碳捕集率权衡：迈向净零与负排放(Trade-offs in carbon capture rates: Toward net zero and negative emissions)
《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Trade-offs in carbon capture rates: Toward net zero and negative emissions
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完全脱碳对于实现气候目标和向碳中性经济转型至关重要。碳捕集技术，尤其是胺基(amine-based)技术，在这一过程中发挥核心作用。然而，普遍将90%碳捕集率作为标准限制了向更雄心勃勃的脱碳目标的推进。本研究探讨了实现超高超(接近或超99%)碳捕集率——针对近
完全脱碳对于实现气候目标和向碳中性经济转型至关重要。碳捕集技术，尤其是胺基(amine-based)技术，在这一过程中发挥核心作用。然而，普遍将90%碳捕集率作为标准限制了向更雄心勃勃的脱碳目标的推进。本研究探讨了实现超高超(接近或超99%)碳捕集率——针对近零(near-zero)、净零(net-zero)及净负排放(net-negative emissions)情景——的效率与成本影响。对现有文献的综述表明，更高的碳捕集率（接近或超过99%）在特定配置下技术上可行且经济可行。尽管较小碳源存在一些限制，能量回收与系统优化的进步缓解了许多此类挑战。研究人员采用基于模拟的方法评估水泥厂和垃圾焚烧发电(Waste-to-Energy, WtE)厂的碳捕集率。结果表明，实现净负情景要求水泥厂去除率达99.65%，垃圾焚烧厂达99.40%。当捕集率趋近100%时，能源需求显著上升，90%到99%之间观测到40%的增长。单位捕集CO2成本估算为53.29至94.69 �/tCO2，因行业和规模而异。研究结果强调了规划超高捕集系统以满足雄心脱碳目标的重要性。通过量化能源、成本与捕集率间的权衡，北日德兰(North Jutland)分析显示出保守的输出结果——即便考虑到未来排放下降与技术学习带来的成本降低；而近零捕集率在能源系统与工业基础设施脱碳中提供了最具成本效益的路径。
《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》刊载论文解读：碳捕集率权衡研究及其对净零与负排放的意义
一、研究背景与立项依据
当前为实现《巴黎协定》温控目标，碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilisation and Storage, CCUS)被视为难减排(hard-to-abate)工业部门和某些发电场景实现深度脱碳的关键技术。燃烧后胺法碳捕集(post-combustion carbon capture based on monoethanolamine, MEA)是目前商业化最成熟(TRL 9)的点源碳捕集(point-source carbon capture, CC)路线。然而，既有文献与工程实践中习惯将90%碳捕集率(carbon capture rate)设为设计基准值，该数值源于20世纪70年代的经验性选择，并非基于热力学极限或排放约束。随着净零(net-zero emissions)与负排放(negative emissions / net-negative emissions)目标提出，残留10%的CO2排放变得不可接受。已有少量研究关注燃煤或燃气电厂在超高捕集率(ultra-high capture rates, 通常指≥99%)下的表现，但对水泥生产(cement production)与垃圾焚烧发电(Waste-to-Energy, WtE)等重要工业点源的系统性能耗—经济权衡(trade-offs between energy demand, cost and capture rate)研究不足。因此，研究人员以水泥厂(烟气CO2浓度约30 wt.%)和WtE厂(烟气CO2浓度约12 wt.%)为对象，通过Aspen Hysys?模拟结合经效技术经济模型，量化不同减排情景(Near-Zero、Net-Zero、Pre-industrial、DAC level)所需的捕集率及对应的再沸器热负荷(specific reboiler duty, SRD)和平准化CO2捕集成本(Levelized Cost of CO2Capture, LCCO2)，并以丹麦北日德兰地区(North Jutland Region, NJR)典型点源进行区域案例应用，为CCUS基础设施规划提供决策依据。
二、主要研究方法概述
研究人员选取典型水泥厂(烟气CO230 wt.%)与WtE厂(烟气CO212 wt.%)为研究对象，在Aspen Hysys?中采用Acid Gas-Chemical Solvent模型(Peng-Robinson状态方程 + eNRTL电解质物性方法)搭建MEA(30 wt.%)燃烧后捕集流程，引入段间冷却(intercooling)、富液分流(rich solvent splitting, 分流比30%)及贫液蒸气再压缩(lean vapor recompression, LVR)等节能构型；通过调节再沸比(boilup ratio)实现80%–99.9%可变捕集率。基于设定残留CO2浓度(近零450 ppm、净零412 ppm、工业化前280 ppm、直接空气捕集尾气100 ppm)反算所需捕集率。能耗指标采用单位捕集CO2再沸热负荷(SRD, MJ/kgCO2)；经济性按Turton设备费用关联式估算CAPEX与OPEX，以25年寿命、5%折现率计算LCCO2(�/tCO2)。区域分析选用丹麦北日德兰地区Aalborg Portland水泥厂及Nordv?rk Hj?rring与Aalborg两座WtE厂，基于2023年实际排放数据及2030/2050年脱碳情景下排放折减预测，评估不同捕集率情景的年捕集量与总成本。
三、研究结果
3.1. Carbon capture rate scenario analysis(碳捕集率情景分析)
研究人员依据不同减排目标(近零/净零/净负)所对应的残留CO2浓度，结合烟气中N2流量恒定假设，计算出各行业所需捕集率。结果表明：水泥厂因烟气CO2浓度高(约30 wt.%)，达到净负排放(pre-industrial与DAC level)至少需99.59%捕集率(具体净负情景上限99.65%–99.88%)；WtE厂因CO2浓度较低(约12 wt.%)，需99.38%–99.82%(净零以上情景为99.40%–99.80%)。此外，相同目标下，低CO2浓度烟气要求更高捕集率，说明初始CO2分压(partial pressure of CO2)直接影响可实现性与设计捕集率，应逐案(case-by-case)确定而非统一采用90%。
3.2. Techno-economic analysis(技术经济分析)
模拟显示，捕集率在80%–93%区间SRD变化不大，但当超过95%特别是趋近99%时能耗陡增——从90%提至99%捕集率，SRD增加约40%(水泥厂最高相对增幅达70%–110%)。LCCO2随之上升：水泥厂90%→近零(99.44%)→净零(99.65%)→DAC级(99.88%)，LCCO2由29.46 �/tCO2升至41.49、47.37、94.69 �/tCO2(较90%基准分别+41%、+61%、+221%)；WtE厂90%→近零(99.10%)→净零(99.40%)→DAC级(99.80%)，LCCO2由34.74 �/tCO2升至36.31、37.04、53.29 �/tCO2(+5%、+7%、+53%)。高浓度源(水泥)更易在可接受能耗下实现超高捕集率；低浓度源(WtE或天然气)实现同等捕集率能耗与经济代价显著更高。研究人员指出近零捕集率(≈99.1%–99.4%)在多数情形下已可在额外能耗与成本可控范围内大幅减排，而追求DAC级捕集率致成本剧增，需结合生物源CO2与BECCS(Bioenergy with Carbon Capture and Storage)等其他措施综合考量。
3.3. Sensitivity effect of flowrate in the capture rates(烟气流量对捕集率的敏感性影响)
以水泥厂为例(设计工况0.5 t/h干基烟气，折合~4500 t/d熟料)，改变烟气体积流量发现：较小规模装置(0.1 t/h)实现净零只需97.14%–98.67%捕集率，较大规模(1 t/h)则需99.71%–99.87%，基准规模(0.5 t/h)需99.43%–99.70%。原因是单位时间总CO2通量影响残留绝对排放量。平均LCCO2随规模扩大被摊薄(0.5 t/h较0.1 t/h高约72%，较1 t/h低约47%)。未来低碳转型中工厂可能低负荷或间歇运行，CCUS需具备变工况适应性，考虑电价峰谷与能量供给匹配。
3.4. The case of the north Jutland region in Denmark(丹麦北日德兰地区案例)
将模拟所得捕集率—成本关系应用于NJR三大点源(Aalborg Portland水泥厂及两座Nordv?rk WtE厂)，结合2023年实测排放及2030/2050年预期减排(水泥厂化石CO2降约33%，WtE降约47%)，研究人员发现：因规模效应，水泥厂年捕集总成本峰值可达约167 M�(净负情景)，两WtE厂分别约15 M�与数M�。随未来排放下降及潜在技术学习曲线(learning-by-doing)，实际成本可能低于当前模拟值(本文给出保守估计)。三种减排情景下捕集CO2总量差异微小，但从能耗—经济权衡看，近零捕集率已可提供绝大部分减排效益，进一步推向净负情景边际收益递减而成本陡升。基于此，研究人员建议分阶段CCUS基础设施规划：优先连接大规模Aalborg Portland建存储导向网络；视CCU(CO2利用)需求增设至Nordv?rk Aalborg旁路；偏远小规模Nordv?rk Hj?rring现阶段单独连接经济性差，可待排放格局或市场需求变化重新评估。
四、讨论与结论翻译(Conclusion部分归纳)
研究人员指出，突破传统90%捕集率惯例向超高捕集率迈进对实现净零/负排放十分必要，但伴随再沸器热负荷增加最高达40%(水泥厂相对增幅更大)，可能导致原工艺装置效率下降甚至影响产能；成本增幅可达40%–220%(视行业与最终捕集率而定)，尤其水泥等行业可能引发终端产品竞争力问题。因此，开发新型节能解吸工艺、高效溶剂、富/贫液储槽与热集成、热泵耦合及柔性运行对降低超高捕集率惩罚至关重要。论文结论如下：超越90%的捕集率对深度脱碳不可或缺，但能耗罚金显著；规划中应综合考虑点源规模、排放演化轨迹、可行捕集率提升空间及生物源CO2占比；近零捕集率(≈99.1%–99.65%视行业而定)通常是兼顾成本效益与大幅减排的务实起点，负排放目标宜结合BECCS等协同路径；区域案例分析证实将本地化参数(点源分布、规模、未来减排预期)纳入CCUS链基础设施规划的必要性。本研究量化了捕集率—能耗—成本三者权衡，为工业和区域CCUS部署策略制定提供了依据。
