将碳捕获与封存技术应用于造纸工业，并结合核热能的成本分析

《Carbon Capture Science & Technology》：Cost Analysis of Carbon Capture and Storage in the Pulp and Paper Industry Integrated with Nuclear Heat

制浆造纸行业年排放约1.5亿吨CO?，核能驱动碳捕获系统可显著减排。研究通过集成小型模块化核反应堆（SMNR）和胺基溶剂CCS，对比三种纸厂（漂白软木浆、未漂白软木浆、回收纸厂）在无天然气锅炉和传统CCS情景下的经济性。结果显示，核能蒸汽成本需低于16美元/吨才能与天然气竞争，当前中位成本为31.21美元（高压）和25.84美元（低压）。核能驱动CCS可使漂白软木浆厂减排91%，回收纸厂实现零直接排放。建议政策支持或天然气价格上涨至5.96美元/MMBtu可提升经济性。

　　在当前的工业发展背景下，碳排放问题日益受到关注。作为美国工业部门中重要的组成部分，纸浆和造纸（P&P）行业贡献了相当一部分二氧化碳（CO?）排放。根据2022年的数据，该行业占美国工业部门总CO?排放量的2.5%。值得注意的是，P&P行业在热能和电力生产方面大量使用生物质和废料，这使得其CO?排放中包含大量的生物源排放。然而，包括天然气燃烧和石灰窑在内的非生物源排放，使得该行业每年的CO?排放总量达到约1.5亿吨。这种高排放量引发了对如何减少工业碳足迹的深入研究。

本文探讨了将小型模块化核反应堆（SMNR）与碳捕集与封存（CCS）技术结合，以降低P&P行业CO?排放的经济可行性。在现有研究中，CCS技术如胺基溶剂捕集已被证明在工业规模上是可行的，但其能量需求较高，尤其是在溶剂再生过程中。而核能作为一种稳定、可靠的清洁能源，可以为CCS提供所需的能量，而不产生点源排放。通过分析三种类型的P&P工厂——漂白软木浆厂、未漂白软木浆厂以及回收纸厂，研究者评估了使用SMNR为CCS系统供电的可能性，并探讨了这种集成对不同工厂的经济影响。

研究结果显示，SMNR可以为某些P&P工厂提供所需的蒸汽和电力，从而减少对天然气锅炉的依赖。在漂白软木浆厂的情况下，两个200兆瓦热（MWth）的SMNR模块足以满足蒸汽和电力需求，并取代现有的天然气锅炉。而对于未漂白软木浆厂和回收纸厂，一个200 MWth的SMNR模块就足够满足其蒸汽和电力需求。这种配置能够显著减少CO?排放，其中漂白软木浆厂的CO?排放可以减少91%，而回收纸厂几乎可以实现零排放。这表明，SMNR的引入对于P&P行业实现碳负排放具有巨大的潜力。

然而，SMNR与CCS技术的结合目前在经济上并不具备竞争力。例如，研究指出，即使使用了45Q碳捕集税收抵免等激励措施，SMNR提供的蒸汽价格仍需低于每年约16美元/公吨，才能与天然气蒸汽生产成本相竞争。而目前预计的SMNR蒸汽的平均成本约为31.21美元/公吨（高压力蒸汽）和25.84美元/公吨（低压力蒸汽），因此，要使SMNR成为可行的替代能源，需要进一步降低成本或提供额外的激励措施。

在分析过程中，研究者还考虑了不同压力等级的蒸汽对CCS成本的影响。结果显示，当高压力蒸汽被集成到现有工厂的联合供热系统（CHP）中时，与直接将中低压蒸汽用于工厂操作相比，CO?捕集成本较低。这种差异主要来源于高压力蒸汽在溶剂再生过程中的高效利用。此外，研究还指出，当使用SMNR提供的蒸汽来替代天然气锅炉时，CO?捕集成本可以降低25%。这表明，SMNR在能源供应方面具有显著的优势，特别是在减少CO?捕集成本方面。

对于回收纸厂，研究显示，当完全由SMNR供电时，其CO?捕集成本较低，但CCS本身并不需要，因为该类工厂在生产过程中不产生CO?排放。这表明，回收纸厂可以作为实现零排放目标的典范。而其他类型的P&P工厂，如漂白和未漂白软木浆厂，则需要依赖CCS技术来捕集和封存CO?，以减少其碳足迹。

研究还探讨了不同工厂类型的蒸汽和电力需求。例如，漂白软木浆厂的蒸汽需求是未漂白软木浆厂的34%，而回收纸厂的蒸汽需求仅为漂白软木浆厂的78%。这些差异反映了不同工艺流程对能源的需求不同。漂白软木浆厂由于需要更多的蒸汽用于漂白和纤维分离过程，其能源需求较高。而回收纸厂则由于其工艺流程较为简单，蒸汽需求较低。

此外，研究还考虑了CCS技术的经济模型，包括建设成本、运营成本以及税收抵免等。在技术上，CCS的实施需要大量的资本投入，而在经济上，其可行性取决于蒸汽和电力的成本。通过将SMNR与CCS结合，可以显著降低蒸汽和电力的成本，从而提高整体的经济可行性。然而，目前SMNR的建设成本仍然较高，因此，研究建议通过进一步的技术发展和商业化，降低SMNR的运营成本，以提高其在工业应用中的竞争力。

总的来说，本文展示了将SMNR与CCS技术结合，以减少P&P行业CO?排放的潜力。尽管目前在经济上仍然存在挑战，但随着技术的进步和政策的支持，这种集成可能成为未来实现碳中和目标的重要途径。研究还指出，其他工业领域如水泥、钢铁和化工制造，也可以从这种集成中受益，从而推动更广泛的碳减排措施。