燃烧后CO2捕集过程的比较评估：应用于天然气压缩站的冷氨和胺洗涤技术

《ChemEngineering》：Comparative Assessment of Post-Combustion CO2 Capture Processes: Chilled Ammonia and Amine Scrubbing Technologies Applied to Natural Gas Compression Stations

　　

燃烧后CO₂捕集是天然气压缩和处理基础设施的关键减排途径；冷氨工艺（CAP）和先进胺基捕集（AAC）是目前技术上最成熟的商业选择。方法：本研究对CAP和AAC进行了技术和经济比较，结合了罗马尼亚两个天然气压缩站（S.N.G.N. Romgaz S.A., Media?, Romania）的历史现场排放测量数据（2013年6月11日）：Cristur站（CAP装置下游）和Brateiu站（未捕集基准），使用Multilyzer NG Series 213分析仪（SYSTRONIK Elektronik und Systemtechnik GmbH, Illmensee, Germany）进行测量。由于这些站点未在受控的前后协议下进行采样，因此该比较为横断面比较。结果：Cristur站的烟气CO₂（低于或处于检测限）低于Brateiu站（6.8%），但该读数无法与分析仪自带的基于O₂的计算公式相吻合，因此被报告为未解决的历史数据质量问题，而非捕集性能的证据；Cristur站的共污染物（NO, NO_x, CO）也较低。一项基于范特霍夫方程的独立热力学估计，以氨特定的文献数据为基础，得出在典型操作温度下CAP的捕集效率为89.6–90.3%。使用代表性流速和文献捕集效率的理论质量平衡，估计每年可捕集42,600–85,200 t CO₂。文献捕集成本范围为40至77 EUR/t（CAP）和47至90 EUR/t（AAC），两者均大幅低于当前的欧盟排放交易体系（EU ETS）价格（81.35 EUR/t，2026年6月），但由于缺乏资本和辅助成本数据，未量化净经济效益。结论：CAP在热力学上具备高CO₂去除效率的能力；历史现场数据在方向上是一致的，但并不能独立验证这一点。除了历史数据集本身之外，本研究还为烟气分析仪CO₂读数提供了一种可重复使用的诊断交叉检查、一种重新校准的氨特定热力学估计方法，以及一个从不完整遗留数据中评估捕集技术的透明框架；它作为历史性、说明性的案例研究和方法学参考，为未来的仪器验证监测活动提供借鉴。

研究背景与引言
全球温室气体排放量巨大，其中煤炭燃烧和化石燃料燃烧是主要来源。尽管提高能源效率和部署可再生能源是长期的解决方案，但碳捕集与封存（CCS，指将二氧化碳从排放源中分离并封存的技术）对于实现近中期的减排目标至关重要。燃烧后捕集技术是针对现有天然气压缩基础设施的关键减排途径。在技术选择上，冷氨工艺（CAP，利用低温氨溶液吸收二氧化碳的技术）和先进胺基捕集（AAC，使用胺类溶剂吸收二氧化碳的技术）是两项技术最成熟的商业选择。然而，当前研究存在明显不足：针对天然气压缩站燃烧后捕集性能的严格、现代且多点位现场测量数据在公开文献中仍然稀缺，且罗马尼亚Cristur站的冷氨捕集装置从未有过已发表的研究记录。此外，自2013年以来的EU ETS碳价已上涨逾八倍，彻底改变了该技术类别的经济相关性。因此，开展这项研究以重新评估历史数据与当前技术经济可行性的意义重大。

这项研究发表于《ChemEngineering》。研究人员主要开展了对CAP和AAC的技术与经济比较，并结合了历史现场排放测量数据。研究得出结论：CAP在热力学上具备高CO₂去除效率的能力，历史现场数据在方向上虽然一致，但并不能独立验证这一点；在当前碳价下，该技术类别具备经济可行性。研究的重要意义在于，不仅为烟气分析仪读数提供了可重复使用的诊断交叉检查，还为评估不完整遗留捕集数据提供了一个透明框架，为未来仪器验证的监测活动提供了方法学参考。

关键技术方法
样本队列来源为罗马尼亚S.N.G.N. Romgaz S.A.在Media?运营的Cristur和Brateiu天然气压缩站的烟气排放历史现场测量数据（2013年6月11日）。Cristur站位于CAP装置下游，Brateiu站为未捕集基准。研究人员使用Multilyzer NG Series 213便携式气体分析仪进行现场排放测量；构建理论CO₂质量平衡模型，结合代表性流速与文献捕集效率进行定量估算；采用基于范特霍夫方程的热力学交叉验证方法，以氨特定文献数据为基准估算捕集效率；并通过对比文献报道的捕集成本与当前EU ETS碳价进行经济性评估。

研究结果
3.1. 比较排放测量
通过Multilyzer NG Series 213分析仪进行现场测量，发现Cristur站的CO₂浓度在检测限或以下，而Brateiu站为6.8%。然而，通过分析仪自带的基于O₂的计算公式交叉检查，发现Cristur站的读数与公式预测值不符，且O₂浓度也低于Brateiu站，表明两站处于不同的燃烧条件下。因此，该现场数据无法定量证明捕集效率，只能作为历史观察记录。

3.2. CAP和AAC的技术和经济比较
通过文献综合和现场评估对比得出，CAP需要较高的资本投资（因制冷系统），而AAC运营成本较高（因胺类试剂消耗），技术选择需考虑特定地点的资金、气候和运营成本。

3.3. 理论CO2质量平衡估算
通过代表性流速和文献报道的99%捕集效率构建理论质量平衡模型，得出年捕集潜力约为42,600–85,200 t CO₂/year，与中试设施报道的数量级一致，支持了物理减排的合理性。

3.4. 捕集效率的热力学交叉验证
通过基于氨特定文献数据的范特霍夫温度依赖性进行热力学估算，得出在CAP典型运行温度（5 °C）下，捕集效率为89.6–90.3%，支持了该技术具备高捕集效率的合理性。

3.5. 经济背景：捕集成本与当前EU ETS碳价的对比
通过对比文献中的捕集成本与当前EU ETS碳价（81.35 EUR/ton，2026年6月）得出，CAP（40–77 EUR/t）和AAC（47–90 EUR/t）的成本大多低于碳价，表明该技术具备经济可行性，但由于缺乏资本等数据，无法量化净收益。

讨论部分总结
现场测量虽显示捕集后CO₂降低，但受限于数据质量问题与两站不同燃烧条件，不能作为可靠的效率证据。相反，热力学交叉验证和文献基准支持了高捕集效率的合理性。同时，研究指出罗马尼亚Turceni发电站未实现的冷氨示范项目反映了资本可得性对大规模部署的制约。燃烧后捕集经济性受实际成本上限约束，类似热力学对再生能耗的限制；超过此上限，竞争平衡将转向预燃烧和富氧燃烧。

研究结论翻译
现场测量显示Cristur站（仪器检测限或以下）的烟气CO₂浓度低于未捕集基准Brateiu站（6.8%）。对分析仪基于O₂的CO₂计算公式的质量平衡检查表明，该报告值与从测量O₂浓度推导的结果不一致，且两站O₂浓度存在差异，表明燃烧条件不同，而非受控的前后对比。因此，站间CO₂差异不能解释为定量捕集效率测量，仅作为历史现场观察保留；CAP高效率的技术合理性独立得到热力学交叉验证和文献基准的支持。

与未捕集基准相比，捕集后站点的共污染物排放（NO, NO_x, CO）也有所降低，尽管本研究未将捕集相关工艺变化的具体贡献与两站间更广泛的运行差异隔离开来。

技术和经济比较表明，由于额外的工艺设备（特别是制冷系统），CAP技术涉及更高的资本投资，而AAC由于胺基试剂消耗呈现更高的运营成本；技术选择应基于特定地点的资金可用性、气候条件和运营成本结构。文献报道的运营成本范围为CAP 40至77 EUR/tons CO₂，胺基捕集为47至90 EUR/tons CO₂，表明成本范围大致可比且不确定性重叠。

拟议但未实现的Turceni冷氨捕集示范项目说明了历史上限制罗马尼亚大规模燃烧后捕集部署的重大资本可用性障碍，这与技术成熟度无关。

基于代表性烟气流速假设的理论CO₂质量平衡模型，估计年捕集潜力在42,600至85,200 tons CO₂/year范围内，在数量级上与国际冷氨中试设施报告的捕集率一致，支持了测得减排的物理合理性。

重新校准的热力学估计，使用CO₂-氨吸收平衡的范特霍夫温度依赖性，并以氨特定文献数据为基准，预测在CAP运行温度下捕集效率为89.6–90.3%，处于文献报道的CAP性能范围中下水平，且独立于现场测量值；该估计支持了CAP作为技术类别的高捕集效率的物理合理性，同时强调不应将其视为对该特定现场测量的独立验证。

在当前EU ETS碳价（81.35 EUR/tons，2026年6月）下，文献报道的CAP和AAC运营成本范围均主要低于配额价格，表明该技术类别在当前碳定价下具有经济合理性——与2013年原始测量活动时的情况显著不同。本研究未量化净年经济效益，因为该历史数据集缺乏所需的资本、辅助能源（制冷/蒸汽）、CO₂压缩、运输和储存、监测以及融资成本数据；需要使用罗马尼亚特定成本和直接测量的烟气流速的自下而上成本估算来支持投资级经济评估。

燃烧后捕集经济学受实际成本上限限制，类似于吸收剂再生能源的热力学极限；超过此上限将使竞争平衡向预燃烧和富氧燃烧替代方案转移。

未来研究应优先开展在单一站点进行受控、前后监测的活动，配备确认的直接读取CO₂传感器和直接测量的烟气流速，并辅以罗马尼亚特定的资本和运营成本数据以及捕集-运输-储存链条的全生命周期评估，以将这一历史案例研究的指示性发现转化为经过验证的、投资级的性能和经济评估。

这些发现为在天然气压缩和处理应用中的燃烧后CO₂捕集技术选择提供了一个基于证据的、特定地点的框架，并强调了将化学工艺工程专业知识纳入大规模CO₂捕集投资可行性研究的价值。