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CO2 捕获过程模拟与实验研究
二氧化碳是目前最主要的温室气体 (GHG)，全球每年向大气中的排放量已达到约 360 亿吨（1950 年排放量为 60 亿吨）。[1] 为履行《巴黎协定》并将全球变暖控制在远低于工业化前水平 1.5-2 ◦ C 的水平，到 2050 年后，温室气体净排放量必须变为零甚至为负值 [2]。在降低工业过程的能源强度和碳足迹方面已经取得了重大进展，但这一努力必须伴随着二氧化碳捕获和永久储存 (CCS) 的明确部署。CCS 是一个从二氧化碳捕获到运输和长期储存的流程链，其中二氧化碳捕获是最昂贵和耗能最高的步骤 [1]。 CCS 仍需要大规模部署才能实现减缓气候变化的目标，因为目前被捕获并最终封存的二氧化碳不到 4000 万吨 [3]。已确定的三种二氧化碳捕获策略是：燃烧后、燃烧前和富氧燃烧。燃烧后技术在相对较低的二氧化碳分压下（通常含有 10% 到 15% 的二氧化碳）从烟气中去除二氧化碳。燃烧后被认为是一种末端解决方案，可以集成到现有工艺中，只需对工厂布局进行合理的少量改动。然而，其效率在具有多个二氧化碳排放点（锅炉、熔炉等）的行业中受到限制，例如钢铁制造厂和石油炼制行业（两者的碳排放量约占全球的 12%）[4]。在预燃烧系统中，碳以 CO 和 CO 2 的形式存在，这些物质是先前的蒸汽重整或气化过程的产物。然后，这些碳被完全转化为 CO 2，并在高压下与氢气分离。近年来，低碳氢气的生产引起了人们的极大兴趣，它可以用作清洁能源或作为生产氨、甲醇或合成燃料（主要通过费托合成）的原料，是一种持续减少这些行业碳足迹的方法 [5]。最后，在富氧燃烧系统中，燃料的燃烧是在纯氧而不是空气中进行的，由于进入的助燃气体中不含氮，因此可以产生几乎纯净的 CO 2 气流。然而，为了保持 CO 2 的纯度，必须避免系统中任何潜在的空气渗入，这意味着需要严格且昂贵的安全程序。本期特刊汇编了来自不同学科的杰出研究人员所开展的创新研究的成功论文，这些研究将为二氧化碳捕获和储存技术领域的先进技术提供实质性进展。以下总结了本期特刊中主要研究方向和研究结果的相关特征。迄今为止，绝大多数大型试点和商业化二氧化碳捕获、运输和封存工厂都是在发达国家启动的。这是因为，旨在实施推广 CCS 的政策和监管框架的主要努力已在发达国家实施 [ 6 ]。然而，预计未来几十年发展中国家的能源需求将强劲增长，因此，大约 70% 的 CCS 开发应在这些地区进行，以满足长期需求。
GCC 中的氢气
• GCC 国家使用大量基于天然气的“灰色”氢气，约 8.4 公吨/年，占世界总量的约 7%。其中一些可能适合通过碳捕获、利用和储存 (CCUS) 进行改造。大多数氢气装置是炼油厂、钢厂和石化设施的一部分。气转液 (GTL) 约占该地区 H 2 消耗量的 39%，其次是石油炼制 (27%)、氨生产 (21%)、甲醇生产 (9%) 和钢铁制造 (4%)。 • GCC 拥有充足的低成本土地、低资本成本、现有的工业产能、优质的太阳能和（部分）风能资源，以及与增长市场的地理位置接近，使其处于成为绿色氢气生产商的绝佳位置。同样，其低成本的天然气和易于碳捕获、利用和储存 (CCUS) 使其能够生产具有成本竞争力的蓝色氢气。 • 目前，氢气生产并不是该地区石油和天然气公司 1 的首要任务，而是公用事业、发电厂开发商和行业的关注重点。海湾合作委员会有一个先进的大型绿色氢气生产项目，即由 Acwa Power 和 Air Products 开发的位于沙特阿拉伯西北部、投资 50 亿美元、年产 237 000 吨的 Neom Helios 项目。 • 目前氢气生产成本因技术和地区而异，预计长期来看会发生变化。随着技术的进步和碳定价的日益普及，“绿色”氢气可能比“蓝色”氢气更便宜。预计绿色氢气成本将从 2020 年的 3.5-7.5 美元/公斤降至 2030 年的 1.6-2.2 美元/公斤。 • 脱碳政策（尤其是在欧洲）对海湾合作委员会的碳氢化合物和能源密集型材料的出口构成风险。氢气可以直接出口，或者海湾合作委员会国家可以出口用蓝氢或绿氢制成的脱碳材料，如氨、钢、玻璃和化肥。•欧盟潜在的碳边境税可能会使石油、钢铁和木浆出口利润减少 10-65%，对欧盟和非欧盟商品生产商均有影响。海湾合作委员会国家被认为是受欧盟碳定价计划影响最大、抵御能力最差的国家之一。这可能鼓励增加氢衍生材料的产量，以减少出口到欧洲的能源密集型材料的碳足迹。•预计全球对绿色氢的需求将在中期内迅速增长至 5.3 亿吨，到 2050 年将取代 104 亿桶油当量，或占 2020 年全球石油产量的 37%。这应该促使海湾国家瞄准低碳出口产品。 • 管道运输氢气通常是长距离大量运输最具成本效益的方法，可以根据当地法规或合同以纯氢气形式或混合天然气形式进行运输。 • 然而，虽然管道将北非与南欧连接起来，但目前还没有从海湾合作委员会到欧洲的管道。液氢运输成本高，而液态有机氢载体的重量密度低且供应链复杂。氨价值链似乎是长距离运输 GCC 氢气最实用、最具成本效益的方法，而这也是 NEOM 所追求的方法。• GCC 地区在科威特、沙特-科威特中立区、阿联酋和阿曼拥有许多位置合适的盐矿，这些盐矿的洞穴可以提供低成本的氢气缓冲储存。• GCC 国家已开展了许多研发项目，包括针对不同用途的蓝氢和绿氢的可行性研究和试点项目。然而，需要分配更多的研发投资来加强技术专长、推动电解成本降低、创建基础设施网络和改进出口业务模式。 • GCC 应 (i) 将氢经济纳入 2020 年底巴黎协定国家自主贡献 (NDC) 的修订中，(ii) 建立欧盟与 GCC 之间的技术合作，协调法规和标准，(iii) 制定碳定价机制，和/或与包括欧洲 ETS 在内的其他碳定价计划建立联系，以鼓励使用氢气并刺激需求，从而创造扩大 H 2 市场的商业机会。 • 鉴于该行业处于早期阶段，对 GCC 氢能感兴趣的欧盟公司必须自行启动和开发项目，最有可能与大型海湾国家能源公司和战略投资工具合作。同时，他们应该促进支持性政策和意识建设。 • 欧洲的氢能战略主要侧重于绿色氢能。然而，为了实际实现其目标，至少在中期内，它将需要大量低成本的蓝色氢能。GCC 国家石油公司 (NOC) 可以瞄准这个欧洲市场，但需要参与以实现支持性法规和低碳材料出口的定价。 • 在绿色氢能方面，海湾合作委员会各国政府及其国家公用事业和工业界可以提议创建发电厂（电解槽）的下游项目，并生产氢衍生材料（可能是氨和钢铁）用于出口，其中欧盟实体将是独家承购商（自有需求）。包括针对不同用途的蓝氢和绿氢的可行性研究和试点项目。然而，需要分配更多的研发投资来加强技术专长，推动电解成本降低，建立基础设施网络并改进出口业务模式。 • GCC 应 (i) 将氢经济纳入 2020 年底《巴黎协定》国家自主贡献 (NDC) 的修订中，(ii) 建立欧盟-GCC 技术合作和协调法规和标准，(iii) 开发碳定价机制和/或与包括欧洲 ETS 在内的其他碳定价计划建立联系，以鼓励使用氢气并刺激需求，从而创造扩大 H 2 市场的商业机会。 • 鉴于该行业处于早期阶段，对 GCC 氢感兴趣的欧盟公司必须自己启动和开发项目，最有可能与大型海湾国家能源公司和战略投资工具合作。同时，他们应该促进支持性政策和意识建设。 • 欧洲的氢战略主要侧重于绿色氢。然而，为了切实实现其目标，至少在中期内，它将需要大量低成本的蓝氢。海湾合作委员会国家石油公司 (NOC) 可以瞄准这个欧洲市场，但需要参与争取支持低碳材料出口的法规和定价。• 在绿色氢方面，海湾合作委员会政府及其国家公用事业和工业可以提议在发电厂（电解器）的下游项目上进行创建，并生产氢衍生材料（可能是氨和钢铁）用于出口，其中欧盟实体将是独家承购商（自有需求）。包括针对不同用途的蓝氢和绿氢的可行性研究和试点项目。然而，需要分配更多的研发投资来加强技术专长，推动电解成本降低，建立基础设施网络并改进出口业务模式。 • GCC 应 (i) 将氢经济纳入 2020 年底《巴黎协定》国家自主贡献 (NDC) 的修订中，(ii) 建立欧盟-GCC 技术合作和协调法规和标准，(iii) 开发碳定价机制和/或与包括欧洲 ETS 在内的其他碳定价计划建立联系，以鼓励使用氢气并刺激需求，从而创造扩大 H 2 市场的商业机会。 • 鉴于该行业处于早期阶段，对 GCC 氢感兴趣的欧盟公司必须自己启动和开发项目，最有可能与大型海湾国家能源公司和战略投资工具合作。同时，他们应该促进支持性政策和意识建设。 • 欧洲的氢战略主要侧重于绿色氢。然而，为了切实实现其目标，至少在中期内，它将需要大量低成本的蓝氢。海湾合作委员会国家石油公司 (NOC) 可以瞄准这个欧洲市场，但需要参与争取支持低碳材料出口的法规和定价。• 在绿色氢方面，海湾合作委员会政府及其国家公用事业和工业可以提议在发电厂（电解器）的下游项目上进行创建，并生产氢衍生材料（可能是氨和钢铁）用于出口，其中欧盟实体将是独家承购商（自有需求）。至少在中期内，它将需要大量低成本的蓝氢。海湾合作委员会国家石油公司 (NOC) 可以瞄准这个欧洲市场，但需要参与争取支持低碳材料出口的法规和定价。• 在绿色氢方面，海湾合作委员会政府及其国家公用事业和工业可以提议在发电厂（电解器）的下游项目上进行创建，并生产氢衍生材料（可能是氨和钢铁）用于出口，其中欧盟实体将是独家承购商（自有需求）。至少在中期内，它将需要大量低成本的蓝氢。海湾合作委员会国家石油公司 (NOC) 可以瞄准这个欧洲市场，但需要参与争取支持低碳材料出口的法规和定价。• 在绿色氢方面，海湾合作委员会政府及其国家公用事业和工业可以提议在发电厂（电解器）的下游项目上进行创建，并生产氢衍生材料（可能是氨和钢铁）用于出口，其中欧盟实体将是独家承购商（自有需求）。