大型商业化碳捕集项目若缺乏充分的试点测试，在运行过程中易遭遇各类捕集溶剂相关的棘手问题。以加拿大Boundary Dam 3（BD3）项目为例，2018年GHGT14会议报告显示[1]，该碳捕集项目自2014年投运至2018年期间，始终难以按合同向下游用户供应二氧化碳。此项目不仅存在大量设计与施工质量问题，同时还长期饱受胺类吸收剂引发的严重问题困扰。SaskPower公司按照安全、可靠、效率及成本效益的优先级处理这些问题，但在解决已知问题时，新问题不断涌现，常因较长交货周期导致专用设备采购安装延迟，致使装置频繁停机且性能不达标。

2020年的报告进一步指出[2]，当时针对胺基溶剂碳捕集的研究，尚不足以全面、深入地理解胺类与烟气之间的相互作用机制。在BD3项目建设时，胺类溶剂的长期测试时长不足，所获取的测试数据未能反映出运行3000-4000小时后胺类出现加速降解的情况。在含有常见组分与不良颗粒物的烟气流中，胺类会发生降解；不同的胺类与烟气组合，其产生的降解产物以及带来的操作挑战均有所不同。由此可见，前期的碳捕集试点测试必须充分模拟大型商业化碳捕集项目的实际工况，以确保对潜在问题有足够的预见和应对能力。

溶剂相关问题的分类及影响

为有效降低大型碳捕集项目部署过程中的风险，试点测试需全面验证并确认：在长期且真实的运行条件下，溶剂相关问题应满足以下两种情形之一，即要么不会发生；若发生，则必须能够在大规模碳捕集装置上有切实可行的解决方案。此要求与多数碳捕集试点装置旨在研发或估算溶剂短期性能的测试目的存在显著差异。基于此，对溶剂潜在的相关问题进行如下分类：

（1）关键系统性风险（可能导致项目停运）：

污染物排放超标导致碳捕集装置停运（严重时可能需数月至数年整改）；
存在向水体排放的风险；
涉及操作人员的健康与安全问题；
运行成本高于预期，使得项目在经济层面失去可行性，无法实现预期的投资回报；
意外的维护成本过高，导致日常运行难以为继，进而使项目陷入经济困境。

（2）成本问题（具备边际成本优化机会）：

通过合理设计，减小设备尺寸或采用成本更低的材料，在保证性能的前提下降低建设成本；
降低溶剂补加及废物处理费用，优化运营成本结构；
提高设备性能 —— 如更高的捕集率、更低的能耗；
降低项目风险溢价，进而降低融资成本。

（3）其他问题：

工艺扰动触发装置停运，导致工厂短时间内超出全年排放许可；
腐蚀——降低设备寿命、增加废弃物处理成本，还可能催化溶剂降解；
溶剂库存或废物流可能属于危险物质；
存在生物污垢问题，可能影响系统的运行效率和稳定性。

溶剂试点测试的要点

溶剂测试旨在复现大规模碳捕集装置的关键特征，以生成具备参考价值的数据，具体涵盖以下方面：

精确模拟烟气成分及其长期运行中的动态变化，并包括溶剂净化过程；
模拟溶剂运行中经历的长期温度、压力及气体组成条件变化；
再现溶剂降解与回收及其他管理方式的交互作用，反映最终形成的复杂溶剂系统，其性质与初始清洁溶剂补加组合不同。

将拟建大型碳捕集项目的溶剂再生或净化系统纳入测试，并确保其能处理完全“污染”的溶剂，是试点测试与大型碳捕集项目相关的关键。测试周期需足够长，以验证能否维持稳定的溶剂组成，保障碳捕集系统在起泡、结垢、腐蚀等运行问题及捕集率、能耗、排放等整体性能方面表现良好。

评估溶剂的工程师应明确，需要以平均生成或进入溶剂系统的速率，移除所有降解产物和烟气杂质，同时维持良好系统性能。若试点测试无法在真实条件下验证此点，则既无法证明溶剂管理的可靠性，也不能恰当评估碳捕集装置运行性能。循环溶剂部分净化只能减缓杂质积累，唯有完全再生/净化或“排放-补加 (bleed and feed)”策略，才能彻底去除杂质。

如何设计试点测试？

目前已经开展的一些试点测试案例，确实是以部署大型商业化碳捕集项目为目标（即不是为了科研目的，而是基于特定项目及其烟气和工艺配置）。然而，必须强调的是：目前尚未有对试点装置与实际燃煤电厂大规模碳捕集装置行为之间关系的全面研究发表。

如何确定设备尺寸：当需要精确测量吸收塔和再生塔的性能（特别是填料高度），以确定大规模捕集装置的尺寸并减少建设“安全裕度”时，就需要更大规模的试点。例如，三菱在美国Plant Barry项目开展的测试规模达500吨/天（相当于25 MWe），但此大规模试点属特殊情况，或因该项目同步开展了二氧化碳封存试验 [3]。多数针对燃煤烟气的碳捕集试点测试规模约为50-100吨/天，所捕集的二氧化碳直接排放。这一规模通常被视为在成本与真实性之间实现了较好平衡。尽管如此，仍需确保测试中的气流量、速度、温度等参数与大型捕集装置相匹配。在对燃气联合循环电厂（CCGT）碳捕集改造项目的概念研究中明确指出，为获取合理性能评估，最小的填料塔直径为：再生塔0.4米，吸收塔1米，烟气捕集能力为11吨/天。需强调的是，最小填料塔直径应依据所选填料类型并与供应商确认。

如果试点测试的主要目的是考察溶剂管理、腐蚀和排放等问题，那么在满足关键条件的前提下，原则上可以采用更小规模的试验单元。

如何确定设备的材质：从“可复现性”角度来看，试点装置应优先采用不锈钢结构，因为这种材料在实验室条件下易于实现。然而，大型商业化装置可能会使用碳钢、陶瓷、塑料内衬混凝土或搪瓷钢等材料，这些材料在小型试点装置中难以准确复制。材料选择的差异可能对腐蚀、金属催化降解、生物或物理污垢等问题产生显著影响。在试点装置中，材料选择错误可能导致更严重的后果。例如，不小心引入催化性金属（如铜、锌，特别是黄铜）时，即使是一个小零件的材料错误，也可能导致“接触面积比例”非常大，从而引发不可预见的问题。

如何测试溶剂回收和净化的效果：即使使用较小规模的试验装置，仍然可以对比新旧溶剂的性能（如捕集率、能耗和排放），以评估老化溶剂的影响并指导是否需要“降额运行”。之前一篇关于溶剂回收的文章表明[4]，简单的热回收（只需在反应器中加热溶剂，收集蒸汽并丢弃残留物）可以非常有效地去除MEA中的杂质，但无法去除CESAR-1（哌嗪/AMP混合物）中的所有杂质。在中试中，离子交换已被用作CESAR-1的净化方案，但目前尚不清楚该方案是否适用于大型商业化碳捕集项目。为了回收另一种混合溶剂Shell Cansolv DC-201，在第二届英国CCS竞赛的Peterhead改造项目中，提议采用离子交换再生装置与三级热再生装置组合使用，分别在105°C和1.23 bara、75°C和约0.1 bara以及162°C和0.12 bara下运行，不过该装置尚未建造和测试。此类更复杂的再生/净化装置，可能需要达到一定规模才能高效运行（例如因热力学或化学反应效率限制），那么针对特定溶剂（如Shell Cansolv DC-201）的试点测试，就无法以更小的规模进行。

试点测试可能会运行数月，溶剂中杂质浓度会逐步上升。但这类短期的杂质组合，并不能代表在有足够清洗/再生措施下所形成的长期稳定的溶剂循环体系。在没有再生或清洗的测试中所测得的溶剂“降解”并不等同于实际“消耗”。为控制降解产生的杂质，再生/清洗过程本身会造成额外的溶剂损失，这类损耗可能与降解带来的损耗同样显著。因此，要估算总体的溶剂补加成本，也必须重现这些后续损失。

可以通过半连续操作（尤其当杂质具有催化性时）或间歇式“排放-补加”策略来维持溶剂系统中杂质的稳定浓度。但这种方式在商业化规模下往往不可行，除非能够回收“排放流”中的优质溶剂，而不是一味补加新溶剂。正如在CESAR-1热再生过程中所观察到的，返回流中可能会夹带特定杂质，最终在系统中积累至较高水平，从而影响长期运行稳定性。

小规模测试的价值: 如果能实现具有代表性的再生/清洗系统，那么小规模试验就非常有价值，因为它可以支持多个并行测试。而要建立对某一套运行条件下溶剂行为的信心，通常需要至少一年的测试周期，所以如果要依次（逐个）测试多种条件或多种溶剂，将会非常耗时。谢菲尔德大学研究团队正在开发一个低处理量的溶剂管理试验装置（SMART），规模约为0.1吨/天，配备单级或双级的半连续热再生系统。

后记

值得注意的是，无论试点规模大小，均不应期望能够完全精确地呈现溶剂相关问题。试点装置在结构与用材方面，可能与未来大型商业化装置存在差异。此外，溶剂降解、腐蚀、结垢、起泡等现象的形成原因极为复杂，目前尚未得到全面透彻的解析，这也正是试点测试的重要意义所在。即便烟气源自同一台机组，在未来应用场景中，由于燃料种类或预处理方式的不同，烟气成分亦可能出现一定程度的差异。

此外，需强调的是，试点装置的作用并不随着大型商业化项目设计方案的最终确定或装置的投产而结束。正如前面所述，大型商业化碳捕集项目运行中的溶剂相关问题可能需要数年时间才能显现。如果在主装置投产前设立的试点装置能够继续运行，它可能提前预警这些问题，并有望在这些问题对大型项目运营造成严重影响之前开发出解决方案。此外，试点装置还可以用于测试替代溶剂，以备在溶剂出现难以解决的问题时提供备选方案。

通过上述注意事项和持续测试，可以最大限度地减少未来大型商业化碳捕集项目运行中的不确定性和风险。

参考文献

[1] Preston, C., Bruce, C., & Monea, M. (2018). An Update on the Integrated CCS Project at SaskPower's Boundary Dam Power Station. In 14th greenhouse gas control technologies conference Melbourne (pp. 21-26).

[2] International CCS Knowledge Centre. (2020). Standardized Testing Eliminates Amine-Based CCS Barriers. https://ccsknowledge.com/media/standardized-testing-eliminates-amine-based-ccs-barriers/ [accessed on 21 April 2025]

[3] U.S. Department of Energy. Plant Barry CCS Project [Project profile]. https://fossil.energy.gov/archives/cslf/Projects/PlantBarry.html [accessed on 21 April 2025]

[4] 关于MEA与CESAR-1在碳捕集过程中杂质去除性能的比较，在之前的文章中已有介绍，文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XLi0h2GvoCaebcdpsyV4sg

英文原文链接 https://www.linkedin.com/pulse/solvent-post-combustion-capture-pilot-testing-projects-jon-gibbins-nxsje

声明：本文基于Jon Gibbins教授在LinkedIn的深度技术分析进行专业编译，为适应中文读者阅读习惯，对部分内容进行结构化重组。技术细节以英文原文为准。

编译：夏菖佑、崔永康

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