基于热解的碳捕集技术经济分析

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新兴的负排放技术(NETs)被认为是减少二氧化碳排放的有效措施,而生物质能源与碳捕集和储存(BECCS)作为最重要的NETs之一,将有效地帮助《巴黎协定》缔约国完成设定的目标。《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中指出碳捕集是节能减排工作的重点,在一系列政策支持下,碳捕集、利用与封存(CCS)技术正在蓬勃发展,将为实现“碳达峰”和“碳中和”目标做出巨大贡献。CCS的发展将为BECCS的大规模部署提供技术支持。《“十四五”节能减排综合工作方案》指出交通运输行业碳排放量过高,而利用生物质热解产生的生物油替代化石燃料是交通运输行业脱碳的重要手段,因此,将生物质热解与碳捕集集成(PyrCC)具有重要意义。然而,关于PyrCC,目前仅有少量研究分析了其可行性,其技术和经济性能的研究却很少。不同的热解反应条件造成的产物差异会显著影响碳捕集技术的表现。不同碳捕集技术的集成对热解的影响也各有差异。这些差异会显著影响PyrCC的技术和经济性能。对这一部分的研究却很少,这不利于PyrCC的捕集技术选择,也在一定程度上阻碍了PyrCC的发展和部署。同时碳捕集技术的高成本也成了阻碍技术发展的壁垒。本文旨在探讨热解与不同碳捕集技术集成的技术与经济性。这将为PyrCC商业化应用提供参考,推动BECCS的发展。本文通过已验证的模型分析了不同生物质原料和反应时间对热解及不同碳捕集技术的影响,利用纯度、捕集量、能耗、(火用)损失、能源效率等指标研究了PyrCC的技术性能,通过平准化成本、净现值和投资回收期等指标研究了PyrCC经济性能,捕集技术包括乙醇胺(MEA)化学吸收、变温吸附、钙循环和化学链循环燃烧技术,为技术选择提供参考。主要研究结论如下:(1)生物质原料和反应时间对热解产物的影响较大,反应温度影响相对较小。灰分含量多的生物质气体和生物炭产率高。随着反应时间的增加,热解产物中生物油含量逐渐降低,生物炭含量逐渐升高,相对而言,气体产率变化较小,但气体中的CO2含量逐渐增加。(2)在技术性能表现上,化学链循环燃烧技术优于其它捕集技术,可以捕集最多的CO2而具有最小的单位能耗和(火用)损失,且该技术需要的额外燃料和对能源效率的影响最小;钙循环技术的单位能耗和(火用)损失最高。热解的反应时间也显著的影响着捕集技术的性能表现,随着反应时间的增加,捕集的单位能耗和(火用)损失明显降低,但需要额外添加的燃料增多,对能源效率的影响也更明显。(3)钙循环技术和化学链循环燃烧技术都表现出较好地经济性。钙循环和化学链循环燃烧的平准化成本最低,约为56$/tCO2,MEA化学吸收的平准化成本最高,约有83$/tCO2。随着热解反应时间的增加,所有技术的平准化成本降低;本研究还估算了不同捕集技术的净现值和投资回收期,这两个指标受碳价影响明显,在碳价为70.1$/tCO2时,化学链循环燃烧和MEA化学吸收的投资回收期分别是3.2年和5.9年。(4)国内当前的碳价较低,无法获得良好的经济效益,但如果碳价可以达到¥300/tCO2以上,各项技术就可以得到较高的净现值和较短的投资回收期,获得较好的经济效益。(5)不同生物质对碳捕集性能表现也有显著影响。从稻壳中捕集的CO2更多,单位能耗和(火用)损失也较低,但对系统能源效率影响更大;在经济性能上,从稻壳中捕集CO2经济性比木材好,平准化成本更低,同时具有更高的净现值和投资回收期。(6)综合考虑技术与经济性能,无论是采用木材还是稻壳作为生物质原料,最佳的捕集技术都是化学链循环燃烧技术,且热解反应时间的增加,可以显著地降低能耗和成本,如果碳价提升至80$/tCO2,碳捕集的投资回收期将显著降低并具有极好的经济性。
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