在全球气候变化和“双碳”目标背景下，减少温室气体排放已成为人类社会面临的共同挑战。碳捕集、利用与封存技术（Carbon Capture, Utilization and Storage，CCUS）被认为是实现大规模减排、推动能源体系低碳转型的重要技术路径。其中，二氧化碳（CO₂）的运输与储存是 CCUS 体系中的关键环节，其能耗和成本约占整个 CCUS 系统的 10%–25%，直接制约着该技术的工程化应用与经济可行性。

目前，CO₂ 储存主要采用高压液态储存方式，但该方法通常伴随着多级压缩和较高的能耗，对设备安全性和投资成本提出了较高要求。因此，系统性比较不同 CO₂ 储存工艺的能效与经济性，并对其进行优化设计，对于降低 CCUS 全流程能耗、提升投资回报具有重要意义。

近日，华南理工大学化学与化工学院樊栓狮、王燕鸿团队基于 Aspen 系列流程模拟软件，对年处理规模为 100万吨 CO₂ 的储存单元进行了系统模拟与优化研究，构建并对比分析了三种典型 CO₂ 储存工艺：高压液态二氧化碳储存（HPLCD）、优化液态二氧化碳储存（OLCD）以及水合物法二氧化碳储存（HCD）。研究从比能耗、能效以及经济性等多个角度，对三种储存技术的综合性能进行了深入评估。

研究结果表明，在相同处理规模条件下，高压液态二氧化碳储存（HPLCD）、优化液态二氧化碳储存（OLCD）和水合物法二氧化碳储存（HCD）三种工艺在能耗和能效方面存在明显差异。三种工艺的比能耗分别为 0.0958、0.0895 和 0.0614 kWh/kg CO₂，其中水合物储存工艺（HCD）表现出最低的单位能耗。传统高压液态储存工艺由于需在常温下进行高压多级压缩，压缩能耗占比较高，其整体能效为 54.61%。通过引入遗传算法对液态储存工艺关键参数进行优化，形成的优化液态储存工艺（OLCD）在压缩与制冷能耗之间实现了更优匹配，使比能耗降至 0.0895 kWh/kg CO₂，较传统工艺降低了 9.24%，同时能效提升至 77.26%，显著提高了系统能量利用水平。水合物法二氧化碳储存工艺（HCD）通过在相对较低压力条件下实现 CO₂ 固化，有效降低了压缩能耗需求，尽管水合物生成过程中需要一定的制冷能量，但其综合比能耗仍降至 0.0614 kWh/kg CO₂，能效达到 60.02%，在降低 CO₂ 储存环节能耗方面展现出明显优势。

图1.三种储存工艺中SPC的比较

在经济性分析方面，研究对三种储存工艺的设备投资、运行维护成本及电力消耗进行了系统评估。结果显示，HPLCD、OLCD 和HCD 工艺的年总成本分别为 6511 万元、6078 万元和 4395 万元，水合物储存工艺在年总成本方面具有明显优势。进一步基于净现值（NPV）和内部收益率（IRR）的敏感性分析表明，CO₂ 销售收益是影响系统经济性的最关键因素，在所研究的参数范围内，HCD 工艺始终表现出最高的 NPV和 IRR，具有最优的投资价值。

图2. 净现值（NPV）随二氧化碳销售利润变化的变化

图3. IRR值随二氧化碳销售利润的变化

机理分析认为，水合物法 CO₂ 储存可在相对较低压力条件下实现气体固化，显著降低了压缩能耗，同时水合物体系具有一定的自保效应，在安全性和长期储存方面具备潜在优势。尽管该工艺在设备结构上相对复杂，但其在能耗、经济性和安全性方面的综合优势，使其在大规模 CO₂ 储存场景中展现出良好的应用前景。

相关研究成果以 “Design and Optimization of Carbon Dioxide Storage Technology:Energy Efficiency and Economic Analysis”为题，发表于能源领域国际期刊《Energy & Fuels》。论文通讯作者为华南理工大学化学与化工学院王燕鸿副研究员，第一作者为华南理工大学化学与化工学院硕士研究生许正祥，合作者还包括郎雪梅副研究员、樊栓狮教授和李刚教授。该研究得到了广东省海洋经济发展专项、广州市重点研发计划以及国家自然科学基金的支持。

Zhengxiang Xu, Xuemei Lang, Shuanshi Fan, Gang Li, andYanhong Wang*.Designand Optimization of Carbon Dioxide Storage Technology: Energy Efficiency andEconomic Analysis[J]. Energy & Fuels.2024,38(8).7108-7120.DOI:10.1021/acs.energyfuels.4c00276