碳捕集技術認證方法及適用性評估技術研究

摘 要 結合DNV?RP?J201標準介紹了碳捕集技術認證和適用性評價的方法，給出了技術評價、風險評價、認證計劃實施、功能評價等評估步驟和具體案例，并針對該技術提出了建設故障率數據庫、開發量化風險評估方法、形成技術標準等發展建議。

關鍵詞 碳捕集技術 認證方法 適用性評價方法

中圖分類號 TQ127.1+2" "文獻標志碼 B" "文章編號 0254?6094（2025）02?0345?06

“碳達峰、碳中和”（以下簡稱“雙碳”）是我國當前的重大發展戰略，國務院制定的《2030年前碳達峰行動方案》中明確指出，到2025年，非化石能源的消費比重要達到20%左右，單位國內生產總值能源消耗要比2020年下降13.5%，單位國內生產總值CO排放要比2020年下降18%[1]。為了達到這個目標，除了節能減排，利用新型能源、裝備等措施外，碳捕集和碳封存（CCS）技術也成為直接降碳的重要手段之一，并得到了越來越廣泛的研究和應用。

目前，我國碳捕集技術應用主要集中在電力行業，常用的技術依據碳捕集的技術環節，主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒;而按所采用的分離工藝方法大致分為4類：溶劑吸收法、吸附劑吸附法、膜法、低溫分離法。文獻[2～4]介紹了各類技術的主要特點和未來發展趨勢。除了這4類主要的分離工藝外，新的CCS技術也不斷涌現，國內外有多種不同的CO捕獲技術也正在開發和測試中，如生物技術。需要注意的是，開發和實施大規模CO捕集技術的主要挑戰是確保其成本效益高、可靠、安全和環保，石化以及能源生產行業進行大規模CO捕集的CCS技術工藝開發，需要進行持續的規模放大和驗證實驗，一旦發生技術事故則會對企業效益和技術應用產生不良影響。針對這一問題，挪威船級社DNV提出了CCS新技術的鑒定認證方法和指導標準DNV?RP?J201，利用該標準可以對CCS新技術鑒定認證，從而確認新技術是否符合預期用途的規定要求，從功能、風險以及成熟度等方面對技術進行評價，并提出改進和認證措施，為新CCS技術的應用提供支撐[5]。

綜上所述，我國CCS技術應用前景十分廣闊，新技術的應用也勢必帶來新的挑戰，但目前國內對于CCS技術的適用性卻沒有研究和論述。因此結合DNV?RP?J201標準介紹了碳捕集技術認證和適用性評價的方法流程，給出了評估案例，并探討了技術未來需要完善的建議，為我國未來CCS新技術的發展和企業的合理選擇提供技術基礎。

1 碳捕集技術認證和適用性評估技術路線

DNV提出的CCS技術認證和適用性評估方法主要包括確定評估依據、技術評價、技術風險評價、制定認證計劃、執行認證計劃、功能評價，如圖1所示。

1.1 確定評估依據

確定評估依據是評估的第一步，也是非常重要的一步，需要收集相關資料，并制定明確的認證文件來定義碳捕集技術的合格驗收標準、整個技術生命周期的預期性能，規范新技術的所有壽命階段及所有相關參數等，其中包括所評估系統邊界和邊界條件、安全、健康和環境（SHE）要求、可靠性目標、制造和質量保證的主要原則等，還要規定所需要的技術文件，例如PID、PFD等。一般還需要制定關鍵參數列表來記錄技術的關鍵控制參數，如尺寸載荷、容量以及認證的基礎功能要求等。

1.2 技術評價

技術評價的目的是將所評估的碳捕集技術劃分為可管理的要素，以評估這些要素涉及新技術的各個方面影響，并確定關鍵挑戰和不確定性。

1.2.1 碳捕集工藝技術分解

為了充分理解和評估碳捕集技術中的技術要素，需要將技術分解為可管理的單元。CO捕集技術分解分為按部件和按工藝兩種不同技術分解方法，需要根據具體情況選擇最合理的劃分方法。按部件的分解方法將整個技術分解為具有功能的子系統和部件，通常從工藝裝置的一般工藝流程圖（PFD）開始。然后應列出PFD中的每個操作系統、子系統、部件、子部件等單元，并將其分解為詳細的部分，以便后續分析。圖2給出了以某吸收器為例的典型燃燒后捕集裝置的技術分解示例[6]，可見按部件的技術要素分解要考慮的層級較多，需細化到具體的部件來進行后續評估。

另一種技術分解方法是按碳捕集的工藝流程進行分解，可以從PFD開始，對于PFD中的每個化工操作單元或設備，可以依據其工藝特點劃分為多個單元工藝，例如流體流動過程、傳熱過程、傳質過程、化學反應、機械過程等。這種方法將提高發現與單個部件不直接相關的新要素的可能性。圖3顯示了按工藝進行技術分解的示例，在使用胺從煙氣中分離CO的碳捕集技術中，氣體吸收、熱交換、汽提和氣體壓縮可以分解為單元工藝。

1.2.2 技術成熟度評估

CCS的新技術通常是從現有成熟技術發展而來的，因此，只有采用前述方法被分解后的某些單元要素才更適合進行成熟度評估。為了識別和關注技術中不確定因素和技術成熟度水平，表1中定義了技術成熟度分類方法。技術成熟度評估結果將用于將評估工作重點放在排名最高、不確定性最高的要素上。表1中評定為1級的技術是經過驗證的技術，沒有新的技術不確定性，可以使用經過驗證的鑒定、測試、計算和分析方法來記錄性能。這些要素應通過常規設計流程進行處理，使用成熟的工程設計方法，并實施充分的質量保證和質量控制，以確保碳捕集裝置的可靠性;而被評為2～4級的技術被定義為技術不確定性程度不斷增加的新技術，屬于這些類別的要素應根據后續的工作流程進行認證。

1.3 技術風險評價

技術風險評價的目標是針對技術成熟度評估中定義為新技術的要素，識別其所有相關損傷、失效、故障及危害等情況，并針對每種情況判斷相關威脅和風險。其評價方法與風險評估、故障分析等工作流程類似，首先定義各種類別的失效和故障概率以及反映后果嚴重性的類別，然后對于每種失效和故障模式，通過分配概率等級和后果等級對風險進行排序，通過定義風險矩陣來確定風險水平和可接受風險。

表2顯示了失效概率等級的示例，以設備故障率1.0次/年到0.000 1次/年為跨度。低失效概率為0.001次/年，中失效概率為0.01次/年，高失效概率為0.1次/年。

與概率等級類似，判斷后果等級包括人身傷害、污染或生產的具體影響等后果，例如，重大傷害、中度污染和長達2天的停工時間可被視為同等嚴重的事件，具體列于表3。在選擇單個后果等級時，應以產生最高等級影響的類型為準來定級。

對于特定的CO捕集技術，失效后果可以大致分為3類，即：人員受傷、污染或生產問題，失效后果的分級可以根據碳捕集和碳封存（CCS）裝置的規模和功能要求來確定，例如表4給出了在基于胺吸收的典型燃燒后碳捕集工藝評估中的后果等級確定方法。

最后，風險可以定義為概率和后果的乘積，并用風險矩陣的形式進行展示，這與傳統的風險理論是一致的，可以根據表5所列的風險矩陣對關鍵故障模式進行排序。其中，低風險為可接受風險;中風險單獨來看可以接受，但是應考慮降低風險的措施;高風險為不可接受風險，必須采取降險措施。同時，一些風險可以通過措施有效緩解。

1.4 制定和執行認證計劃

CCS認證計劃的制定和執行的目的是在已識別的失效模式和風險的基礎上，進一步采用必要的技術手段對不成熟技術中所存在的風險進行確認，以保證系統能夠具有足夠的性能裕度并能夠達到預定目標，其主要步驟如下：

a. 根據評估依據上設定的要求，分析和選擇每種失效模式的認證方法。

b. 制定技術認證計劃，以說明如何評估每種故障模式的性能裕度。

c. 詳細描述如何執行每種選定的認證方法。所采用的技術認證方法主要包括根據以往的經驗確認、分析方法、數值模擬方法、實驗方法、中試實驗等。

1.5 功能評價

最終進行功能評價的目標是確認符合評估依據中規定的性能、功能要求或目標可靠性。進行性能評估是為了量化技術的整體性能，并將其與評估依據中規定的裕度進行比較。如果尚未實現最終驗收，可以提出設計改進建議或進一步認證活動;或者可以降低技術的操作范圍，但要確保有足夠的性能裕度。最壞的情況是，該技術不能通過評價。

2 碳捕集技術認證和適用性評估案例

下面以某燃燒后胺吸收CCS裝置為例，介紹使用以上技術的評價案例[7]：

a. 確認評估依據和關鍵參數指標，該CO捕獲裝置的功能要求CO捕獲率達到85%以上。

b. 技術分解，這里以吸收器為例，表6顯示了吸收器按部件技術分解結果，其分解成不同功能的部件。

c. 在上述技術分解基礎上，按照表1對各分解的部件要素進行技術評價，即評價其成熟度，具體見表7。

d. 對成熟度較低的新技術進行風險評價，以成熟度級別為3級的吸收器分布器為例，根據表4進行評估，結果見表8。

e. 最后對高風險機理制定認證計劃及性能評價，并根據計劃評估其性能是否能夠達到要求，結果見表9。

3 技術發展探討和建議

筆者結合DNV?RP?J201標準介紹了碳捕集技術的評估認證步驟和基本原理，可以了解到該方法系統評估了碳捕集裝置設備和技術的成熟度、風險因素以及性能裕度，對于提高裝置可靠性，幫助企業選擇合適的CCS技術路線具有很重要的意義。DNV通過該驗證技術已在Aker公司的海上設施模塊化碳捕集裝置、殼牌垃圾焚燒電站碳捕集技術等場景進行了技術認證，因此也需要得到我國碳捕集技術相關企業的重視和關注，以推動我國碳捕集技術在國際市場的創新發展。

另外，該方法作為權威認證機構DNV研發出來的一項認證技術，主要依托DNV本身實施，其影響力和權威性也是碳捕集技術研發和應用單位所普遍認可的。但另一方面，隨著技術的發展，更多新技術也在不斷涌現，應用單位也面臨更多的選擇和不確定性，也亟需對各種CCS建設方案進行適用性評估，這就需要與技術最新發展相結合，更深入地研究此項技術方法，積累更廣泛的CCS失效故障和應用情況數據，建立相應的故障率數據庫，開發更為詳細的技術分解和量化風險評估方法，形成自己的技術標準，才能更加準確地評估CCS新技術的應用風險和效益，而且這對于預防CCS裝置新技術應用導致的承壓類特種設備安全事故，提高設備的檢驗維護水平也具有一定意義。因此，建議國內研究、檢驗和認證機構可以進一步關注CCS新技術動態和應用情況，積累相關數據和經驗，從而為CCS技術發展提供更多的支持。

4 結束語

結合DNV?RP?J201標準介紹了碳捕集技術認證和適用性評價的方法流程，給出了評估案例，并探討了該技術未來建設故障率數據庫、開發更為詳細的技術分解和量化風險評估方法、形成技術標準等發展建議。該技術能夠為我國未來碳捕集新技術的發展和提升企業碳捕集項目效益，避免安全事故的發生提供支撐，希望能夠得到進一步的研究和應用。

參 考 文 獻

[1] 中華人民共和國國務院.2030年前碳達峰行動方案[EB/OL].（2021-10-24）.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5649731.htm？eqid=9a2bce1c00 09 d71e0000000664813369 .

[2] 謝輝.二氧化碳捕集技術應用現狀及研究進展[J].化肥設計，2021，59（6）：1-9.

[3] 鐘驊.面向未來的二氧化碳捕集、利用和封存技術[J].中國工業和信息化，2022（2）：16-22.

[4] 溫翯，韓偉，車春霞，等.燃燒后二氧化碳捕集技術與應用進展[J].精細化工，2022，39（8）：1584-1595;1632.

[5] DNV.Qualification procedures for CO2 capture technology：DNV?RP?J201[S].Norway：Det Norske Veritas，2010.

[6] 王偉健.一種基于二氧化碳捕集吸收塔裝置的系統優化設計[J].中國設備工程，2022（10）：105-106.

[7] PRINCIPAL G N C，MANAGER R C P，ENGINEER B D P，et al.CO2 Removal from Power Plant Flue Gas?Cost Efficient Design and Integration Study?ScienceDirect[J].Carbon Dioxide Capture for Storage in Deep Geologic Formations，2005，1：99-116.