《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Integrating carbon capture in pulp mills towards negative CO
2 emissions: a review and case study on technologies and capture potential
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将碳捕集整合至纸浆厂以实现负CO?排放：技术及捕集潜力综述与案例研究
针对牛皮纸浆厂（kraft pulp mills）的CO?捕集方案进行了全面综述。回收锅炉（recovery boiler）展现出最高的捕集潜力，可达约2.2吨CO?/风干吨浆（t C
将碳捕集整合至纸浆厂以实现负CO?排放：技术及捕集潜力综述与案例研究
针对牛皮纸浆厂（kraft pulp mills）的CO?捕集方案进行了全面综述。回收锅炉（recovery boiler）展现出最高的捕集潜力，可达约2.2吨CO?/风干吨浆（t CO? per ADt pulp）。研究对北欧综合纸浆厂与南美独立纸浆厂开展了技术经济案例研究。捕集成本范围为8–263欧元/吨CO?，且在很大程度上取决于能量整合程度。
**论文解读文章**
**1. 研究背景与目的**
气候变化对生态系统和人类构成固有威胁，减少人为CO?排放是减缓全球变暖的重大挑战。碳捕集技术作为一项相对成熟且可快速部署的减排手段，在应对难减排行业排放和抵消历史排放方面被寄予厚望。与捕集源自化石能源的CO?不同，捕集生物源CO?（即生物质中固定的碳）能够实现净负排放。将碳捕集与封存（CCS）应用于生物源CO?排放源，可通过产生净负排放提供额外气候效益，此类系统即生物质能碳捕集与封存（BECCS）。纸浆工业是全球最大的浓缩生物源CO?排放源之一，牛皮纸浆厂通常运营回收锅炉、多燃料锅炉和石灰窑等大型燃烧设施，使其成为重要的生物源CO?点源，有望在脱碳能源系统中扮演关键角色。然而，此前研究多针对个别碳捕集方案，尚缺乏专门面向纸浆厂的CO?捕集技术系统综述和比较评估。本研究旨在通过提供首个聚焦纸浆厂的碳捕集技术综述，并基于统一度量指标——捕集CO?量/风干吨浆（t CO?/ADt pulp）——对其捕集潜力和特性进行比较评估，填补这一空白。
**2. 研究内容、结论与意义**
研究人员首先介绍了牛皮纸浆厂的工艺过程及其伴生的CO?排放源。随后，系统综述了适用于纸浆厂的各类CO?捕集技术，包括烟气捕集、黑液气化（BLG）及等离子体煅烧、富氧燃烧、化学/钙循环燃烧等其他技术，并对捕集潜力进行了荟萃分析，还梳理了示范及大规模项目现状。在此基础上，选取北欧综合纸浆厂和南美独立纸浆厂作为模型工厂，对多种捕集技术进行了技术经济案例研究。
研究得出以下主要结论：回收锅炉具有最高的平均捕集潜力（约1.50 t CO?/ADt），全量捕集有效潜力可达1.50至2.19 t CO?/ADt；结合多个排放源可实现约2.0–2.2 t CO?/ADt的总捕集潜力。文献报道的捕集成本范围为8–263 �/t CO?。案例分析表明，捕集成本高度依赖厂址条件，电力价格及售电收入损失是主导成本驱动因素。该研究首次以统一度量标准系统比较了纸浆厂各类碳捕集技术路线，明确了纸浆厂作为大规模生物源CO?点源在实现负排放方面的重要潜力，为该行业碳捕集技术选择和部署提供了重要参考。
**3. 主要关键技术方法**
本研究采用的技术方法主要包括：（1）文献综述与荟萃分析，系统整理已发表的纸浆厂碳捕集研究数据，以捕集潜力（t CO?/ADt pulp）为统一指标进行统计分析；（2）技术经济案例研究，基于北欧综合浆厂和南美独立浆厂两个模型工厂（年产量分别为140万和150万ADt），利用Millflow程序建立质量和能量平衡，评估六种碳捕集技术（MEA法、热钾碱法、膜分离、变压吸附、 chilled ammonia process及碳酸钠+热泵法）的技术经济性能，捕集成本按年化资本成本与运行维护成本之和除以年捕集CO?量计算，并考虑了电价、投资规模等敏感性因素。
**4. 研究结果**
*纸浆厂过程与CO?排放特征*
牛皮纸浆厂包含钠基和钙基两个相互关联的化学品回收循环。回收锅炉是最大的CO?排放源，通常产生约1.6–2.4 t CO?/ADt；石灰窑排放约0.33 t CO?/ADt（其中约60%来自煅烧反应本身），且通常是唯一的化石源CO?连续排放源（因常以化石燃料为燃料）。多燃料锅炉的排放量因厂而异。不同排放源的烟气CO?浓度不同，回收锅炉约13 mol%，多燃料锅炉约12 mol%，石灰窑约20 mol%（湿基）。
*烟气CO?捕集技术*
化学吸收法，尤其是单乙醇胺（MEA）法，是纸浆厂烟气CO?捕集研究中占主导地位的技术。文献报道的捕集成本多数低于150 �/t CO?，平均和中位数分别为74和65 �/t CO?，范围在8至263 �/t CO?之间。捕集成本受捕集源规模效应的显著影响，并非简单地由CO?浓度决定。研究者强调，纸浆价格上涨幅度不适合作为比较指标，因捕集量与产量的比例关系在不同研究中存在差异。
*黑液气化技术*
黑液气化（BLG）可将合成气生产与CO?捕集相结合。大多数研究采用气流床气化技术，主要产品为甲醇、二甲醚等燃料或化学品。在燃料/化学品合成路线中，CO?脱除是工艺本身的必要步骤，将分离的CO?用于CCS可带来额外收入。BLG的CO?捕集潜力平均约为1.45 t CO?/ADt，但受气化黑液比例和合成气下游利用途径影响。该技术面临技术成熟度低、气化炉底部耐火材料腐蚀、硫化度低导致苛化需求增加等挑战，其部署主要限于回收锅炉扩容改造或部分黑液处理场景。
*其他碳捕集技术*
等离子体煅烧以电炉替代化石燃料回转石灰窑，产生高纯度CO?流；富氧燃烧通过纯氧与再循环烟气燃烧获得富CO?气流，但需高纯度氧气供应；化学/钙循环系统通过双反应器产生富CO?气流，钙循环可替代石灰窑并捕集多源烟气CO?。绿液电化学转化等新兴概念尚处于早期开发阶段。此外，纸浆厂废弃物（如白泥、绿液沉渣等）可作为CO?吸附材料，但吸附容量和稳定性有待改善。
*捕集潜力荟萃分析*
以t CO?/ADt为统一指标对文献数据进行分析表明，回收锅炉平均捕集潜力最高（约1.50 t CO?/ADt），其次是黑液气化（约1.45 t CO?/ADt），多燃料锅炉和石灰窑的潜力较低（分别约0.41和0.29 t CO?/ADt）。组合捕集多个排放源可提高总捕集潜力：回收锅炉+石灰窑约1.93 t CO?/ADt，回收锅炉+多燃料锅炉约2.19 t CO?/ADt。各源平均捕集潜力之和约2.19 t CO?/ADt，与其他研究报道一致。
*案例研究*
在同等假设条件下，北欧浆厂由于电价较低，各技术捕集成本普遍低于南美浆厂。捕集成本最低的技术在北欧为冷氨法（CAP）和变压吸附（PSA），在南美为CAP、热钾碱法（HPC）和MEA；碳酸钠+热泵系统成本最高。售电损失（即热/电能需求的机会成本）是所有技术捕集成本的主要组成部分。南美独立浆厂因能源盈余更大，捕集量约为北欧综合浆厂的三倍，体现规模经济优势。研究表明，最优捕集技术高度依赖电价、工厂规模及能量整合条件。
**5. 讨论总结与结论翻译**
*讨论部分总结*
CO?浓度对捕集工艺有显著影响，但并非决定性因素——整合方式、规模效应和工艺配置可抵消浓度优势。纸浆厂作为大型生物源CO?点源，既可通向CCS实现长期负排放，也可用于CCU生产燃料和化学品。对于CCS，需额外考虑压缩、脱水和运输储存成本（约增加50 �/t CO?），实际减排成本估计为156–220 �/t CO?。CCU路径（如厂内利用和Power-to-X）对CO?纯度要求更高。从技术整合角度看，烟气洗涤类末端技术易于改造但能量损失大；黑液气化属于工艺整合式路线，以部分黑液气化进行回收锅炉扩容改造更具可行性；富氧燃烧和循环法的整合受电力需求或技术成熟度限制；电气化石灰循环概念则依赖大量低碳电力。研究者强调，捕集技术的选择应基于本地条件，并考虑CO?运输和储存基础设施的可及性。
*研究结论翻译*
本研究通过结构化文献综述、荟萃分析和基于代表性综合及独立浆厂配置的统一技术经济案例研究，对纸浆厂CO?捕集技术进行了全面评估。研究结果有力凸显了纸浆厂作为大规模生物源CO?来源的重要潜力，使该行业成为通过BECCS实现负排放的关键推动者。在典型浆厂的各类排放源中，回收锅炉捕集潜力最大，其次是黑液气化，多燃料锅炉和石灰窑贡献较小。组合多个排放源可实现约2.0–2.2 t CO?/ADt的总捕集潜力，但实际捕集水平受限于厂址特定能源可用性和整合限制。文献报道的捕集成本范围为8–263 �/t CO?。溶剂吸收法仍是最成熟和广泛研究的方案，但冷氨法、变压吸附、膜分离及新兴技术（如钙循环、等离子体煅烧和电化学过程）显示出降低能耗或改善整合的潜力。技术经济分析表明，捕集成本高度依赖厂址条件，电价和售电损失是主要成本驱动因素。CCS与CCU路径的选择对系统整体性能具有决定性影响，混合路径可能提供平衡的实施方式。总体上，纸浆厂CO?捕集在技术上可行，可在未来低碳能源系统中发挥重要作用，但大规模部署需综合考虑过程整合、能源系统交互、经济条件和基础设施可用性等因素。
