迈向净零燃气发电：NGCC电厂碳捕集的现状、挑战与展望

致谢 本报告是在“净零之路——英国-中国碳捕集、利用与封存（CCUS）合作倡议”项目的框架下编制的，该项目由英国外交部、联邦发展部（FCDO）通过驻北京英国大使馆资助。作者们对FCDO的资金支持以及使此项工作得以进行的合作框架表示诚挚感谢。 2025年3月17日，中国国家能源局（NEA）与英国能源安全与净零部门（DESNZ）在北京举行第八次中英能源对话，双方共同签署《中英清洁能源合作谅解备忘录》。本报告所呈现的工作成果，是在此双边合作框架下针对CCUS（碳捕获、利用与封存）的具体合作成果。 该报告由Jon Gibbins（英国碳捕获与封存研究中心）、夏长友（英国-中国（广东）碳捕获、利用与封存中心）和范志安（华能清洁能源研究院）共同编制，并获得英国-中国天然气碳捕获、利用与封存净零（GCNZ）工作组的技术支持。该工作组专家包括徐世森（华能集团）、高世旺（华能清洁能源研究院）和梁希（英国-中国（广东）碳捕获、利用与封存中心）。 执行摘要 天然气联合循环（NGCC）发电厂在全球能源转型中发挥着关键作用，为具有日益增加的可变可再生能源份额的电网提供了必要的灵活性和可靠性。然而，只有当它们的二氧化碳排放实现净零时，其持续运行才与气候净零目标相兼容。2排放已得到有效消除。本报告评估了在燃气联合循环（NGCC）电厂部署碳捕获、利用与封存（CCUS）技术的现状、挑战与途径。 虽然氢气掺烧代表了一种潜在的长期解决方案，但基于胺的后燃烧捕获（PCC）仍然是近期NGCC脱碳化的唯一技术成熟且可扩展的选项。其他技术，如Allam循环或固体吸附剂，目前由于技术不成熟或低CO₂浓度下的局限性，不适用于大规模应用。2浓缩烟气。尽管在前端工程设计（FEED）研究中已证明其技术可行性，但目前还没有商业规模的NGCC+PCC电厂投入运行，长期性能和成本方面仍存在关键的不确定性。 NGCC+CCUS的战略重要性在中国和英国的平行发展轨迹中得到了凸显。预计到2030年，中国的燃气发电能力将达到200-400吉瓦。华能阳浦NGCC碳捕集示范装置(~2,000 t/a)，自2023年投入运营以来，代表了中国首个天然气发电CO₂捕集国际测试平台，展示了碳捕集与灵活调峰运营的 2cap-融合。英国以实现2035年净零电力系统为目标，正推进Net Zero Teesside等旗舰项目。在这两种背景下，脱碳化燃气发电都是保障电网稳定运行的关键系统资产。 为加速部署可靠、高性能且经济高效的 NGCC+CCS，报告建议关注以下五大战略重点： 总之，在NGCC电厂部署CCUS超越了末端治理的减排策略。它代表着对能源安全与转型韧性进行的基础性系统性投资。通过持续的协作、精准的创新以及支持性政策，NGCC+CCUS能够履行其作为通往安全、可靠、净零能源未来的桥梁的关键作用。 致谢 执行摘要 目录 iv 1 简介 2 为什么胺后燃烧捕获是大型 NGCC 脱碳的唯一可行方案 04 3 燃气电厂二氧化碳捕集技术现状综述 08 3.1 基于胺类物质的燃烧后捕集技术的NGCC电厂现状093.2 NGCC+PCC应用中溶剂的差异113.3 可实现的最大捕获率123.4 采用溶剂存储的灵活操作捕获：FOCUSS项目的总结14 4 典型中国 NGCC 工厂案例研究：阳浦碳捕集示范装置 18 4.1 植物概述及运行背景194.2 碳捕获测试平台设计214.3 研究能力与未来展望24 26 五、综合与战略路径 5.1 结论275.2 未来工作建议29 30缩写词 全球能源体系正经历一场向低碳化转型的深刻变革。 在此转变中，天然气发电，特别是燃气联合循环发电厂，承担着关键的双重角色：作为煤炭的清洁替代方案，以及更重要的是，作为整合可变可再生能源的必要灵活性提供者。然而，燃气发电的气候效益是相对的。一座典型的NGCC电厂仍然排放大约350-450公斤的二氧化碳。2每兆瓦时，相当于同类燃煤电厂排放量的约40-50%1 因此，随着燃气发电扩展以支持更深度的脱碳，解决其自身的碳足迹已成为一项紧迫的必要任务。 2024年，中国天然气消费量增长了7.3% 同比，占...8.8%的初级能源使用发电用天然气消耗量增长了9.5%，占总天然气使用量的18%，天然气年新增量...2 NGCC工厂正日益被认识到是发电功率达到创纪录高位关键支持力量 构建新型电力系统”对削峰填谷和保障电网可靠性至关重要。预计中国到2030年实现200-400吉瓦到2060年，甚至可达200-300吉瓦 因此，去燃气发电能力将达将现有资产上的碳捕获、利用与封存（CCUS）技术潜在地保留下来，不仅是中国的电力部门深度脱碳的必要且紧迫的任务，也代表着该技术的一个巨大潜在市场。 英国的经验提供了一个引人入胜的相似案例。 2024年，英国取得历史性里程碑：可再生能源供应了50.4%的电力，而化石能源发电量降至4 到2024年9月完全淘汰煤炭后，几乎所有剩余的化石发电都是燃气发电。31.8%的创纪录低点，占总发电量的30.4%。4. 认识到灵活性不能以牺牲长期气候目标为代价，英国政府已承诺实现“到2035年实现净零碳电力系统”，并明确指出脱碳天然气——通过碳捕获、利用与封存以及氢气掺烧——作为一项关键的过渡性资产5 这表明，对于任何寻求向以可再生能源为主导的电网进行安全可靠转型的国家而言，发展低碳或零碳燃气发电技术是一项战略优先事项。 在英国，燃气发电量约为840太瓦时，占全国电力供应的30%以上。中国和英国电力部门燃气使用的巨大绝对规模表明，在天然气发电厂部署CCUS（碳捕获、利用与封存）具有巨大潜力。 （例如，氢气掺烧，逐步实现100% H2燃烧；或使用厌氧消化产生的生物甲烷；对于生物甲烷，相关的CO）2（应永久储存或进行有益利用） 虽然氢能代表着一种潜在的长期零碳解决方案，但其广泛应用面临着重大障碍，包括现有涡轮机设计中进行高级别掺混或纯氢燃烧的技术挑战，以及需要大幅降低成本和扩大供应链。而可再生甲烷的燃烧，尽管资源受限，却是一种近期的即插即用燃料解决方案。当与碳捕获、利用与封存（CCUS）技术结合时，它可以实现净零甚至净负排放，为燃料脱碳路径提供了一种高度可行的示范。相比之下，应用碳捕获、利用与封存（碳捕集）技术（针对燃煤电厂烟气脱碳）为现有及新建的燃气联合循环发电机组提供了一条更广泛、近期可实现的大幅减排路径。为能源转型提供关键且可靠的桥梁。 申请。NGCC烟气的特点是低CO2浓度（在不进行辅助烟道燃烧的情况下约为3-5%），从而为该量提供高体积流量捕获，高氧含量（13-18%）。二氧化碳 2 这些特性对捕获技术提出了更高的要求，特别是在分离效率、能耗最小化和溶剂降解抗性方面，它们代表了当前研究与开发的关键焦点。 本报告对天然气联合循环发电厂（NGCC）的碳捕获技术进行了全面分析，系统回顾了其当前状况、核心技术及经济挑战，以及未来发展方向。报告提出，在NGCC上部署碳捕获、利用与封存（CCUS）不仅是缓解措施，更构成了一种系统层面的解决方案，对于保障能源安全、建设现代化、有韧性的电力系统，并最终实现整个能源系统的碳中和至关重要。 然而，将碳捕获、利用与封存（CCUS）技术应用于燃煤电厂，则面临着与燃煤发电不同的显著工程挑战。 目前，基于胺的燃烧后捕集技术仍然是大规模、点源商业CO2捕集的唯一可信技术。2从NGCC获取 植物。这一结论得到了当前替代方案现状的印证，这些方案目前均未准备好或适合在典型的NGCC机组上大规模部署。 鉴于这些限制，基于胺的燃烧后捕集是目前唯一现实、足够成熟且适应性强的选择，可用于现有及未来天然气联合循环机队的快速大规模脱碳。 下一章将回顾基于胺的NGCC+PCC系统的最新研究进展，考察当前的设计标准、溶剂性能以及可实现的捕集率。 盒子1：Net Power关于Allam循环状态的声明 “Net Power的最新新闻稿宣布，该公司已与Entropy签署意向书，将在美国部署Entropy的燃烧后捕集（PCC）技术，用于清洁稳发电力项目。此外，Net Power还分享了在其现有场地部署该解决方案的计划，首站为德克萨斯州西部的新墨西哥州项目（Project Permian），目标是在2028年实现首批清洁电力。”11 将后燃烧技术加入Net Power的解决方案组合，使该公司在本十年内就能部署清洁燃气发电，领先于竞争对手。 箱子2：用于燃气发电应用的Svante MOF固体吸附剂捕集状态 斯万特的获奖固体吸附剂基过滤装置用于碳捕集 我们在行业内凭借世界级的第二代碳捕获技术——基于固体吸附剂的过滤器——建立了我们的声誉。这项技术与其他技术（例如液体胺）相比具有优势，原因包括其对环境更负责、效率更高，以及在应对烟气污染物时更稳健。Svante的固体吸附剂CALF-20最适合用于CO。2 12%及以上浓度。12 OASE® 蓝色为斯万特客户提供一种市售的碳捕获解决方案，其捕获率高达 99% 以上，且能耗和胺耗低。OASE® 蓝色是用于天然气发电厂等源头烟气液体胺碳捕获的顶级技术。13 3号箱：开式循环GT的CapsolGT 这项技术正应用于基于开式循环燃气轮机的较小装置上（功率为兆瓦级）。2来自燃气涡轮机的热废气。（燃气联合循环发电厂，总装机容量达数百兆瓦）。该方法要求所有烟气在膨胀至约...之后进行冷却和再压缩，以捕获CO₂。2碳酸钾捕获将具有高效性涡轮机中的大气压力，以便CO14 2捕获后，被抽空的烟气被加热，然后再次膨胀至大气中。足够的CO球形压力，驱动烟气压缩机并发电15. 3.1 基于胺类物质的燃烧后捕集技术的NGCC电厂现状 关于NGCC（下一代燃煤发电厂）燃烧后碳捕获部署的最新技术现状的公共领域信息，主要来自美国能源部（DOE）资助的前端工程设计（FEED）研究，如表1所示。在英国，为净零提兹河项目开展了FEED研究，并进行了后续的详细设计工作；然而，目前还没有详细的公开报告。目前的信息有限，仅限于诸如会议报告等资料。15, 16, 17 并向大气排放。这些应用中的关键细节也反映在表1中。 然而，需要注意的是，这些来源均不代表实际的运行经验。商业电站设计并不能保证达到预期性能。直到商业规模 NGCC（天然气联合循环）燃烧后碳捕集电站的多年运行数据可用，当前的“最先进水平”仍很大程度上停留在理论层面。此外，许多现有来源由对所描述技术有商业利益的方撰写，这可能会使其评估带有偏见。 以及网络文章 18, 19, 20 其他重要信息通过英国国家气体公司（NGCC）关于燃烧后碳捕获的许可申请，相关视频资料已进入公共领域，其中讨论了具体的工厂设计方面。 经济可行性因规模、负荷率和整合策略而异。例如，Polk 2号燃气联合循环发电厂（CCGT）与PCC（燃气轮机联合循环）目标成本为... .许多燃气电厂的模式将这些技术敏感性因素考虑在内，宏观经济状况已显著改变了成本基准。近期对FEED研究的分析表明，从2020年末至2024年中，通货膨胀叠加利率上升，导致NGCC电厂碳捕集的单位成本增长了59%，而能源价格波动又进一步将运营成本增加了10%至15%。23 2，而通用电气-林德-南方公司低至80美元/吨的CO NGCC+CCS原料研究估计成本约为100美元/吨CO2马斯特站（Mustang Station）碳捕获FEED研究（Piperazine Advanced Stripper, PZAS™）的数据进一步说明了负荷因子的影响：捕获成本2在85%的负载率下约为每吨85美元21 因此，早期可行性研究（FEED）的静态成本估算可能需要向上调整，以反映当前的市场现实。 表1中的例子以外，根据斯坦福大学对 NGCC 翻新项目的 52%估算，价格已上涨至 166 美元/吨。 2百分之八十五平准化捕集成本约为每吨二氧化碳负载123美元，在40%负载因子时急剧增至约每吨212美元——这一范围更能反映实际运