劉 雙，宋學(xué)行，尚 麗，王保登，沈 群，熊日華，孫楠楠，魏 偉

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201210；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.國(guó)家能源集團(tuán) 北京低碳清潔能源研究院，北京 102211)

0 引 言

工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣中溫室氣體(Greenhouse Gas，GHG)濃度大幅增加，是造成全球氣候變化的主要原因[1]。CO2是最重要的溫室氣體，火電、鋼鐵、水泥、化工等大規(guī)模工業(yè)排放源和交通、建筑、農(nóng)業(yè)等分散型排放源構(gòu)成了目前CO2排放的主要來源。隨著全球碳中和目標(biāo)的提出和相應(yīng)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各類減排技術(shù)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)深度脫碳需要多種技術(shù)體系的聯(lián)合發(fā)力，如各類節(jié)能降耗技術(shù)、可再生電力技術(shù)、碳中性燃料技術(shù)等[2]，其中碳捕集、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的關(guān)鍵技術(shù)，將在碳中和過程中發(fā)揮重要作用[3-5]。

CCUS技術(shù)是指從各類排放源或大氣中富集CO2，并通過一定技術(shù)手段利用或封存在一定地質(zhì)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)其與大氣隔離的技術(shù)，主要分為捕集、運(yùn)輸、利用和儲(chǔ)存4個(gè)階段[6]。2014年，政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)報(bào)告指出，在無CCUS技術(shù)參與的情況下，全球應(yīng)對(duì)氣候變化所需總成本可能上升138%[7]。2018年，IPCC又發(fā)布了一份關(guān)于全球變暖1.5 ℃的特別報(bào)告，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了CCUS在緩解氣候變化和減少CO2排放方面的重要作用[8]。在以可再生能源為核心的能源革命過程中，可再生能源并不能完全滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需能源消耗，化石能源將以穩(wěn)定器和壓艙石的角色長(zhǎng)期存在于能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，而這部分化石能源使用造成的CO2排放無法通過生態(tài)碳匯技術(shù)完全消納，必須依賴CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)減排[9]。

近年來，隨著對(duì)CCUS技術(shù)重要性的不斷認(rèn)識(shí)，以及相關(guān)技術(shù)研發(fā)和推廣的不斷深化，研究者圍繞CCUS開展了一系列技術(shù)評(píng)估和戰(zhàn)略研究工作，全球主要經(jīng)濟(jì)體也分別提出了中長(zhǎng)期CCUS發(fā)展路徑。2019年，中國(guó)科技部發(fā)布了《中國(guó)碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖(2019)》[10]，梳理了我國(guó)CCUS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來CCUS技術(shù)的發(fā)展路徑進(jìn)行部署。2020年，美國(guó)國(guó)家石油委員會(huì)發(fā)布了《迎接雙重挑戰(zhàn)：碳捕集、利用和封存規(guī)?；渴鹇肪€圖》[11]，報(bào)告指出CCUS技術(shù)是解決能源和氣候變化風(fēng)險(xiǎn)雙重挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，并提出未來25 a內(nèi)CCUS大規(guī)模部署路線圖。2021年，我國(guó)生態(tài)環(huán)境部等單位聯(lián)合發(fā)布了《中國(guó)二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)年度報(bào)告(2021)——中國(guó)CCUS路徑研究》[12]，系統(tǒng)梳理了我國(guó)CCUS發(fā)展需求與潛力，并討論了我國(guó)在CCUS政策、規(guī)劃等方面的需求和工作進(jìn)展。此外，部分學(xué)者也基于生命周期評(píng)估、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析等方法在不同維度開展了CCUS技術(shù)評(píng)價(jià)，如PEHNT等[13]對(duì)褐煤電廠耦合不同CCUS技術(shù)的減排效果進(jìn)行了生命周期評(píng)估；SINGH等[14]采用混合生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電耦合CCS的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)；LEESON等[15]評(píng)估了不同CCUS技術(shù)的適用性，利用模型預(yù)測(cè)了從首次部署到2050年期間的CO2避免成本。劉博文等[16]提出了碳捕集系統(tǒng)碳中性評(píng)價(jià)的研究框架及方法；李健等[17]提出了CCUS項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建了評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行案例分析；ZENG等[18]通過SWOT分析法，分析了當(dāng)前CCUS發(fā)展環(huán)境和影響CCUS發(fā)展的主要因素和障礙。

需要指出的是，CCUS整個(gè)技術(shù)鏈條上，碳捕集過程處于上游，其高成本是制約CCUS技術(shù)大面積推廣并形成重大減排潛力的關(guān)鍵瓶頸[19]。然而，我國(guó)CO2排放源種類多樣，在工藝特征、氣體組成、排放規(guī)模、時(shí)空分布上差異巨大，而目前碳捕集技術(shù)的整體成熟度不高，未來發(fā)展?jié)摿瓦m用場(chǎng)景尚不清晰，亟待針對(duì)各類碳捕集技術(shù)建立多維度評(píng)價(jià)方法，并開展綜合評(píng)價(jià)，提出碳捕集技術(shù)可能的發(fā)展路徑，以支撐相關(guān)決策。

多準(zhǔn)則決策(Multiple Criteria Decision Making，MCDM)是一種常用的工程問題決策手段，該方法考慮多重因素，允許利益相關(guān)者參與決策過程，并產(chǎn)生綜合性評(píng)價(jià)結(jié)果[20]。目前常用評(píng)價(jià)方法有模糊評(píng)價(jià)法、秩和比法、層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)、逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS)和多層次灰色評(píng)價(jià)法等。其中AHP和TOPSIS法對(duì)于多指標(biāo)小樣本評(píng)估適用性相對(duì)更好[21]，類似策略也被用于分析影響CCS項(xiàng)目復(fù)雜性的因素及因素間相互聯(lián)系[22]。筆者從決策者角度出發(fā)，利用AHP耦合TOPSIS方法，同時(shí)考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面因素，建立了適用于碳捕集技術(shù)部署規(guī)劃的綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)模型，評(píng)估典型碳捕集技術(shù)，并提出了未來碳捕集技術(shù)可能的發(fā)展路徑。

1 碳捕集技術(shù)綜合評(píng)估方法

20世紀(jì)70年代，美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出了層次分析法[23]，其基本原理是根據(jù)問題性質(zhì)和總體目標(biāo)將問題分解為不同層次，從而將復(fù)雜問題劃分為更簡(jiǎn)單、更易理解的子系統(tǒng)，簡(jiǎn)化決策過程。該方法模擬決策者對(duì)復(fù)雜問題的思考過程，通過一定數(shù)學(xué)定量分析方法，得出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重?cái)?shù)值，并進(jìn)一步結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)具體數(shù)值形成對(duì)決策對(duì)象進(jìn)行評(píng)估的數(shù)據(jù)集。本文進(jìn)一步使用TOPSIS分析法，通過綜合分析得出最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.1 指標(biāo)集的確定

基于AHP方法基本思路，面向CO2捕集技術(shù)的推廣應(yīng)用潛力評(píng)估，圍繞技術(shù)特性、低碳特性、經(jīng)濟(jì)特性、安全特性4個(gè)方面建立了3個(gè)層面共11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而形成了多層分析模型，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過文獻(xiàn)調(diào)研和專家訪談，保證每一項(xiàng)指標(biāo)均有科學(xué)定義的規(guī)范概念，具有明晰內(nèi)涵，符合形式邏輯的規(guī)則要求。

圖1 指標(biāo)層次框架分析Fig.1 Framework analysis of index levels

1.1.1 技術(shù)特性(C1)

技術(shù)成熟度(C11)：某一碳捕集技術(shù)的適用成熟度劃分。技術(shù)成熟度是指技術(shù)滿足項(xiàng)目目標(biāo)程度的一種度量，因此選取技術(shù)成熟度為技術(shù)特性指標(biāo)之一。對(duì)于不同技術(shù)的成熟度應(yīng)使用技術(shù)成熟度(TRL)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，TRL等級(jí)是由美國(guó)宇航局在20世紀(jì)80年代首創(chuàng)的9分等級(jí)，其中等級(jí)7是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，代表技術(shù)在真實(shí)環(huán)境下完整運(yùn)行。不同國(guó)家和技術(shù)的成熟度界定和等級(jí)劃分并不完全相同，本文參考Chauvy等級(jí)劃定方法[24]。某一碳捕集技術(shù)的成熟度必然會(huì)對(duì)其規(guī)模和適用范圍造成影響。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)成熟度不斷提高，同時(shí)技術(shù)成熟度指標(biāo)影響技術(shù)推廣潛力的程度也會(huì)發(fā)生改變。

行業(yè)普適性(C12)：某一碳捕集技術(shù)在不同排放行業(yè)中的普遍適用性。由于不同碳捕集技術(shù)的核心原理和捕集介質(zhì)不同，其適用操作條件存在一定差別，而不同行業(yè)的排放源在溫度、壓力、CO2濃度等方面均存在顯著差異[25]，即碳捕集技術(shù)與碳排放源之間必然存在一定匹配關(guān)系。因此，某一碳捕集技術(shù)在不同行業(yè)中的普適性必然對(duì)其推廣和應(yīng)用潛力產(chǎn)生重大影響。未來各類碳排放行業(yè)自身生產(chǎn)技術(shù)結(jié)構(gòu)將不斷變化，將對(duì)各類碳捕集技術(shù)的行業(yè)普適性產(chǎn)生一定影響。

技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力(C13)：某一碳捕集技術(shù)與同類技術(shù)相比競(jìng)爭(zhēng)力的強(qiáng)弱。碳捕集過程是CCUS體系組成部分，其減排能力的實(shí)現(xiàn)依賴于CCUS鏈條下游的碳利用和碳封存技術(shù)，因此某一碳捕集技術(shù)不但面臨其他碳捕集技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，還需考慮除CCUS外的其他低碳技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。因此，碳捕集技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的評(píng)估，除考慮各類碳捕集技術(shù)之間的競(jìng)爭(zhēng)外，還兼顧未來不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上CCUS技術(shù)在各類排放行業(yè)中的減排貢獻(xiàn)和行業(yè)普適性指標(biāo)。

技術(shù)對(duì)原有工藝的影響(C14)：某一碳捕集技術(shù)應(yīng)用時(shí)對(duì)原有裝置、工藝的影響。CCUS作為一種末端減排技術(shù)，應(yīng)用于工業(yè)過程中必然會(huì)影響原有排放源的運(yùn)行情況。不同碳捕集技術(shù)的核心工藝不同，對(duì)原有過程的影響存在差異，進(jìn)而影響各類碳捕集技術(shù)的推廣應(yīng)用潛力。隨著時(shí)間推移，各類碳捕集技術(shù)對(duì)原有工藝的影響程度會(huì)逐漸降低，但其降低程度和速率存在顯著差異。

1.1.2 低碳特性(C2)

技術(shù)能耗(C21)：某一碳捕集技術(shù)分離一定量CO2所需消耗的能量。CO2捕集的本質(zhì)是將CO2從混合氣體中分離提純的過程，在熱力學(xué)上需要能量的凈輸入，而目前這一能量輸入大多來源于化石燃料燃燒，帶來額外CO2排放。對(duì)于特定CO2捕集技術(shù)，能耗越高，CO2排放越多，直接影響碳捕集技術(shù)的減排效果。因此，能耗是評(píng)價(jià)碳捕集技術(shù)先進(jìn)程度最關(guān)鍵的因素之一，對(duì)其低碳成效和應(yīng)用推廣潛力有重大影響。隨著未來碳捕集技術(shù)的不斷進(jìn)步以及能源碳強(qiáng)度的持續(xù)下降，預(yù)計(jì)碳捕集技術(shù)能耗下降，顯著影響碳捕集技術(shù)發(fā)展路徑的綜合評(píng)估結(jié)果。

能量損耗程度(C22)：某一碳捕集技術(shù)過程中因余壓余熱難以回收而引起的額外能量損耗。能量集成和回收是降低碳捕集過程能耗的關(guān)鍵技術(shù)之一，其效率與碳捕集技術(shù)操作窗口密切相關(guān)，對(duì)于工藝條件非常溫和的碳捕集技術(shù)而言，雖然其直接能耗(C21)可能較低，但其產(chǎn)出的余熱余壓則由于品位過低而難以回收，能量損失程度反而較高。未來影響能量損耗的因素來自各類碳捕集技術(shù)自身工藝條件優(yōu)化，同時(shí)取決于各類能量集成和梯級(jí)回收利用技術(shù)的發(fā)展。

產(chǎn)品氣處理能耗(C23)：進(jìn)一步將某一碳捕集技術(shù)所獲產(chǎn)品氣提升至滿足下游需求時(shí)所需額外能耗。CO2捕集技術(shù)減排效益實(shí)現(xiàn)還需依賴下游處置技術(shù)，不同處置技術(shù)對(duì)CO2純度、壓力、雜質(zhì)組分等有一定要求，而不同碳捕集技術(shù)產(chǎn)生的產(chǎn)品氣狀態(tài)不同，因此其后續(xù)處理能耗存在差異，并受技術(shù)進(jìn)步和能源結(jié)構(gòu)影響。

綜合捕集潛力(C24)：考慮一定階段下能源結(jié)構(gòu)、排放特征、技術(shù)發(fā)展階段等因素綜合影響下某一碳捕集技術(shù)的捕集潛力。碳捕集技術(shù)的實(shí)施與化石能源消費(fèi)密切相關(guān)，因此隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)低碳化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的輕量化，各類碳捕集技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)生顯著變化，因此其綜合捕集潛力變化，從而影響各類技術(shù)的發(fā)展路徑。

1.1.3 經(jīng)濟(jì)特性(C3)

綜合成本(C31)：某一碳捕集技術(shù)投資建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的綜合成本。成本是決定不同碳捕集技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，包括核心設(shè)備、物料投入等固定成本以及人工、維護(hù)等運(yùn)維成本，是評(píng)估不同碳捕集技術(shù)推廣應(yīng)用潛力的重要指標(biāo)。由于本文已設(shè)置產(chǎn)品氣處理能耗(C23)指標(biāo)，因此對(duì)碳捕集技術(shù)綜合成本的判斷不包括產(chǎn)品氣壓縮和輸運(yùn)等因素。預(yù)計(jì)未來各類碳捕集技術(shù)快速進(jìn)步，碳交易等各類金融機(jī)制也會(huì)隨我國(guó)碳中和進(jìn)程不斷推進(jìn)而逐漸完善，因此碳捕集技術(shù)成本會(huì)逐漸下降。

1.1.4 安全特性(C4)

環(huán)境安全(C41)：某一碳捕集技術(shù)的實(shí)施對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響。碳捕集技術(shù)實(shí)施過程中除基本能源消耗產(chǎn)生額外CO2排放外，其全生命周期還存在一定水耗、廢棄物等環(huán)境足跡，因此環(huán)境安全性也是評(píng)價(jià)碳捕集技術(shù)未來推廣和應(yīng)用潛力的指標(biāo)之一。目前各類碳捕集技術(shù)的環(huán)境影響研究尚不足，但該因素的重要性會(huì)逐漸凸顯。

運(yùn)行安全(C42)：某一碳捕集技術(shù)運(yùn)行中的傳統(tǒng)安全特性。實(shí)施碳捕集過程所需具備的溫度、壓力、氣氛及其對(duì)原有工藝的影響可能造成潛在的運(yùn)行波動(dòng)和安全隱患，從而影響運(yùn)行主體對(duì)各類碳捕集技術(shù)的選擇。

1.2 指標(biāo)體系的權(quán)重設(shè)定

1.2.1 判斷矩陣構(gòu)建

比較判斷矩陣是AHP法的核心，對(duì)于同一評(píng)價(jià)目標(biāo)而言，各具體指標(biāo)的相對(duì)重要性不同。針對(duì)這一問題，層次分析法通過各指標(biāo)比較，基于Saaty九標(biāo)度法進(jìn)行打分(表1)，并構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣，從而獲取單一指標(biāo)在相應(yīng)層級(jí)之間的量化權(quán)重[26]?；谠摲椒ê偷?.1節(jié)設(shè)置的指標(biāo)體系，基于領(lǐng)域?qū)＜以L談和集中討論，形成了碳捕集技術(shù)發(fā)展路徑評(píng)估的判斷矩陣(表2～表5，λmax為最大特征值，CR為一致性比)。

1.2.2 一致性檢驗(yàn)

采用CR檢驗(yàn)比較矩陣的邏輯一致性：

(1)

(2)

表1 判斷矩陣標(biāo)度

其中，CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；n為階數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，各階數(shù)值固定，其取值見表6。若CR<0.1，表示比較矩陣具有滿意的一致性，否則需重新構(gòu)造比較矩陣，直到滿足一致性檢驗(yàn)?；谏鲜龇椒ǎ疚呐袛嗑仃嚨囊恢滦詸z驗(yàn)結(jié)果滿足要求(表2～表5)。

表2 C1判斷矩陣

表3 C2判斷矩陣

表4 C3和C4判斷矩陣

表5 C判斷矩陣

表6 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

1.2.3 指標(biāo)權(quán)重的確立

對(duì)上述判斷矩陣進(jìn)行方根法計(jì)算，通過一致性檢驗(yàn)，得到各級(jí)影響因素指標(biāo)權(quán)重，具體見表7。

表7 2025年指標(biāo)體系權(quán)重分配

1.3 AHP-TOPSIS法綜合評(píng)判模型的建立

TOPSIS法[27]是一種常用的組內(nèi)綜合評(píng)價(jià)方法，該方法以各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的相對(duì)接近程度為評(píng)價(jià)依據(jù)，能充分利用原始數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，TOPSIS方法對(duì)數(shù)據(jù)分布及樣本含量沒有嚴(yán)格限制，計(jì)算簡(jiǎn)單易行，有助于降低碳捕集技術(shù)評(píng)估過程中因整體成熟度較低造成的數(shù)據(jù)不足問題。由于TOPSIS法難以確定指標(biāo)權(quán)重，而AHP法可彌補(bǔ)TOPSIS法賦權(quán)難的缺點(diǎn)，因此將2種方法結(jié)合，減少單一方法使用的不足，結(jié)果更具有參考價(jià)值。

1.3.1 指標(biāo)正向化處理

首先將收集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行百分化處理：

Qn=Pn/Pmax×100%，

(3)

式中，Qn為百分化數(shù)據(jù)結(jié)果；Pn為各項(xiàng)技術(shù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)；Pmax為各項(xiàng)指標(biāo)中對(duì)應(yīng)的最大值。

指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)兩大類，正向指標(biāo)越大越有利，負(fù)向指標(biāo)越小越有利。為保證呈現(xiàn)方式的相同，需對(duì)負(fù)向指標(biāo)值進(jìn)行正向化處理：

X=Qmax-Qn。

(4)

其中，X為指標(biāo)正向化處理后結(jié)果；Qmax為百分化后各項(xiàng)指標(biāo)中對(duì)應(yīng)的最大值。假設(shè)有A1，A2，…，Am共m個(gè)案例組成案例集A={A1，A2，…，Am}，每個(gè)案例的評(píng)價(jià)指標(biāo)X1，X2，…，Xn組成指標(biāo)集X={X1，X2，…，Xn}，相應(yīng)的評(píng)判指標(biāo)記為Xij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，Xij表示第i個(gè)技術(shù)中第j個(gè)評(píng)判指標(biāo)，則建立初始判斷矩陣A：

(5)

1.3.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

定性和定量指標(biāo)具有不同量綱，為消除各指標(biāo)之間差異，對(duì)所有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B：

B=(bij)m×n,

(6)

1.3.3 建立加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣的每列與層次分析法權(quán)重wj相乘，處理后得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣M：

(7)

式中，mij為第i個(gè)技術(shù)中第j個(gè)評(píng)判指標(biāo)。

1.3.4 評(píng)價(jià)對(duì)象貼近度計(jì)算

計(jì)算理想解：

(8)

計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象到正、負(fù)理想解的距離：

(9)

(10)

(11)

2 典型CO2捕集技術(shù)評(píng)價(jià)

2.1 CO2捕集技術(shù)

根據(jù)碳捕集過程與燃料轉(zhuǎn)化過程的時(shí)空關(guān)系差異，目前主要CO2捕集途徑可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒及空氣直接碳捕集4類。其中，燃燒前碳捕集是燃料燃燒前先通過氣化和水煤氣變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2和CO2，二者分離獲取高純度CO2后，氫氣用于后續(xù)燃燒過程的技術(shù)手段；燃燒后捕集是燃料燃燒后，從燃燒煙氣中分離CO2的過程；富氧燃燒是將基于空氣分離獲取的高純度氧氣用于燃燒，從而直接獲取高純度CO2的過程；空氣直接碳捕集是無需考慮排放源，直接從空氣中提取CO2的新型碳捕集概念。上述途徑又包含多種具體碳捕集技術(shù)途徑，如液體吸收法、固體吸附法等。為提升評(píng)估結(jié)果的客觀性，本工作未納入富氧燃燒、化學(xué)鏈、膜分離等技術(shù)，選擇單乙醇胺(MEA)基吸收法、復(fù)合胺吸收法、相變吸收法、變溫吸附法、變壓吸附法、鈣循環(huán)法6項(xiàng)碳捕集技術(shù)作為評(píng)估對(duì)象，上述技術(shù)均涉及CO2與一定介質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)相互作用，在本質(zhì)原理上具有較好的可比性。

液體吸收法是目前最成熟的碳捕集技術(shù)，其中單乙醇胺(MEA)技術(shù)已在天然氣凈化工業(yè)中得到商業(yè)應(yīng)用。該類技術(shù)基于CO2酸性特征，利用堿性溶劑與CO2的酸堿反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氣流中CO2選擇性分離。CO2與溶劑反應(yīng)形成的產(chǎn)物可通過加熱分解，實(shí)現(xiàn)溶劑再生并產(chǎn)出高純CO2氣流。MEA基吸收法吸收能力高，吸收速率快，但解吸過程能耗高，且溶劑具有腐蝕性，對(duì)設(shè)備造成一定損耗[28]。針對(duì)上述問題，研究者開發(fā)了多種有機(jī)胺吸收劑聯(lián)用的復(fù)合胺吸收法[29]。為進(jìn)一步降低液體吸收技術(shù)能耗，近年來相變吸收法逐漸成為研究熱點(diǎn)，該技術(shù)通過特定吸收劑體系的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使CO2吸收過程中發(fā)生貧富液分相，因此僅需解吸富含CO2的富相溶液即可實(shí)現(xiàn)吸收溶劑的循環(huán)再利用[30]。

固體吸附技術(shù)能規(guī)避液體吸收技術(shù)中加熱溶劑所需無效熱耗，因此理論能耗較低，被認(rèn)為是一種典型的第2代碳捕集技術(shù)。根據(jù)吸附劑再生驅(qū)動(dòng)力不同，吸附法碳捕集技術(shù)又分為變溫吸附和變壓吸附，其中變壓吸附技術(shù)是最傳統(tǒng)的物理吸附工藝，利用吸附劑對(duì)不同氣體吸附量隨壓力變化的特性，在加壓、減壓過程中完成氣體分離及吸附劑循環(huán)再生[31]。變溫吸附法利用吸附劑吸附能力隨溫度升高而降低的特性，對(duì)混合煙氣進(jìn)行分離，得到純度較高的CO2氣體[32]。固體吸附技術(shù)中，吸附劑是核心單元，因此需選擇吸附量性高、穩(wěn)定性好的吸附劑增強(qiáng)吸附效果。變壓吸附法與變溫吸附法作為溶劑吸收法的替代技術(shù)，由于溫度和壓力的適用性，可適用于不同行業(yè)，通過靈活調(diào)節(jié)滿足捕集條件。

鈣循環(huán)技術(shù)利用CaO和CO2的可逆化學(xué)反應(yīng)，完成CO2捕集。工業(yè)尾氣中CO2首先與吸附劑CaO進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，在約900 ℃下進(jìn)行煅燒反應(yīng)，使吸附劑循環(huán)再生，同時(shí)獲得高濃度CO2[33]。相比大多碳捕集技術(shù)，鈣循環(huán)過程的突出特征是其高溫操作環(huán)境會(huì)影響過程供能方式，但同時(shí)有利于碳捕集過程的能量回收和再利用，如有學(xué)者提出了基于鈣循環(huán)技術(shù)的碳捕集-儲(chǔ)能協(xié)同概念，即在日間利用太陽能對(duì)碳酸鈣固體進(jìn)行高溫煅燒，生成CaO和CO2，而需要?jiǎng)恿r(shí)，將存儲(chǔ)的CaO和CO2進(jìn)行碳化反應(yīng)釋放能量[34]。最后，鈣基吸附劑還可通過回收利用鈣基固體吸附劑轉(zhuǎn)化獲得，極大降低了碳捕集成本，減少了廢棄物污染。各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表8。

表8 不同CO2捕集技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 典型CO2捕集技術(shù)評(píng)價(jià)

指標(biāo)數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)包括定性指標(biāo)(技術(shù)成熟度、行業(yè)普適性、技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力、技術(shù)對(duì)原有工藝的影響、能量損耗程度、產(chǎn)品氣處理消耗、綜合捕集潛力、環(huán)境安全、運(yùn)行安全)和定量指標(biāo)(技術(shù)能耗、綜合成本)。定性指標(biāo)根據(jù)專家對(duì)不同碳捕集技術(shù)的發(fā)展情況打分。定性指標(biāo)采用打分進(jìn)行定量化評(píng)估，采用直接打分法，所有打分均在0～100。定量指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行總結(jié)(表9)[6,30,33,35-40]。將技術(shù)成熟度C11、技術(shù)能耗C21(GJ/t，以CO2計(jì))和綜合成本C31(元/t，以CO2計(jì))等在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行百分化(式(3))，構(gòu)建各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)集。

表9 2025年各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)原始參考數(shù)據(jù)

以2025年為基準(zhǔn)年進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先基于文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)各類碳捕集技術(shù)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行打分，再進(jìn)行百分化處理，結(jié)果見表10。

表10 2025年各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參考數(shù)據(jù)

對(duì)各項(xiàng)碳捕集技術(shù)進(jìn)行單一特性評(píng)價(jià)，根據(jù)式(5)建立技術(shù)特性初始評(píng)判矩陣：

(12)

根據(jù)式(6)、(7)建立加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

(13)

根據(jù)式(8)求得正理想解和負(fù)理想解分別為

(14)

根據(jù)式(9)、(10)得出各方案與正理想解和負(fù)理想解的距離為

(15)

(16)

相變吸收法：

(17)

變溫吸附法：

(18)

變壓吸附法：

(19)

(20)

根據(jù)式(11)，各項(xiàng)碳捕集技術(shù)到理想解的貼近度為

(21)

類似技術(shù)特性的評(píng)判過程，進(jìn)一步對(duì)低碳特性、經(jīng)濟(jì)特性、安全特性進(jìn)行測(cè)算，獲取各項(xiàng)碳捕集技術(shù)與理想解之間的貼近度，結(jié)果如圖2(a)所示。

圖2 貼近度比較Fig.2 Comparison of the nearness degree

基于上述評(píng)判過程，可進(jìn)一步得到6項(xiàng)碳捕集技術(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，各項(xiàng)技術(shù)綜合指標(biāo)與理想解的貼近度如圖2(b)所示，預(yù)測(cè)2025年各項(xiàng)碳捕集技術(shù)推廣程度依次為：復(fù)合胺吸收法>相變吸收法>鈣循環(huán)法>變溫吸附法>變壓吸附法>MEA基吸收法。

2.3 典型CO2捕集技術(shù)未來綜合評(píng)價(jià)

隨碳中和進(jìn)程推進(jìn)，我國(guó)未來能源消費(fèi)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征發(fā)生顯著變化，未來不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，各類因素對(duì)碳捕集技術(shù)發(fā)展路徑的影響力不斷變化，因此本文仍采用上述指標(biāo)權(quán)重確立的方法，建立了隨年份變化的指標(biāo)權(quán)重，變化趨勢(shì)如圖3所示?？芍S相關(guān)研發(fā)和示范工作的推進(jìn)，未來各項(xiàng)碳捕集技術(shù)的成熟度逐漸提升，且在強(qiáng)制碳減排的外部壓力下，各類碳捕集技術(shù)對(duì)相應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景的滲透度會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，因此技術(shù)特性類指標(biāo)的影響力均有所下降。此外，本文涉及的大多數(shù)碳捕集技術(shù)操作溫度區(qū)間相對(duì)較低(<200 ℃)，隨著未來可再生電力供應(yīng)和工業(yè)過程低溫?zé)嵩措姎饣夹g(shù)的不斷發(fā)展，能耗類指標(biāo)對(duì)碳捕集技術(shù)的影響將明顯下降。相反，隨著碳捕集技術(shù)在2035—2050年大規(guī)模商業(yè)化推廣，成本將成為技術(shù)選擇的重要因素，同時(shí)環(huán)境安全和運(yùn)行安全的重要性更凸顯。

圖3 2025—2060年權(quán)重動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)Fig.3 Weight dynamic change trend from 2025 to 2060

參考2019年發(fā)布的《中國(guó)碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)發(fā)展路線圖研究》[10]，第1代技術(shù)包括胺基溶劑和物理溶劑如聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。第2代技術(shù)包括新型吸收技術(shù)、新型吸附技術(shù)、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)等。到2035年，第1代捕集技術(shù)的成本與能耗相比目前降低10%～15%，第2代捕集技術(shù)的成本與第1代接近。到2035年，第1代捕集技術(shù)的成本及能耗與目前相比降低15%～25%；第2代捕集技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用成本比第1代技術(shù)降低5%～10%；到2040年，第2代捕集技術(shù)成本比當(dāng)前捕集成本降低40%～50%。以上述報(bào)告內(nèi)容為基準(zhǔn)，結(jié)合專家對(duì)各項(xiàng)碳捕集技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行調(diào)整。最終以2030年、2035年、2050年和2060年為評(píng)估年份，對(duì)6項(xiàng)不同碳捕集技術(shù)的各類評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體見表11～14。

表11 2030年各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參考數(shù)據(jù)

表12 2035年各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參考數(shù)據(jù)

表13 2050年各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參考數(shù)據(jù)

表14 2060年各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參考數(shù)據(jù)

圖4 2025—2060年各項(xiàng)CO2捕集技術(shù)綜合貼近度比較Fig.4 Comparison of comprehensive nearness degree of each CO2 capture technology from 2025 to 2060

進(jìn)一步使用AHP-TOPSIS法進(jìn)行評(píng)估，得出各技術(shù)在2025—2060年的貼近度結(jié)果如圖4所示，進(jìn)一步獲得未來不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上各類碳捕集技術(shù)的發(fā)展路徑見表15。復(fù)合胺吸收技術(shù)將在未來有持續(xù)性優(yōu)勢(shì)，這主要與其領(lǐng)先成熟并推廣、易于大型化、與各類排放源的兼容性好等因素有關(guān)；另一方面，近年來相關(guān)研究機(jī)構(gòu)不斷圍繞高效吸收藥劑、能量集成創(chuàng)新、低碳能源介入等探索進(jìn)一步降低復(fù)合胺碳捕集技術(shù)能耗的可行路徑，預(yù)計(jì)未來該技術(shù)成本仍然存在一定下降空間。相變吸收技術(shù)由于低能耗，預(yù)計(jì)會(huì)在近中期取得部分應(yīng)用，但隨著未來直接排放源減少，相變吸收過程的工藝復(fù)雜性將會(huì)對(duì)其競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生影響，因此該技術(shù)在遠(yuǎn)期應(yīng)用潛力可能相對(duì)有限；變壓吸附技術(shù)本質(zhì)上是物理變化過程，成熟度高、環(huán)境友好，現(xiàn)階段應(yīng)用受限的主要原因在于其操作窗口與大多數(shù)排放源不匹配，從而造成碳捕集能耗過高，隨著我國(guó)以可再生能源為主的新型電力系統(tǒng)逐漸成熟，以電耗為主要供能方式的變壓吸附技術(shù)有望在2035年后開始加速推廣并占據(jù)引領(lǐng)地位；鈣循環(huán)法是較特殊的一項(xiàng)技術(shù)，其突出特征在于過程能量集成性強(qiáng)，且與建材行業(yè)存在天然關(guān)聯(lián)，因此其整體發(fā)展態(tài)勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，預(yù)計(jì)隨未來工業(yè)過程電氣化和低碳建材制備技術(shù)不斷發(fā)展，鈣循環(huán)法的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)先增加后減少，在所有碳捕集技術(shù)中，應(yīng)用潛力處于中游；變溫吸附技術(shù)相比變壓吸附技術(shù)具有吸附選擇性高、適用于低濃度排放源的優(yōu)勢(shì)，但目前規(guī)模化工藝仍然存在難點(diǎn)，如果技術(shù)層面沒有重大突破，其未來應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)有限；MEA基吸收技術(shù)是最傳統(tǒng)的碳捕集方法，但能耗高、環(huán)境足跡顯著，目前已被復(fù)合胺法替代，不具備競(jìng)爭(zhēng)力。

表15 2025—2060年CO2捕集技術(shù)綜合評(píng)估排名變化趨勢(shì)

3 結(jié) 論

1)隨時(shí)間發(fā)展，不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)碳捕集技術(shù)發(fā)展路徑的影響不同。初期，技術(shù)成熟度較低時(shí)，技術(shù)的低碳特性在整個(gè)評(píng)估指標(biāo)中的影響最重要；后期，隨著CCUS技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用不斷推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)特性成為重要影響因素。

2)目前，具有綜合優(yōu)勢(shì)的碳捕集技術(shù)是復(fù)合胺吸收法，其在技術(shù)、低碳、經(jīng)濟(jì)特性表現(xiàn)優(yōu)秀；其次為相變吸收法，極低的能耗特點(diǎn)使其在低碳特性中表現(xiàn)相對(duì)優(yōu)秀；鈣循環(huán)法作為一項(xiàng)特殊技術(shù)，發(fā)展還不夠成熟，整體處于平均水平；變溫吸附法和變壓吸附法在經(jīng)濟(jì)和低碳特性中表現(xiàn)不足；MEA基吸收法在技術(shù)、低碳、經(jīng)濟(jì)、安全特性上表現(xiàn)較差。

3)隨著各技術(shù)不斷發(fā)展和我國(guó)未來能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，各類碳捕集技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景、影響其綜合推廣潛力的因素將發(fā)生變化，預(yù)計(jì)變壓吸附法、復(fù)合胺吸收法和鈣循環(huán)法將在未來碳捕集過程中占據(jù)重要地位，而相變吸收法和變溫吸附法的應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)有限，MEA基吸收法由于整體性能較差而逐漸淘汰。

4)總體而言，目前CO2捕集技術(shù)實(shí)施成本較高，主要原因在于主流技術(shù)能耗較高，如何降低能耗是研發(fā)重點(diǎn)方向。為加快CO2捕集技術(shù)的研發(fā)和推廣，一方面需加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，尤其是高性能捕集介質(zhì)、低能耗工藝、創(chuàng)新技術(shù)路徑等，同時(shí)通過設(shè)置相關(guān)財(cái)稅等激勵(lì)政策等，鼓勵(lì)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)開展碳捕集技術(shù)示范和應(yīng)用，加快規(guī)?；统杀咎疾都夹g(shù)的快速成型。在上述基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步基于技術(shù)實(shí)際運(yùn)行工程數(shù)據(jù)，結(jié)合各類碳捕集技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，不斷開展更深入和顆粒度更小的技術(shù)評(píng)估工作，以期為不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上各類碳捕集技術(shù)路徑的比選提供可靠依據(jù)。