2060碳中和

基于AHP-TOPSIS法的碳捕集技术方案综合评估

刘 双1,2，宋学行1，尚 丽1,2，王保登3，沈 群1，熊日华3，孙楠楠1，魏 伟1

(1.中国科学院 上海高等研究院，上海 201210；2.中国科学院大学，北京 100049；3.国家能源集团 北京低碳清洁能源研究院，北京 102211)

摘 要：碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现碳中和目标的重要手段之一，高成本是目前制约CCUS大面积推广应用的瓶颈，而碳捕集是影响CCUS技术成本的主要环节。近年来，各类碳捕集技术的研发和示范受到广泛关注，但整体成熟度不高，未来发展路径仍不清晰。基于层次分析法和逼近理想解排序法，构建了一套适用于碳捕集技术的综合评估方法，从技术、低碳、经济、安全4方面对目前典型的碳捕集技术进行综合评估。结果表明，现阶段CO2捕集技术的部署主要受低碳特性影响，复合胺吸收法应用潜力居首，而随着我国未来能源、产业结构不断调整，各类碳捕集技术的应用场景及影响其综合推广潜力的因素将发生变化，其中，经济特性将成为未来影响CO2捕集技术市场渗透率的关键，因此，变压吸附法、复合胺吸收法和钙循环法将在未来CO2捕集过程中占据相对重要的地位。通过将定量分析与专家意见相结合，形成的评估结果将为碳捕集技术研发与应用提供科学思路。

关键词：碳中和；碳捕集；层次分析法；综合评估

0 引 言

工业革命以来，人类活动导致大气中温室气体(Greenhouse Gas，GHG)浓度大幅增加，是造成全球气候变化的主要原因[1]。CO2是最重要的温室气体，火电、钢铁、水泥、化工等大规模工业排放源和交通、建筑、农业等分散型排放源构成了目前CO2排放的主要来源。随着全球碳中和目标的提出和相应进程的不断推进，各类减排技术的研发、推广和应用受到广泛关注。实现社会经济深度脱碳需要多种技术体系的联合发力，如各类节能降耗技术、可再生电力技术、碳中性燃料技术等[2]，其中碳捕集、利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)是目前唯一能够实现化石能源大规模低碳利用的关键技术，将在碳中和过程中发挥重要作用[3-5]。

CCUS技术是指从各类排放源或大气中富集CO2，并通过一定技术手段利用或封存在一定地质环境中，实现其与大气隔离的技术，主要分为捕集、运输、利用和储存4个阶段[6]。2014年，政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告指出，在无CCUS技术参与的情况下，全球应对气候变化所需总成本可能上升138%[7]。2018年，IPCC又发布了一份关于全球变暖1.5 ℃的特别报告，进一步强调了CCUS在缓解气候变化和减少CO2排放方面的重要作用[8]。在以可再生能源为核心的能源革命过程中，可再生能源并不能完全满足社会经济发展所需能源消耗，化石能源将以稳定器和压舱石的角色长期存在于能源消费结构中，而这部分化石能源使用造成的CO2排放无法通过生态碳汇技术完全消纳，必须依赖CCUS技术实现减排[9]。

近年来，随着对CCUS技术重要性的不断认识，以及相关技术研发和推广的不断深化，研究者围绕CCUS开展了一系列技术评估和战略研究工作，全球主要经济体也分别提出了中长期CCUS发展路径。2019年，中国科技部发布了《中国碳捕集、利用与封存技术发展路线图(2019)》[10]，梳理了我国CCUS技术发展现状，并对未来CCUS技术的发展路径进行部署。2020年，美国国家石油委员会发布了《迎接双重挑战：碳捕集、利用和封存规模化部署路线图》[11]，报告指出CCUS技术是解决能源和气候变化风险双重挑战的关键技术之一，并提出未来25 a内CCUS大规模部署路线图。2021年，我国生态环境部等单位联合发布了《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)年度报告(2021)——中国CCUS路径研究》[12]，系统梳理了我国CCUS发展需求与潜力，并讨论了我国在CCUS政策、规划等方面的需求和工作进展。此外，部分学者也基于生命周期评估、技术经济性分析等方法在不同维度开展了CCUS技术评价，如PEHNT等[13]对褐煤电厂耦合不同CCUS技术的减排效果进行了生命周期评估；SINGH等[14]采用混合生命周期评价方法对天然气联合循环发电耦合CCS的环境影响进行评价；LEESON等[15]评估了不同CCUS技术的适用性，利用模型预测了从首次部署到2050年期间的CO2避免成本。刘博文等[16]提出了碳捕集系统碳中性评价的研究框架及方法；李健等[17]提出了CCUS项目经济性的评价方法，构建了评价模型并进行案例分析；ZENG等[18]通过SWOT分析法，分析了当前CCUS发展环境和影响CCUS发展的主要因素和障碍。

需要指出的是，CCUS整个技术链条上，碳捕集过程处于上游，其高成本是制约CCUS技术大面积推广并形成重大减排潜力的关键瓶颈[19]。然而，我国CO2排放源种类多样，在工艺特征、气体组成、排放规模、时空分布上差异巨大，而目前碳捕集技术的整体成熟度不高，未来发展潜力和适用场景尚不清晰，亟待针对各类碳捕集技术建立多维度评价方法，并开展综合评价，提出碳捕集技术可能的发展路径，以支撑相关决策。

多准则决策(Multiple Criteria Decision Making，MCDM)是一种常用的工程问题决策手段，该方法考虑多重因素，允许利益相关者参与决策过程，并产生综合性评价结果[20]。目前常用评价方法有模糊评价法、秩和比法、层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)、逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS)和多层次灰色评价法等。其中AHP和TOPSIS法对于多指标小样本评估适用性相对更好[21]，类似策略也被用于分析影响CCS项目复杂性的因素及因素间相互联系[22]。笔者从决策者角度出发，利用AHP耦合TOPSIS方法，同时考虑技术、经济、环境等多方面因素，建立了适用于碳捕集技术部署规划的综合效应评价模型，评估典型碳捕集技术，并提出了未来碳捕集技术可能的发展路径。

1 碳捕集技术综合评估方法

20世纪70年代，美国运筹学家Saaty提出了层次分析法[23]，其基本原理是根据问题性质和总体目标将问题分解为不同层次，从而将复杂问题划分为更简单、更易理解的子系统，简化决策过程。该方法模拟决策者对复杂问题的思考过程，通过一定数学定量分析方法，得出各项指标的权重数值，并进一步结合各项指标具体数值形成对决策对象进行评估的数据集。本文进一步使用TOPSIS分析法，通过综合分析得出最终评价结果。

1.1 指标集的确定

基于AHP方法基本思路，面向CO2捕集技术的推广应用潜力评估，围绕技术特性、低碳特性、经济特性、安全特性4个方面建立了3个层面共11项评价指标，从而形成了多层分析模型，其总体结构如图1所示。通过文献调研和专家访谈，保证每一项指标均有科学定义的规范概念，具有明晰内涵，符合形式逻辑的规则要求。

图1 指标层次框架分析
Fig.1 Framework analysis of index levels

1.1.1 技术特性(C1)

技术成熟度(C11)：某一碳捕集技术的适用成熟度划分。技术成熟度是指技术满足项目目标程度的一种度量，因此选取技术成熟度为技术特性指标之一。对于不同技术的成熟度应使用技术成熟度(TRL)等级进行评估，TRL等级是由美国宇航局在20世纪80年代首创的9分等级，其中等级7是关键节点，代表技术在真实环境下完整运行。不同国家和技术的成熟度界定和等级划分并不完全相同，本文参考Chauvy等级划定方法[24]。某一碳捕集技术的成熟度必然会对其规模和适用范围造成影响。随着技术不断发展，各项技术成熟度不断提高，同时技术成熟度指标影响技术推广潜力的程度也会发生改变。

行业普适性(C12)：某一碳捕集技术在不同排放行业中的普遍适用性。由于不同碳捕集技术的核心原理和捕集介质不同，其适用操作条件存在一定差别，而不同行业的排放源在温度、压力、CO2浓度等方面均存在显著差异[25]，即碳捕集技术与碳排放源之间必然存在一定匹配关系。因此，某一碳捕集技术在不同行业中的普适性必然对其推广和应用潜力产生重大影响。未来各类碳排放行业自身生产技术结构将不断变化，将对各类碳捕集技术的行业普适性产生一定影响。

技术竞争力(C13)：某一碳捕集技术与同类技术相比竞争力的强弱。碳捕集过程是CCUS体系组成部分，其减排能力的实现依赖于CCUS链条下游的碳利用和碳封存技术，因此某一碳捕集技术不但面临其他碳捕集技术的竞争，还需考虑除CCUS外的其他低碳技术竞争。因此，碳捕集技术竞争力的评估，除考虑各类碳捕集技术之间的竞争外，还兼顾未来不同时间节点上CCUS技术在各类排放行业中的减排贡献和行业普适性指标。

技术对原有工艺的影响(C14)：某一碳捕集技术应用时对原有装置、工艺的影响。CCUS作为一种末端减排技术，应用于工业过程中必然会影响原有排放源的运行情况。不同碳捕集技术的核心工艺不同，对原有过程的影响存在差异，进而影响各类碳捕集技术的推广应用潜力。随着时间推移，各类碳捕集技术对原有工艺的影响程度会逐渐降低，但其降低程度和速率存在显著差异。

1.1.2 低碳特性(C2)

技术能耗(C21)：某一碳捕集技术分离一定量CO2所需消耗的能量。CO2捕集的本质是将CO2从混合气体中分离提纯的过程，在热力学上需要能量的净输入，而目前这一能量输入大多来源于化石燃料燃烧，带来额外CO2排放。对于特定CO2捕集技术，能耗越高，CO2排放越多，直接影响碳捕集技术的减排效果。因此，能耗是评价碳捕集技术先进程度最关键的因素之一，对其低碳成效和应用推广潜力有重大影响。随着未来碳捕集技术的不断进步以及能源碳强度的持续下降，预计碳捕集技术能耗下降，显著影响碳捕集技术发展路径的综合评估结果。

能量损耗程度(C22)：某一碳捕集技术过程中因余压余热难以回收而引起的额外能量损耗。能量集成和回收是降低碳捕集过程能耗的关键技术之一，其效率与碳捕集技术操作窗口密切相关，对于工艺条件非常温和的碳捕集技术而言，虽然其直接能耗(C21)可能较低，但其产出的余热余压则由于品位过低而难以回收，能量损失程度反而较高。未来影响能量损耗的因素来自各类碳捕集技术自身工艺条件优化，同时取决于各类能量集成和梯级回收利用技术的发展。

产品气处理能耗(C23)：进一步将某一碳捕集技术所获产品气提升至满足下游需求时所需额外能耗。CO2捕集技术减排效益实现还需依赖下游处置技术，不同处置技术对CO2纯度、压力、杂质组分等有一定要求，而不同碳捕集技术产生的产品气状态不同，因此其后续处理能耗存在差异，并受技术进步和能源结构影响。

综合捕集潜力(C24)：考虑一定阶段下能源结构、排放特征、技术发展阶段等因素综合影响下某一碳捕集技术的捕集潜力。碳捕集技术的实施与化石能源消费密切相关，因此随着我国能源结构低碳化和产业结构的轻量化，各类碳捕集技术的应用场景发生显著变化，因此其综合捕集潜力变化，从而影响各类技术的发展路径。

1.1.3 经济特性(C3)

综合成本(C31)：某一碳捕集技术投资建设和运营维护的综合成本。成本是决定不同碳捕集技术经济性的关键因素，包括核心设备、物料投入等固定成本以及人工、维护等运维成本，是评估不同碳捕集技术推广应用潜力的重要指标。由于本文已设置产品气处理能耗(C23)指标，因此对碳捕集技术综合成本的判断不包括产品气压缩和输运等因素。预计未来各类碳捕集技术快速进步，碳交易等各类金融机制也会随我国碳中和进程不断推进而逐渐完善，因此碳捕集技术成本会逐渐下降。

1.1.4 安全特性(C4)

环境安全(C41)：某一碳捕集技术的实施对生态环境的潜在影响。碳捕集技术实施过程中除基本能源消耗产生额外CO2排放外，其全生命周期还存在一定水耗、废弃物等环境足迹，因此环境安全性也是评价碳捕集技术未来推广和应用潜力的指标之一。目前各类碳捕集技术的环境影响研究尚不足，但该因素的重要性会逐渐凸显。

运行安全(C42)：某一碳捕集技术运行中的传统安全特性。实施碳捕集过程所需具备的温度、压力、气氛及其对原有工艺的影响可能造成潜在的运行波动和安全隐患，从而影响运行主体对各类碳捕集技术的选择。

1.2 指标体系的权重设定

1.2.1 判断矩阵构建

比较判断矩阵是AHP法的核心，对于同一评价目标而言，各具体指标的相对重要性不同。针对这一问题，层次分析法通过各指标比较，基于Saaty九标度法进行打分(表1)，并构建权重判断矩阵，从而获取单一指标在相应层级之间的量化权重[26]。基于该方法和第1.1节设置的指标体系，基于领域专家访谈和集中讨论，形成了碳捕集技术发展路径评估的判断矩阵(表2～表5，λmax为最大特征值，CR为一致性比)。

1.2.2 一致性检验

采用CR检验比较矩阵的逻辑一致性：

(1)

(2)

表1 判断矩阵标度

Table 1 Judgment matrix scales

其中，CI为一致性检验指标；n为阶数；RI为随机一致性指标，各阶数值固定，其取值见表6。若CR<0.1，表示比较矩阵具有满意的一致性，否则需重新构造比较矩阵，直到满足一致性检验。基于上述方法，本文判断矩阵的一致性检验结果满足要求(表2～表5)。

表2 C1判断矩阵

Table 2 C1 judgment matrix

表3 C2判断矩阵

Table 3 C2 judgment matrix

表4 C3和C4判断矩阵

Table 4 C3 and C4 judgment matrix

表5 C判断矩阵

Table 5 C judgment matrix

表6 随机一致性指标RI

Table 6 Random consistency index RI

1.2.3 指标权重的确立

对上述判断矩阵进行方根法计算，通过一致性检验，得到各级影响因素指标权重，具体见表7。

表7 2025年指标体系权重分配

Table 7 Weight distribution of indicator system in 2025

1.3 AHP-TOPSIS法综合评判模型的建立

TOPSIS法[27]是一种常用的组内综合评价方法，该方法以各评价对象与最优方案的相对接近程度为评价依据，能充分利用原始数据信息。同时，TOPSIS方法对数据分布及样本含量没有严格限制，计算简单易行，有助于降低碳捕集技术评估过程中因整体成熟度较低造成的数据不足问题。由于TOPSIS法难以确定指标权重，而AHP法可弥补TOPSIS法赋权难的缺点，因此将2种方法结合，减少单一方法使用的不足，结果更具有参考价值。

1.3.1 指标正向化处理

首先将收集的原始数据进行百分化处理：

Qn=Pn/Pmax×100%，

(3)

式中，Qn为百分化数据结果；Pn为各项技术对应指标原始数据；Pmax为各项指标中对应的最大值。

指标分为正向指标和负向指标两大类，正向指标越大越有利，负向指标越小越有利。为保证呈现方式的相同，需对负向指标值进行正向化处理：

X=Qmax-Qn。

(4)

其中，X为指标正向化处理后结果；Qmax为百分化后各项指标中对应的最大值。假设有A1，A2，…，Am共m个案例组成案例集A={A1，A2，…，Am}，每个案例的评价指标X1，X2，…，Xn组成指标集X={X1，X2，…，Xn}，相应的评判指标记为Xij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，Xij表示第i个技术中第j个评判指标，则建立初始判断矩阵A：

(5)

1.3.2 指标标准化处理

定性和定量指标具有不同量纲，为消除各指标之间差异，对所有指标数据进行标准化处理，得到标准化决策矩阵B：

B=(bij)m×n,

(6)

1.3.3 建立加权标准化矩阵

标准化判断矩阵的每列与层次分析法权重wj相乘，处理后得到加权标准化矩阵M：

(7)

式中，mij为第i个技术中第j个评判指标。

1.3.4 评价对象贴近度计算

计算理想解：

(8)

式中，和分别为正理想解和负理想解的集合。

计算各评价对象到正、负理想解的距离：

(9)

(10)

式中，分别为评价对象与正理想解和负理想解的距离；分别为和相对应的元素。

对贴近度进行排序，越大，说明评价对象的优先性越高；反之，说明评价对象的优先性越低。评估对象与理想方案的贴近度为

(11)

2 典型CO2捕集技术评价

2.1 CO2捕集技术

根据碳捕集过程与燃料转化过程的时空关系差异，目前主要CO2捕集途径可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧及空气直接碳捕集4类。其中，燃烧前碳捕集是燃料燃烧前先通过气化和水煤气变换反应转化为H2和CO2，二者分离获取高纯度CO2后，氢气用于后续燃烧过程的技术手段；燃烧后捕集是燃料燃烧后，从燃烧烟气中分离CO2的过程；富氧燃烧是将基于空气分离获取的高纯度氧气用于燃烧，从而直接获取高纯度CO2的过程；空气直接碳捕集是无需考虑排放源，直接从空气中提取CO2的新型碳捕集概念。上述途径又包含多种具体碳捕集技术途径，如液体吸收法、固体吸附法等。为提升评估结果的客观性，本工作未纳入富氧燃烧、化学链、膜分离等技术，选择单乙醇胺(MEA)基吸收法、复合胺吸收法、相变吸收法、变温吸附法、变压吸附法、钙循环法6项碳捕集技术作为评估对象，上述技术均涉及CO2与一定介质发生物理或化学相互作用，在本质原理上具有较好的可比性。

液体吸收法是目前最成熟的碳捕集技术，其中单乙醇胺(MEA)技术已在天然气净化工业中得到商业应用。该类技术基于CO2酸性特征，利用碱性溶剂与CO2的酸碱反应实现气流中CO2选择性分离。CO2与溶剂反应形成的产物可通过加热分解，实现溶剂再生并产出高纯CO2气流。MEA基吸收法吸收能力高，吸收速率快，但解吸过程能耗高，且溶剂具有腐蚀性，对设备造成一定损耗[28]。针对上述问题，研究者开发了多种有机胺吸收剂联用的复合胺吸收法[29]。为进一步降低液体吸收技术能耗，近年来相变吸收法逐渐成为研究热点，该技术通过特定吸收剂体系的创新设计，使CO2吸收过程中发生贫富液分相，因此仅需解吸富含CO2的富相溶液即可实现吸收溶剂的循环再利用[30]。

固体吸附技术能规避液体吸收技术中加热溶剂所需无效热耗，因此理论能耗较低，被认为是一种典型的第2代碳捕集技术。根据吸附剂再生驱动力不同，吸附法碳捕集技术又分为变温吸附和变压吸附，其中变压吸附技术是最传统的物理吸附工艺，利用吸附剂对不同气体吸附量随压力变化的特性，在加压、减压过程中完成气体分离及吸附剂循环再生[31]。变温吸附法利用吸附剂吸附能力随温度升高而降低的特性，对混合烟气进行分离，得到纯度较高的CO2气体[32]。固体吸附技术中，吸附剂是核心单元，因此需选择吸附量性高、稳定性好的吸附剂增强吸附效果。变压吸附法与变温吸附法作为溶剂吸收法的替代技术，由于温度和压力的适用性，可适用于不同行业，通过灵活调节满足捕集条件。

钙循环技术利用CaO和CO2的可逆化学反应，完成CO2捕集。工业尾气中CO2首先与吸附剂CaO进行碳酸化反应，在约900 ℃下进行煅烧反应，使吸附剂循环再生，同时获得高浓度CO2[33]。相比大多碳捕集技术，钙循环过程的突出特征是其高温操作环境会影响过程供能方式，但同时有利于碳捕集过程的能量回收和再利用，如有学者提出了基于钙循环技术的碳捕集-储能协同概念，即在日间利用太阳能对碳酸钙固体进行高温煅烧，生成CaO和CO2，而需要动力时，将存储的CaO和CO2进行碳化反应释放能量[34]。最后，钙基吸附剂还可通过回收利用钙基固体吸附剂转化获得，极大降低了碳捕集成本，减少了废弃物污染。各项技术的优缺点见表8。

表8 不同CO2捕集技术优缺点

Table 8 Advantages and disadvantages of different CO2 capture technologies

2.2 典型CO2捕集技术评价

指标数据集中的数据包括定性指标(技术成熟度、行业普适性、技术竞争力、技术对原有工艺的影响、能量损耗程度、产品气处理消耗、综合捕集潜力、环境安全、运行安全)和定量指标(技术能耗、综合成本)。定性指标根据专家对不同碳捕集技术的发展情况打分。定性指标采用打分进行定量化评估，采用直接打分法，所有打分均在0～100。定量指标基础数据通过文献调研，对现有技术进行总结(表9)[6,30,33,35-40]。将技术成熟度C11、技术能耗C21(GJ/t，以CO2计)和综合成本C31(元/t，以CO2计)等在原始数据基础上进行百分化(式(3))，构建各项指标数据集。

表9 2025年各项技术指标原始参考数据

Table 9 Original reference datas of technical indicators in 2025

以2025年为基准年进行评价，首先基于文献调研，对各类碳捕集技术评估指标进行打分，再进行百分化处理，结果见表10。

表10 2025年各项技术指标参考数据

Table 10 Reference datas of various technical indicators in 2025

对各项碳捕集技术进行单一特性评价，根据式(5)建立技术特性初始评判矩阵：

(12)

根据式(6)、(7)建立加权标准化矩阵：

(13)

根据式(8)求得正理想解和负理想解分别为

(14)

根据式(9)、(10)得出各方案与正理想解和负理想解的距离为

MEA基吸收法：

(15)

复合胺吸收法：

(16)

相变吸收法：

(17)

变温吸附法：

(18)

变压吸附法：

(19)

钙循环法：

(20)

根据式(11)，各项碳捕集技术到理想解的贴近度为

(21)

类似技术特性的评判过程，进一步对低碳特性、经济特性、安全特性进行测算，获取各项碳捕集技术与理想解之间的贴近度，结果如图2(a)所示。

图2 贴近度比较
Fig.2 Comparison of the nearness degree

贴近度反映评价对象距离正理想解远离负理想解的程度，一般情况下越靠近正理想解越接近1，靠近负理想解越接近越大，说明所评价对象的优异性越高。由图2(a)可知，在技术指标层面，复合胺吸收技术性能最优，主要原因是该方法成熟度领先，已在电力、钢铁、水泥等行业开展若干规模化示范，仅从技术层面而言，复合胺吸收技术不会对燃料燃烧过程和现有工艺产生显著影响。在低碳指标层面，相变吸收法捕集技术具有一定优势，主要是由于现阶段技术能耗指标(C21)是考量各类碳捕集的关键，而在各类已报道的规模化碳捕集技术中，相变吸收法的运行能耗为2.3 GJ/t(以CO2计)[31]，显著低于其他技术。通过层次分析法对各项指标进行权重量化后发现，目前各项主流碳捕集技术的低碳成效是评选技术的重要考虑因素。从技术层面看来，各类碳捕集技术能耗高，还需进一步探索新型吸附剂，创建高容量、低成本、可持续循环使用的CO2捕集系统，提高整体CO2捕集效果。在经济指标层面，目前复合胺吸收法综合成本最低，工程案例最多。在安全指标层面，变温吸附法具有较高贴近度，环境影响程度低。

基于上述评判过程，可进一步得到6项碳捕集技术综合评价结果，各项技术综合指标与理想解的贴近度如图2(b)所示，预测2025年各项碳捕集技术推广程度依次为：复合胺吸收法>相变吸收法>钙循环法>变温吸附法>变压吸附法>MEA基吸收法。

2.3 典型CO2捕集技术未来综合评价

随碳中和进程推进，我国未来能源消费和产业结构特征发生显著变化，未来不同时间节点上，各类因素对碳捕集技术发展路径的影响力不断变化，因此本文仍采用上述指标权重确立的方法，建立了随年份变化的指标权重，变化趋势如图3所示。可知随相关研发和示范工作的推进，未来各项碳捕集技术的成熟度逐渐提升，且在强制碳减排的外部压力下，各类碳捕集技术对相应应用场景的渗透度会持续增长，因此技术特性类指标的影响力均有所下降。此外，本文涉及的大多数碳捕集技术操作温度区间相对较低(<200 ℃)，随着未来可再生电力供应和工业过程低温热源电气化技术的不断发展，能耗类指标对碳捕集技术的影响将明显下降。相反，随着碳捕集技术在2035—2050年大规模商业化推广，成本将成为技术选择的重要因素，同时环境安全和运行安全的重要性更凸显。

图3 2025—2060年权重动态变化趋势
Fig.3 Weight dynamic change trend from 2025 to 2060

参考2019年发布的《中国碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展路线图研究》[10]，第1代技术包括胺基溶剂和物理溶剂如聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。第2代技术包括新型吸收技术、新型吸附技术、化学链燃烧技术等。到2035年，第1代捕集技术的成本与能耗相比目前降低10%～15%，第2代捕集技术的成本与第1代接近。到2035年，第1代捕集技术的成本及能耗与目前相比降低15%～25%；第2代捕集技术实现商业应用成本比第1代技术降低5%～10%；到2040年，第2代捕集技术成本比当前捕集成本降低40%～50%。以上述报告内容为基准，结合专家对各项碳捕集技术的发展情况进行调整。最终以2030年、2035年、2050年和2060年为评估年份，对6项不同碳捕集技术的各类评估指标进行预测，具体见表11～14。

表11 2030年各项技术指标参考数据

Table 11 Reference data of various technical indicators in 2030

表12 2035年各项技术指标参考数据

Table 12 Reference data of various technical indicators in 2035

表13 2050年各项技术指标参考数据

Table 13 Reference data of various technical indicators in 2050

表14 2060年各项技术指标参考数据

Table 14 Reference data of various technical indicators in 2060

图4 2025—2060年各项CO2捕集技术综合贴近度比较
Fig.4 Comparison of comprehensive nearness degree of each CO2 capture technology from 2025 to 2060

进一步使用AHP-TOPSIS法进行评估，得出各技术在2025—2060年的贴近度结果如图4所示，进一步获得未来不同时间节点上各类碳捕集技术的发展路径见表15。复合胺吸收技术将在未来有持续性优势，这主要与其领先成熟并推广、易于大型化、与各类排放源的兼容性好等因素有关；另一方面，近年来相关研究机构不断围绕高效吸收药剂、能量集成创新、低碳能源介入等探索进一步降低复合胺碳捕集技术能耗的可行路径，预计未来该技术成本仍然存在一定下降空间。相变吸收技术由于低能耗，预计会在近中期取得部分应用，但随着未来直接排放源减少，相变吸收过程的工艺复杂性将会对其竞争力产生影响，因此该技术在远期应用潜力可能相对有限；变压吸附技术本质上是物理变化过程，成熟度高、环境友好，现阶段应用受限的主要原因在于其操作窗口与大多数排放源不匹配，从而造成碳捕集能耗过高，随着我国以可再生能源为主的新型电力系统逐渐成熟，以电耗为主要供能方式的变压吸附技术有望在2035年后开始加速推广并占据引领地位；钙循环法是较特殊的一项技术，其突出特征在于过程能量集成性强，且与建材行业存在天然关联，因此其整体发展态势相对平稳，预计随未来工业过程电气化和低碳建材制备技术不断发展，钙循环法的应用场景会先增加后减少，在所有碳捕集技术中，应用潜力处于中游；变温吸附技术相比变压吸附技术具有吸附选择性高、适用于低浓度排放源的优势，但目前规模化工艺仍然存在难点，如果技术层面没有重大突破，其未来应用场景相对有限；MEA基吸收技术是最传统的碳捕集方法，但能耗高、环境足迹显著，目前已被复合胺法替代，不具备竞争力。

表15 2025—2060年CO2捕集技术综合评估排名变化趋势

Table 15 Change trend of CO2 capture technology comprehensive assessment ranking from 2025 to 2060

3 结 论

1)随时间发展，不同评价指标对碳捕集技术发展路径的影响不同。初期，技术成熟度较低时，技术的低碳特性在整个评估指标中的影响最重要；后期，随着CCUS技术商业化应用不断推进，经济特性成为重要影响因素。

2)目前，具有综合优势的碳捕集技术是复合胺吸收法，其在技术、低碳、经济特性表现优秀；其次为相变吸收法，极低的能耗特点使其在低碳特性中表现相对优秀；钙循环法作为一项特殊技术，发展还不够成熟，整体处于平均水平；变温吸附法和变压吸附法在经济和低碳特性中表现不足；MEA基吸收法在技术、低碳、经济、安全特性上表现较差。

3)随着各技术不断发展和我国未来能源、产业结构不断调整，各类碳捕集技术应用场景、影响其综合推广潜力的因素将发生变化，预计变压吸附法、复合胺吸收法和钙循环法将在未来碳捕集过程中占据重要地位，而相变吸收法和变温吸附法的应用场景相对有限，MEA基吸收法由于整体性能较差而逐渐淘汰。

4)总体而言，目前CO2捕集技术实施成本较高，主要原因在于主流技术能耗较高，如何降低能耗是研发重点方向。为加快CO2捕集技术的研发和推广，一方面需加强技术创新，尤其是高性能捕集介质、低能耗工艺、创新技术路径等，同时通过设置相关财税等激励政策等，鼓励重点行业企业开展碳捕集技术示范和应用，加快规模化低成本碳捕集技术的快速成型。在上述基础上，应进一步基于技术实际运行工程数据，结合各类碳捕集技术应用场景，不断开展更深入和颗粒度更小的技术评估工作，以期为不同时间节点上各类碳捕集技术路径的比选提供可靠依据。

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Comprehensive assessment of development path of carbon capture technology based on AHP-TOPSIS method

LIU Shuang1,2,SONG Xuehang1,SHANG Li1,2,WANG Baodeng3,SHEN Qun1,XIONG Rihua3,SUN Nannan1,WEI Wei1

(1.Shanghai Advanced Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201210,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy,CHN Energy,Beijing 102211,China)

Abstract：Carbon capture, utilization, and storage (CCUS) offers an important option to achieve carbon neutrality, however, cost-ineffectiveness hinders the widespread application of CCUS. Among the technical chain of CCUS, carbon capture is the major contributor to the entire cost of CCUS. Recently, the development and demonstration of various carbon capture technologies have received extensive attention, but their overall maturity is still low, and future development path is still unclear. Based on the analytic hierarchy process and technique for order preference by similarity to ideal solution, a set of new methodology was established for the evaluation of carbon capture technology, and several typical carbon capture technologies were comprehensively analyzed from aspects including technology, low carbon, economics and safety. It is found that the deployment of carbon capture technology is mainly affected by their low carbon features at the present stage, and the composite amine absorption method possesses the greatest potential at present. However, with the continuous adjustment of energy and industrial structure in the future, the application scenarios of various carbon capture technologies and the factors affecting their deployment potential will change, and the economic features will become the key to determine the market penetration rate. Therefore, it is expected that pressure swing adsorption, composite amine absorption, and calcium looping will play a relatively important role in the future. By combining quantitative analysis with expert opinions, the evaluation results of this paper may provide scientific and objective guidance to the research and application of carbon capture technologies.

Key words：carbon neutrality;carbon capture;analytic hierarchy process;comprehensive evaluation

中图分类号：X32

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2023)01-0001-14

孙楠楠 研究员 中国科学院上海高等研究院

孙楠楠，博士，中国科学院上海高等研究院建制化中心副主任，研究员，博士生导师，中国科学院青年创新促进会成员，入选上海市青年拔尖人才，中国可持续发展研究会碳中和专业委员会委员。2011年于中国科学院山西煤炭化学研究所获博士学位，同年留所工作，任助理研究员；2012—2014年，于英国诺丁汉大学进行博士后研究；2014年加入中国科学院上海高等研究院。主要研究领域为CCUS关键技术和战略，先后承担中国科学院战略性先导科技专项、上海市科委重大专项、内蒙古科技厅重大专项、上海市自然科学基金、山西省自然科学基金等项目。作为主要作者参与编写《中国二氧化碳利用技术评估报告》和《中国碳捕集利用与封存技术发展路线图(2019版)》，《中国CCUS技术评估报告》执行副主编和《上海市科技支撑碳达峰碳中和行动方案》编写组主要专家。在Joule、Energy & Environmental Science、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces、ChemSusChem、Carbon等国内外重要学术期刊发表论文30余篇，授权国家发明专利5项。

收稿日期：2022-09-27;责任编辑:白娅娜

DOI：10.13226/j.issn.1006-6772.CN22092701

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基金项目：上海市科学技术委员会资助项目(19ZR1463500，21692112200)

作者简介：刘 双(1999—)，女，天津人，硕士研究生。E-mail：liushuang@sari.ac.cn

通讯作者：孙楠楠(1983—)，男，河南南阳人，研究员，博士生导师，博士。E-mail：sunnn@sari.ac.cn

引用格式：刘双，宋学行，尚丽,等.基于AHP-TOPSIS法的碳捕集技术方案综合评估[J].洁净煤技术，2023,29(1):1-14.

LIU Shuang,SONG Xuehang,SHANG Li，et al.Comprehensive assessment of development path of carbon capture technology based on AHP-TOPSIS method[J].Clean Coal Technology，2023,29(1):1-14.