一种多级分流再生的二氧化碳捕集系统与工艺

  完成单位：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司

  主要完成人：许世森、牛红伟、郜时旺、刘练波、王金意、郭东方

一、研发背景

2020年9月22日，习近平总书记向世界郑重宣布我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”,标志着我国低碳转型进入了新的加速期。电力、化工、钢铁、水泥等行业需要消耗大量煤、天然气等化石原料，CO2排放量十分巨大。国际能源署（IEA）发布《2050年净零排放：全球能源行业路线图》，认为碳捕集利用与封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）是化石能源低碳利用的唯一技术选择。据预测，到2060年，有20亿吨以上的CO2必须通过CCUS技术进行捕集与封存，才能实现碳中和目标，因此，CCUS技术是我国实现碳中和目标不可或缺的战略性技术，未来将提供可观的减排贡献，是我国应对气候变化、保障能源安全、非传统国防安全和促进可持续发展的重要手段。

受限于电力、化工、水泥、钢铁等高碳排放行业中烟气流量大、CO2浓度低的特点，实际应用时面临蒸汽消耗大但能量利用不足导致能耗和成本过高等共性问题，严重制约了CCUS技术的大规模产业化应用。在本技术诞生之前CO2解吸反应过程中气液界面热质传递耦合匹配性差、再生反应驱动力不足、蒸汽热源利用率低，导致CO2捕集过程能耗高和捕集成本居高不下，在世界范围内能够满足10万吨级以上规模低能耗、长周期烟气CO2捕集的相关技术尚属空白。此前行业内普遍采用的CO2捕集再生装置中富液（吸收CO2后的吸收液）一般经由单级管路（例如图1中D1）或二级管路（例如图1中D2）进入再生塔中解吸CO2，此类技术方案存在严重缺陷：（1）再生塔中温度分布控制相对粗略，然而根据再生塔吸收热量分布曲线的基本原理可知，如果能够对再生塔不同区段的温度进行精确控制，就能最大限度的从富液中解吸CO2，然而随着分级管路的增加，必然会导致建造成本的提高，同时造成系统过于复杂难以控制，进而造成能耗的提升，这一点成为典型技术之前的一种技术偏见；（2）采用单级或二级管路的方案中主要解吸位置位于再生塔的中上部，只能对贫液（解析CO2后的吸收液）部分余热进行再利用，因此富液解吸CO2时仍需额外消耗大量能量，造成CO2捕集成本过高，无法产业化；（3）再生塔中富液解吸区域过于集中，塔内空间利用不足，导致再生塔尺寸大、能耗大、成本高。综上，在本技术之前，并没有三级以上富液解吸的技术方案存在，对于增加解吸路径如何控制成本并有效长期运行成为难点。

图1 在先技术的方案示意图

中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司（下称“清能院”），依托国家能源局“煤炭清洁低碳发电重大科技攻关项目”，开展了新一代碳捕集工艺关键技术攻关和上海石洞口电厂12万吨/年碳捕集示范工程二期示范，首创富液多级分流工艺技术并形成了以多个专利发明为核心的高价值技术体系。

二、发明团队介绍

清能院拥有国家科技部“煤基清洁能源国家重点实验室”，凭借在CCUS领域为支撑国家双碳目标实现做出的杰出贡献和在行业内的引领地位，获批为“高效灵活煤电及CCUS全国重点实验室”，为首批20家标杆实验室之一。目前CCUS团队有核心成员50人，其中“海外高层次专家”3人，享受“国务院特殊津贴”专家2人，“百千万人才工程”国家级人选2人。所述技术的发明团队，是清能院二氧化碳捕集利用与封存技术团队的核心成员，也是团队创始成员，均为国际知名专家，2005年团队成立之初便以国内CO2捕集技术开发应用先锋的姿态，坚定不移地踏上技术探索之路，致力于实现能源行业全面零排放的伟大愿景。成立十余年来，团队创立了具有完全自主知识产权的烟气CO2捕集理论和成套技术体系，先后研制出我国第一座燃煤电厂CO2捕集装置、世界第一座燃煤电厂12万吨/年CO2捕集装置、我国第一套燃气烟气CO2捕集装置、我国第一套燃煤电厂相变型CO2捕集工业装置。同时团队的成绩也获得国际、国家以及地方各个方面的奖项肯定，包括国家科技进步二等奖、2次荣获中国电力科学技术奖一等奖、“联合国环境友好型城市示范项目”等。此外，随着技术发展，CCUS研发团队不断壮大，目前有核心成员50人，其中“海外高层次专家”3人，享受“国务院特殊津贴”专家2人，全国劳动模范1人，全国优秀共产党员1人，“百千万人才工程”国家级人选2人，北京市科技新星1人，北京市优秀青年人才3人，博士30人，涵盖热能工程、化学、化工、环境、控制、地质等专业领域，具有丰富的科研和工程经验。

以下是团队核心发明人简介：

许世森，西安交通大学热能工程专业博士，教授级高工，博士生导师，中国电机工程学会会士。现任国家首批标杆全国重点实验室“高效灵活煤电及CCUS全国重点实验室”主任、国家能源清洁低碳发电技术研发中心主任。是我国CO2捕集利用与封存（CCUS）主要技术带头人，牵头编制了我国首部《CCUS技术路线图》，负责筹建“国家CCUS产业技术创新联盟”，担任首任秘书长。获得国家科技进步奖1项、中国专利奖3项、省部级科技一等奖8项，其他省部级科技奖20项。获首批“中国电力科技杰出贡献奖”，入选首批“新世纪百千万人才国家级人选”、国务院政府特殊津贴专家、首批“科技北京百名领军人才”、“陕西省突出贡献专家”等。授权发明专利103件，出版著作4部，发表论文100 多篇。获“全国优秀科技工作者”称号。

郜时旺，西安交通大学动力工程及工程热物理专业毕业，工学博士；中国科学院工程热物理研究所博士后。现任中国华能集团清洁能源技术研究院副总工，研究员。承担、完成国家科技攻关、973计划、863计划、国际合作等国家级和华能集团课题30余项。“华能上海12万吨/年CO2捕集示范工程”技术负责人。获省部级科技一等奖3项，二等奖4项，发表论文50余篇，申请并授权专利50余项。获全国劳动模范、全国优秀共产党员、国务院政府特殊津贴。

刘练波，在洁净煤技术、污染物一体化脱除、二氧化碳捕集利用与封存、地热能开发与利用等科研方向先后承担多项国家863计划、重点研发计划、国家能源示范项目、国际合作、华能集团科研项目等科研课题及现场技术服务工作。在国内外学术期刊及国际会议上发表论文40篇以上，获国家专利授权100余项，其中发明专利20余项，海外专利授权6项，参与编著出版著作2部，获得中国专利优秀奖1项、中国电力科技一等奖2项、国家能源科技一等奖1项、中国华能集团科学技术进步一等奖2项，获“北京市优秀青年人才”、“中国电力优秀青年工程师奖”、华能集团“劳动模范”等荣誉称号，负责起草立项我国首部碳捕集领域国际标准。作为中国第一批二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术“拓荒者”，从2007年开始深耕至今，与团队成员经过多年的技术攻关与示范推广，终于研发出具有自主知识产权的二氧化碳捕集技术。

三、成果(专利)简介

本项高价值技术解决了低压蒸汽余热利用深度不足和CO2解吸过程蒸发热损耗大的难题，首次提出CO2再生塔系统内热量分区梯级利用、CO2多级快速解吸和塔内填料区温度梯度匹配三项关键核心技术，有效解决了多物理场分布、解吸反应过程和热质传递耦合匹配难题，使捕集能耗和捕集成本大幅下降，填补了国内技术空白，技术指标达到国际先进水平。该项技术对于化石能源碳减排效果显著，突破了欧美和日本的技术封锁，避免了我国在CCUS技术领域被国外“卡脖子”。火电+CCUS的技术结合是在实现“双碳目标”的同时，确保我国电力、热力安全稳定供应的压舱石，对实现国家能源安全、建设能源强国具有重要的兜底保障作用。

通过本高价值技术的创新设计解决了本领域中长期以来面临的富液解吸能耗高、能量利用率低、设备造价高等技术难题，特别是克服了本领域所认为的多级分流再生技术会导致设备成本和能耗大幅度上升的技术偏见，实现了如下技术效果：

（1）富液多路解吸与余热多级利用协同，有效降低能耗。吸收塔出口的富液分为多路，第一路富液直接进入再生塔顶部，利用顶部的再生气余热来解吸部分CO2，该路富液替代传统装置中较冷的再生气分离液，减少了不必要的蒸发热损失；剩余富液经贫富液换热器加热后分为两路，第二路富液从再生塔中部进入，充分利用再生塔内主要空间和温度区间；第三路富液与来自再沸器的蒸汽冷却（汽）液在富液再热器中进行热交换，充分吸收、利用蒸汽冷却（汽）液的余热，通过两次余热回收，能够在再生塔外解吸部分CO2气，然后进入再生塔下部。多路富液充分利用再生塔顶部、再生后贫液、蒸汽冷却（汽）液等的多级余热，能耗和成本显著降低。

（2）再生塔三段设计与三路富液解吸温度相匹配，显著降低成本。三路富液经多级余热利用后液体温度不同，对解吸温度要求也不同，对此将再生塔内填料区设计为三段，三路富液从再生塔的顶部、中部、下部进入，能够充分利用再生塔内温度梯度，提高解吸效率，而且，通过设置调节阀能够合理分配三路富液的流量，可以优化再生塔内三个区段的温度梯度，实现在再生塔内不同位置的热量充分利用，同时塔内空间利用更为充分，能够有效减小再生塔尺寸，进一步降低能耗和成本。三路富液经再生塔前后温度变化如图2所示。

图2 创新原理示意图

技术团队结合CO2捕集采用的醇胺型吸收剂场景，通过技术攻关和大量试验掌握了吸收剂解吸速率与温度区间的耦合特性，采用富液多路解吸工艺与富液再热器装置实现了吸收剂精确控制进入最优解吸速率区间，仅增加少量电耗就能减少再生塔设备尺寸，同时充分挖掘了余热利用的潜力和效果，降低了再生蒸汽消耗量。实施专利技术后，系统热量利用最大化与整体能耗的大幅度减低，脱碳热耗关键指标降低10%以上，脱碳综合能耗降低20%以上。经工程示范验证，整体碳捕集能实现CO2捕集率≥90%，同时，蒸汽量减少11.6%，综合能耗降低20%，设备成本降低15%，在实现了更好捕集效果的同时达到了成本能耗双下降，克服技术偏见同时提升技术效果。

所述技术摒弃了烟气脱碳领域中对高气量烟气中低分压、低浓度CO2捕集时的高能耗供应、大体积设备结合高贫富液循环吸收量的传统设计模式，首创了利用现有吸收液循环体系中的贫富液，构建再生塔与吸收塔中的激冷与自循环子区，在不增加外部液源与处理设备的设计与成本情况下，极大减少了系统能耗、电耗与系统造价，填补了国内外技术空白，属于关键核心技术攻关的重大基础型研究成果。具体来说，主要突破下述三点：

（1）首创富液再热器实现蒸汽余热的废热利用技术，实现能量品位的优化匹配和深度多效梯级利用，大幅度回收了蒸汽余热，提高了解吸系统的整体效率，脱碳蒸汽热耗关键指标降低11.6%以上。

（2）首创富液多级分流，设置调节阀合理分配每一分支管路上的富液流量，实现在再生塔不同位置利用余热对CO2多级解吸，有效解决了温度、压力、浓度、速度等多物理场特征和反应过程及热质传递耦合匹配难题，脱碳综合能耗降低20%以上。

（3）首创精确控制吸收剂进入最优解吸速率区间的专有技术，同时充分挖掘了余热利用的潜力和效果，仅增加少量电耗就能减少再生塔设备尺寸，设备成本降低15%以上。

该技术突破了长久以来烟气中CO2浓度低、氧含量高、成分复杂、流量巨大、制造改造费用高昂以及运行能耗成本巨大等一系列业内难题。在此之后，清能院在核心专利（CN201410175747.0)基础上，又开发了联合脱硫脱硝、余热梯级利用（CN114082294A）等多个应用型专利，充分延伸了该项技术的用途。开拓了多级分流捕集CO2的技术路径，此后多个创新团队采用与之类似的发明构思，例如，浙江大学申请的专利：基于传质-反应调控的分区多级循环CO2捕集浓缩方法（CN113521966A）、日本三菱重工申请的专利：CO2捕集与回收方法（JP2021159892A）。上述内容，说明上述核心专利已经成为了其他专利的现有技术，也充分证明了其基础性研发地位。

参评专利开创了CCUS多级分流技术体系，是推动工程化应用的关键核心技术。清能院在CCUS技术上作为国内领先团队，很早就开始相关研究与专利申请，在参评专利诞生之前，已经在CO2捕集技术方面进行了较多有益的尝试，并且申请了2件相关专利，例如CN103638780B等。2014年申请了参评专利，创造性提出了能量梯级利用原理降低CO2捕集的能耗和成本，此后据此原理为主导申请了一系列专利，其主要发明构思——能量梯级利用、多级分流、余热回收等思路克服了CCUS工业化利用中高能耗、高成本的共性关键问题，因此该专利申请是这一系列申请中的核心专利。在此基础上，围绕再生系统、流化床、吸收塔、吸收剂、余热回收利用等核心部件共布局了79件专利，其中包括2个已经获得授权的海外专利申请，主要是针对CO2捕集的烟气余热梯级利用装置及方法、疏水MOF基多孔液体碳捕集吸收剂及其制备方法等展开保护，可以认为是基于参评专利的改进专利。

四、成果（专利）转化情况介绍

自本技术发明以来，清能院深入实施专利转化专项计划，建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系，以专利自行实施为重点，大力推进专利转化运用，促进参评专利相关创新成果的规模化应用。

目前为止，该项专利技术已在国内10多个碳捕集项目中得到应用，技术的先进性和可靠性得到充分验证。2015年，在应用参评专利技术后，世界首台12万吨/年燃煤电厂CO2捕集工业系统（华能上海石洞口发电厂（二期））成功改造运行，且该装置至今已稳定运行十年，保持着燃煤电厂CO2捕集系统运行时间最长的世界记录。2021年，基于参评专利核心技术的甘肃庆阳华能陇东能源基地2×1000兆瓦工程二氧化碳捕集项目，其规模达到了150万吨/年，是目前世界规模最大的燃煤电厂碳捕集工程。

同时，技术应用的领域还从发电行业扩展到化工领域，参评专利应用于延长石油公司榆林煤化的CO2捕集及提高石油采收率（EOR）项目，所捕集的CO2将全部用于油田开采驱油和地质封存，每年可减排CO230万吨，相当于植树1668万棵。此外，清能院积极拓展专利技术的应用领域，面向水泥、钢铁行业推广相关技术，积极与北京金隅水泥、太钢尝试合作建设工业脱碳示范工程。

近年来，清能院还积极推动该专利对应技术走出国门，在美国、挪威、加拿大、澳大利亚等国的多个燃煤或燃气电厂CO2捕集项目中应用，标志着我国CO2捕集技术成功进入西方发达国家的碳捕集市场，赢得了国际社会的广泛认可。

所述技术的捕集效果显著：CO2捕集率≥90%，蒸汽消耗＜2.4GJ/tCO2，电耗≤75kWh/tCO2，溶液消耗≤0.5kg/tCO2，捕集后纯度≥99.7%。国内外同类技术主要采用常规化工过程中的单级化学吸收再生工艺和常规填料塔式，造价高、捕集能耗高，不具备广泛推广性。所述技术实现了“世界首套10万吨/年”以上规模的超低能耗、超低吸收液消耗的烟气CO2捕集技术的重大突破，生产运营指标大幅提升，捕集性能达到同类CO2捕集技术国际先进水平。与国内外技术比较如表3所示。

表1 国际国内知名研发机构及关键技术

参评专利技术捕集的CO2可直接用于提高石油采收率、驱替煤层气、CO2保护焊、食品添加等，并实现CO2的利用与封存；也可与富氢气体合成转化为清洁燃料或化工产品，实现资源化利用和总量减排。未来随着全球应对气候变化的不断深入，按IEA的预测，全球将有20-30% CO2需经过捕集与封存实现减排，于2060年形成千亿美元产业。对我国来说，《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)》指出近年将投产多个百万吨级碳捕集与封存工程项目，有望于2025年形成百亿产业。预计至2060年，每年将有14亿吨以上的CO2必须进行捕集，具有约4000亿元的市场潜力。

五、经济效益与社会效益介绍

目前清能院针对10万吨级以上规模低能耗、长周期烟气CO2捕集的相关技术已经成功实现了专利技术的成果转化，产生了很好的经济和社会效益。

从工程应用情况看，该技术对应的工艺可以最大程度上降低能耗和成本，以维持大型项目长周期运行，例如，2015年，上海石洞口电厂碳捕集项目二期实施参评专利技术改造之后，连续运行八年，蒸汽量减少11.6%，综合能耗降低20 %，设备成本降低15%。

从整体设备应用情况看，以参评专利为基础的相关技术已应用于数十项燃煤/燃气发电、石化以及煤层气开采等领域的CO2捕集项目中，且已经走出国门，实现创新技术的对外输出，效果显著，代表性项目如下表所示。

表2 参评专利技术实施建造典型工程项目

知识产权转移转化对于提升企业创新能力，培育壮大发展新动能具有重要意义，一方面，清能院充分利用专利许可，使专利技术在产业链下游企业之间扩散和传递，例如，面向工程用户华能集团技术创新中心有限公司和华能上海石洞口电厂实施的专利许可；另一方面，清能院通过对外提供技术咨询、鉴定等服务，推动产学研多方联动，形成CCUS创新技术链，例如面向美国肯塔基大学提供的技术研发项目咨询服务、面向天津大学提供的科技研发服务等。结合专利许可与技术服务，参评专利相关成果已经给专利权人及所属单位带来相关收入约11.65亿元。

基于该专利许可与技术服务，清能院在2022年签订29,281万元海外合同-澳大利亚Millmerran燃煤电厂11万吨每年碳捕集项目和67,169万元陇东华能陇东基地150万吨/年二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）技术研发与工程示范项目。2022年收入约9.645亿元。2025年CCUS可达到百亿市场，清能院作为市场头部企业，依托专利技术优势市场占有率预计达到30%以上，实现销售收入约30亿元。

参评专利技术实施以来累计新增销售额116,544万元，其中至2021年底为13,489万元，具体实施情况以及相关合同内容参见下表：

表3 高价值专利产生经济效益

参评专利技术显著降低捕集能耗，支撑双碳目标实现。CCUS技术是我国实现2060年碳中和目标技术组合的重要构成部分，未来将提供可观的减排贡献，是我国应对气候变化、保障能源安全、非传统国防安全和促进可持续发展的重要手段。本高价值专利的核心在于提供相对传统技术具有显著低能耗的烟气脱碳技术，以适应大型燃烧设备、化工行业等CO2分压较低的特点，达成CO2捕集系统能耗大幅降低的切实需求，为CCUS技术的推广应用提供了重要支撑。

参评专利技术对于煤电行业碳减排效果显著，已应用于数十项燃煤/燃气发电、石化以及煤层气开采等领域的CO2捕集项目中，应用广布国内外且效果显著。如华能上海石洞口发电厂CO2捕集示范装置改造工程（二期）、华能长春热电厂、江苏华电句容发电厂、国家能源集团陕西国华锦界电厂、澳大利亚CTSCo公司燃烧后CO2捕集项目、澳大利亚Millmerran燃煤电厂11万吨/年碳捕集项目的工程设计；陇东正宁超超临界燃煤电厂150万吨/年碳捕集与封存项目。

此外，参评专利技术还可用于减排工业锅炉的燃烧尾气、钢铁行业的高炉煤气及水泥行业的石灰窑气等大流量、低分压气源中的CO2。因此参评专利技术能够多行业、跨领域实现规模化消纳CO2排放，未来碳减排量可达到10-20亿吨，为我国双碳目标的实现奠定了坚实基础，对我国乃至全球应对气候变化、实现可持续发展具有重要的意义。

同时，参评专利技术引领电力行业绿色低碳发展，为国家能源安全提供托底保障。电力安全是我国重要的能源安全问题，火电是我国电力、热力安全稳定供应的压舱石，对实现国家能源安全、建设能源强国具有重要的兜底保障作用。CCUS与火电机组的结合是未来保障电网灵活性的重要手段，平衡可再生能源发电的波动性，在避免季节性或长期性的电力短缺方面发挥惯性支撑和频率控制等重要作用。参评专利技术基于促进吸收与再生反应优选路径机理，提出多级热利用的工艺耦合系统，是碳捕集领域重大创新，捕集性能相对传统技术有重大突破，与火电机组结合后可大幅减少碳捕集成本，为推动电力系统净零排放奠定了重要基础。该项技术受到了国内外的广泛认可，专利研发团队获得联合国环境友好示范奖、CO2捕集利用与封存技术杰出贡献奖、碳捕集国际测试中心网络平台（ITCN）会员单位等国际荣誉，在全球范围引领行业技术进步。

参评专利技术提升了我国碳捕集技术产业化设计能力，有助于推进装备制造国产化进程，掌握具有国际先进水平的关键核心技术，为国家应对气候变化及其相关政策和标准的制定提供技术支撑。同时，为捕集装置建设实施提供了科技支撑，随着碳捕集装置的逐步推广建设，配套装备的研发制造也将受到极大的推动，可大幅增加相关产业人员就业，为社会稳定和经济发展作出贡献。通过参评专利技术的推广可以大量消纳燃煤/气电厂或其他生产类企业的CO2，降低CO2排放对大气生态环境的影响，对于改善区域气候环境安全、保障人民群众切身利益至关重要，对切实落实党的十九大报告中提出的“到2030年，单位GDP的CO2排放要比2005年下降60％至65％”的相关要求作出了实质性贡献，是践行习近平生态文明思想的具体体现，有利于扎实推进美丽中国建设。