拿大创立的。2017年CE与哈佛大学研究人员合作,研制出一种工业生产方法可将CO2从空气中直接捕获并用于生产液态燃料。2021年,CE成立了碳工程研发中心,并创建出世界上最大的DAC研究装备。随后CE与OxyLowCarbonVentures在OXY油田附近启动100万t空气碳捕集和封存项目,并与PaleBlueDotEnergy合作在英国部署商业化的DAC项目。2022年,CE与1PointFive合作,完成了全球首个百万t大型商业DAC项目的过程设计,预计该项目投入运营后,每年可从大气中捕获50万tCO2,并有能力扩大到每年100万t,1PointFive与CE宣布截至2035年将计划完成70个这样大规模的DAC设施。

GlobalThermostat简介:GlobalThermostat于2010年在美国成立,其创始人为《京都议定书》的作者及来自普林斯顿、哈佛、哥伦比亚和斯坦福大学的研究人员,同年建成了首个试验示范工厂,2013年建成了第一个商业示范工厂。目前,GlobalThermostat正在与埃克森美孚公司合作,以推进其碳捕获技术并扩大规模。2021年4月,GlobalThermostat与HIF签署协议向智利的HaruOnieFuels试点工厂提供DAC设备,并利用捕获的CO2与电解氢混合生产合成汽油,该工厂的DAC设计目标是2000tCO2/年。

表 1 全球现行 DAC 工厂

目前国内规划和运行碳捕集利用与封存示范项目总数接近百个,涵盖电力、油气、化工、水泥、钢铁等多个行业。其中超过半数的项目建成投产,具备二氧化碳捕集能力超过400万吨/年。我国DAC技术研究起步较晚,尚无DAC工业示范装置。华能集团提出预计2024年建成我国第一套DAC工业示范装置,以填补我国在DAC工程示范领域的空白。浙江大学采用变湿再生工艺开发了30kg/day的小型DAC样机,所捕集的CO2可用于供给农业温室大棚。

那DAC技术的发展潜力有多大呢?下图是不同碳捕集路线的边际成本曲线:

图5 不同碳捕集路线的边际成本曲线

数据来源:Goldman Sachs Global Investment research

可见DAC技术产能增量具有无限可能,到达29GtCO2时,边际成本递减,商业潜力凸显。

国际大力发展直接空气捕碳 (DAC)技术

为应对全球变暖,美国能源部将斥资12亿美元补贴两个直接空气碳捕集(DAC)项目,上述计划在8月11日对外宣布。这两个项目分别位于德克萨斯州和路易安那州。美国能源部称,项目建成后,预计每年从大气中清除超200万吨二氧化碳,相当于减少约44.5万辆燃油车年排放量,同时将为两个地区创造4800个工作岗位。

据《美国两党基础设施法》,美国计划在未来十年内建立四个DAC中心,联邦政府将提供35亿美元补贴支持,上述12亿美元即为其中一笔。美国能源部称,DAC在大规模部署后,可以帮助美国实现到2050年温室气体排放中和的目标。

我国2022年发布的《第四次气候变化国家评估报告》明确CCUS技术包含生物质能碳捕集与封存(BECCS)和直接空气捕集(DAC)等负排放技术。同一年,国家发展改革委、国家能源局在《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》中明确表示中国鼓励低碳技术发展。其中,碳捕获被认为是中国实现气候目标的重要支柱。可以说,DAC技术对于我国实现碳中和目标具有重要战略意义。

另外,行业巨头对DAC的投资也正在迅速升温。Alphabet、Shopify、meta、Stripe、Microsoft和H&M集团等多家公司已投注资金,承诺在2022年至2030年间共同购买近10亿美元的“永久碳清除”技术。今年5月,摩根大通与瑞士的DAC先驱 Climeworks 达成了一项价值2000万美元、为期九年的碳清除协议。

DAC技术在碳中和技术的组合方案中不可或缺,但成本仍是商业可行性的短板。DAC的应用价值在石油行业驱油场景、制造生产合成燃料、塑料、甲醇、混凝土等各类产品中更有想象空间。DAC在中国正处于起步,东庚公司也参与在其中,处于技术研发阶段,欢迎更多的合作伙伴加入我们,共同促进该领域的快速发展。


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