欧洲纸浆与造纸行业中循环经济（CDR）的潜力与挑战

《Frontiers in Climate》：Potential and challenges for CDR in the European pulp and paper sector

　　摘要
欧洲纸浆和造纸行业通过实施二氧化碳捕集与封存（CCS）技术，具有大规模、永久性二氧化碳去除（CDR）的巨大潜力，估计年去除量可达50百万吨。尽管相关研究已对该行业进行了探讨，但成果相对于许多其他行业来说仍较为有限，并且在不同类型的工厂、运营条件和地理位置下，成本和性能存在显著差异。多项评估指出，北欧的硫酸盐法纸浆厂是成本效益最高的选项之一。然而，纸浆厂黑液回收锅炉烟气中包含的碱性物质、硫化合物、氯化物、微量元素等成分，对二氧化碳捕集过程带来了挑战，可能引发溶剂降解、泡沫形成、污染、腐蚀以及运行稳定性问题。基于瑞典某硫酸盐法纸浆厂黑液回收锅炉烟气进行的试点测试结果，本文认为需要更多公共领域的研究来深入理解这些因素在碱性溶剂二氧化碳捕集中的物理化学机制。要释放纸浆和造纸行业的CDR潜力，还需要一个支持性的监管框架和有利的金融条件，包括大规模购买CDR证书的市场。鉴于其较长的投资周期（最长可达40年），本文呼吁制定超越2050年的稳定、可持续、气候中立的经济发展方案。

1. 引言
二氧化碳去除（CDR）在实现净零二氧化碳排放目标中起着关键作用，是IPCC碳中和路径的核心组成部分（Calvin等人，2023年），因为剩余的碳排放预算正在迅速减少（Forster等人，2025年）。根据国际能源署（IEA）的净零排放情景，超过1.5°C的温度升幅被认为是不可避免的，但通过能源行业的快速转型和广泛部署CDR技术，预计到2050年温度升幅有望降至1.5°C以下（《世界能源展望》，2025年）。欧盟在其工业碳管理战略中也认识到，CDR是实现2050年气候中和目标的必要手段（欧盟委员会，2024a）。

永久性、可量化的CDR主要途径之一是生物碳捕集与封存（BioCCS）——即从部分或全部生物源排放中捕获并封存二氧化碳。在纸浆和造纸行业中，这些工厂通常 merupakan重要的排放源，其二氧化碳排放中高达100%来自黑液回收锅炉中生物质副产品的燃烧。许多工厂拥有过剩的热量（Cruz等人，2021年），这有助于减少二氧化碳捕集所需的额外燃料。因此，与其他CDR方案相比，该行业在实现高捕集效率的同时，对土地使用、生物多样性和生物质供应链的压力较小。本文简要回顾了纸浆和造纸行业的CCS和CDR潜力，以及黑液回收锅炉烟气成分和杂质对碱性二氧化碳捕集系统可能产生的影响。目前，公开的科学文献中尚未有针对黑液回收锅炉烟气直接进行燃烧后二氧化碳捕集的详细试点或大规模测试报告，尽管已宣布了一些工业试点项目。这限制了评估技术风险、识别关键污染物和制定有效缓解策略的能力。因此，本文总结了在瑞典某硫酸盐法纸浆厂进行的二氧化碳捕集试点测试结果，并指出测试过程中遇到的挑战需要进一步研究烟气成分及烟气与碱性溶剂之间的相互作用。最后，本文讨论了在纸浆和造纸行业实施CCS所需满足的条件。

2. 纸浆和造纸行业的CCS与CDR潜力
自M?llersten等人（2003a）等人的开创性工作以来，生物碳捕集与封存在该行业中的应用越来越被认为是一种具有成本效益的CDR途径。多项研究探讨了该行业为永久性二氧化碳去除（又称负排放）做出的贡献，例如在欧洲（Rosa等人，2021年；Kuparinen等人，2019年；J?nsson和Berntsson，2012年）和美国（Sagues等人，2020年；Charles等人，2024年）。这些研究表明，该行业高度依赖木材加工和纸浆生产过程中产生的生物质燃料，导致生物源二氧化碳排放远高于化石燃料来源。例如，在美国，纸浆和造纸行业每年排放35百万吨化石二氧化碳，而生物源排放量达到1.19亿吨（Charles等人，2024年）。大部分生物源排放来自相对较大的点源，尤其是硫酸盐法纸浆厂回收锅炉中黑液的燃烧。Kuparinen等人（2019年）估计，全球黑液发电量约为500太瓦时/年，使黑液成为仅次于煤炭、石油、天然气和汽油的第五大重要燃料来源。欧盟资助的ACCSESS项目中的自上而下评估（Karlsson等人，2025年）表明，在欧洲，每年排放超过25万吨二氧化碳的工厂合计造成了约5500万吨的生物源排放。值得注意的是，这种潜力主要集中在850多家工厂中的58家，因为大多数工厂是非能源密集型纸浆厂，主要依赖电力和/或化石燃料。仅瑞典和芬兰两国，纸浆和造纸行业就贡献了约4000万吨的生物源二氧化碳排放（Kuparinen等人，2019年；Johnsson等人，2020年）。硫酸盐法纸浆工艺产生的过剩热量可用于减少二氧化碳捕集所需的额外能源，从而可能降低成本（Lacaze-Masmonteil等人，2025年）。然而，这些工厂中大部分过剩热量的温度较低，通常在60–100°C范围内（Cruz等人，2021年）。这种温度下的热量不足以用于胺类溶剂的再生，但可以作为低温捕集技术（如先进溶剂或固体吸附剂）的有效热源。

以往关于纸浆和造纸行业二氧化碳捕集的研究包括详细的集成研究（Onarheim等人，2017a；Skoglund等人，2023年；Hektor和Berntsson，2007年）以及技术经济评估（Lacaze-Masmonteil等人，2025年；Hektor和Berntsson，2009年；Kuparinen等人，2021年；Kuparinen等人，2023年；Nwaoha和Tontiwachwuthikul，2019年；Onarheim等人，2017b；Skagestad等人，2018年；Stenstr?m等人，2025年），涵盖了多种类型的工厂。这些研究表明，不同类型工厂和地理位置之间的成本可能存在显著差异，瑞典南部的大型硫酸盐法纸浆厂是欧洲最具前景的CDR候选者（Karlsson等人，2025年）。一些研究将生物碳捕集与封存视为该行业实现CDR的途径之一（Joyo等人，2025年；Lipi?inen等人，2022年；Lipi?inen等人，2023年；J?nsson和Algehed，2010年）。另有研究讨论了二氧化碳捕集对生物质利用（Karlsson等人，2021年）或电力市场运营灵活性（Ingvarsson等人，2025年）的影响。部分研究聚焦于石灰窑中的二氧化碳捕集，例如Lefvert和Gr?nkvist（2023年），这种方法由于二氧化碳浓度较高而具有成本优势，但并未充分发挥黑液回收锅炉的巨大潜力。虽然有研究探讨了需要大幅改造回收锅炉本身的替代捕集技术（如钙循环（Santos等人，2021年）或富氧燃烧（Sewring等人，2025年），但目前尚无科学报告证明这些技术在黑液回收锅炉中的技术可行性。目前，Mets?集团位于芬兰的Rauma工厂正在运行一座采用Andritz捕集技术的试点工厂。尽管初步报告显示该系统“与纸浆厂烟气兼容”（Mets?，2025年），但尚未公开详细结果。2025年11月的一份新闻稿称SLB Capturi和CO280公司在美国的一家纸浆厂成功完成了二氧化碳捕集试点测试（SLB Capturi，2025年）。

3. 从黑液燃烧烟气中捕集二氧化碳：文献中指出的潜在挑战
如图1所示，硫酸盐法纸浆厂的二氧化碳排放主要来源于三个方面：黑液在回收锅炉中的燃烧、CaCO3在石灰窑中煅烧成CaO，以及辅助常规锅炉燃烧树皮和其他生物质残渣（Kuparinen等人，2019年；Onarheim等人，2017a）。从煅烧过程中捕集二氧化碳的技术类似于水泥和石灰行业的捕集技术，目前仍处于开发与实施阶段，尤其是基于化学溶剂的捕集方法（Voldsund等人，2019年）；而辅助常规锅炉的二氧化碳捕集技术相对简单。因此，纸浆和造纸行业的主要挑战在于从黑液回收锅炉中捕集二氧化碳的技术可行性，这也是最大的排放源，通常占纸浆厂总排放量的约75%。黑液回收锅炉从黑液（一种含有木质素、半纤维素和废煮沸化学物质的副产品）中回收化学物质并产生能量。在锅炉中，黑液被燃烧以产生热量，并将硫酸钠还原为硫化钠以实现化学回收。燃烧过程在多个区域进行（图2，左），通过平衡氧化和还原反应来维持适合纸浆循环中的化学组成。

3.1 主要烟气成分和潜在杂质
黑液回收锅炉烟气在燃烧后通常含有13–15%的二氧化碳和3–5%的氧气（干基）。二氧化碳浓度适合进行捕集，因为它略高于典型的燃煤锅炉（12–14%）或天然气锅炉（4–10%）（Suhr等人，2015年；Hupa，2007年；Vakkilainen，2005年）。然而，黑液回收锅炉烟气具有高钠和钾含量、硫化合物以及潜在的微量污染物的独特组成，这对二氧化碳捕集的设计和运行提出了特殊挑战。与燃煤电厂和水泥窑等工业过程中的烟气相比，这些因素需要特别考虑。

关于黑液燃烧中的杂质，已有文献综述（Suhr等人，2015年），包括最佳可行技术（BAT）文件，其中描述了限制排放的适当一级和二级措施。黑液除了含有碳、氢、氧和氮外，干基下还含有大约15–20%的钠以及大量的钾、硫和氯（Hupa，2007年；Adams等人，2023年）。大气排放量可能因黑液性质、运行条件和烟气净化工艺而异。黑液燃烧可能产生多种杂质。已知污染物的排放量需符合国家和欧盟法规以及相关机构的许可要求。主要受监管的烟气污染物包括二氧化硫（SO2）、总还原硫（TRS）、氮氧化物（NOx）和颗粒物。TRS是由还原态硫化合物组成的气体混合物，主要包括硫化氢（H2S）、甲基硫醇（CH3SH）、二甲基硫（(CH3)2S）和二甲基二硫化物（(CH3)2S2）。颗粒物主要由硫酸钠（Na2SO4）组成。现代黑液回收锅炉配备了高效静电除尘器（ESPs），其捕集效率超过99.5%，用于控制颗粒物排放。为了减少二氧化硫排放，某些装置还配备了烟气洗涤器。分阶段空气燃烧技术（图2，左）通过创建富燃料区和贫燃料区来减少氮氧化物的生成，因为SCR和SNCR技术不适用于此类锅炉。

排放许可基于平均排放水平颁发，但实际上设计和运行条件可能导致排放量波动。特别是二氧化碳浓度在低于最大连续运行能力的70%、锅炉启动/关闭期间或工艺异常情况下可能发生显著变化。正确操作的回收锅炉能够维持较低的二氧化碳（CO2）水平，但二氧化碳水平的波动可能表明燃烧不稳定以及未燃尽的碳颗粒可能形成。这可能会影响下游烟气净化设备的性能和运行，最终也会影响二氧化碳捕获系统。根据文献，虽然在正常运行的锅炉中未燃尽的碳颗粒或富含碳的颗粒较为罕见，但在异常情况下可能会发生（Adams等人，2023年）。深入研究表明，在烟气中可能存在其他影响二氧化碳捕获系统的化合物，这些化合物包括痕量金属（如钠、钾、锌、铅和铁）、酸性气体（HCl、SO2）、多环芳烃（PAH）以及潜在的二恶英/呋喃（Adams等人，2023年）。

3.2 基于胺的二氧化碳捕获技术的潜在挑战
据作者所知，文献中尚未有专门研究关注黑液烟气特性与二氧化碳捕获之间的关系，这凸显了进一步研究的必要性。然而，文献中有一些关于烟气污染物与胺溶剂相互作用的一般性知识，简要总结如下：
- **SO2和NOx**：这些酸性气体与胺溶剂反应，会导致热稳定盐（HSS）的形成、溶剂不可逆降解、二氧化碳吸收能力下降以及腐蚀加剧（Supap等人，2009年；Fost?s等人，2011年；Zhou等人，2012年；Vega等人，2014年）。研究表明，SO2会显著加速胺的氧化降解（Uyanga和Idem，2007年；Gao等人，2011年）。对于基于胺的捕获系统，建议目标SO2浓度低于10–50 ppm（Rochelle，2009年）。
- **O2**：烟气中的氧气（通常在硫酸盐回收锅炉中占比3–5%）会导致胺的氧化降解，从而造成溶剂损失并产生降解产物（Goff和Rochelle，2004年；Vevelstad等人，2013年；Voice和Rochelle，2013年）。虽然无法经济有效地从烟气中去除氧气，但其影响可以通过选择合适的溶剂、使用抑制剂和优化工艺来减轻（Buvik等人，2021年）。
- **颗粒物和痕量金属**：飞灰和金属污染物（特别是铁、铜、钒、铬和镍）可能作为催化剂，加速胺的降解速率（Sexton和Rochelle，2009年；Goff，2005年；Nikolic等人，2015年）。这些金属可能来自黑液本身或设备腐蚀。通过静电除尘器（ESP）高效去除颗粒物至关重要（Suhr等人，2015年）。
- **氯化物**：烟气中的氯化合物可能导致回收锅炉和二氧化碳捕获设备中的腐蚀问题及沉积物形成（Hupa等人，1987年；Tran等人，1999年）。

4. 在瑞典Skutsk?r的硫酸盐纸浆厂进行的试点测试结果
从2024年初到2025年初，在瑞典Skutsk?r的一家硫酸盐纸浆厂测试了一个每天可捕获2吨二氧化碳的试点装置（图2，右侧）。主要目的是验证从黑液回收锅炉烟气中捕获二氧化碳的技术可行性。据作者所知，这是世界上首次使用黑液燃烧产生的烟气进行二氧化碳捕获的测试。
该二氧化碳捕获试点装置使用了Saipem公司开发的酶增强型碳酸钾溶剂（Saunier等人，2019年），而非胺技术，原因有二：首先，由于使用了无毒且不挥发的溶剂，降低了环境影响，避免了有害化合物向大气或水中的排放；其次，溶剂再生在70–80°C的温度下进行，有利于与硫酸盐纸浆厂的集成（参考第2节）。该试点装置此前已在废料转化为能源和炼油厂烟气中成功运行，并在同一项目中成功应用于水泥窑烟气。
在硫酸盐纸浆厂的黑液燃烧烟气实验过程中，观察到碱性溶剂回路中出现了意外的过度泡沫和污染现象，这是其他地点测试中从未遇到的问题。这一现象干扰了溶剂捕获二氧化碳的能力，导致无法实现稳定的运行条件，并对试点设备造成了严重污染。这种现象在两台不同的黑液回收锅炉中均被观察到。尽管两台锅炉的燃烧原理和预处理配置有所不同，但泡沫和污染现象的一致性表明，这是由这种特定生物源产生的烟气特性所致，而非特定锅炉配置的问题。值得注意的是，即使使用仅包含水和碳酸钾的溶剂（即在添加活性成分酶之前），也观察到了这种现象，说明这种行为与烟气与碱性溶剂的接触密切相关。尽管烟气和溶剂分析提供了有用的数据，但可用于进一步扩大二氧化碳捕获规模的代表性数据仍然有限。
为了确定根本原因，进行了全面的故障排除工作，包括深入分析回收锅炉烟气的成分、溶剂质量和生成的团聚体。还审查了锅炉运行条件以及捕获装置上游的烟气预处理情况（第3节）。识别出几种可能与该碱性捕获过程发生反应或干扰的关键污染物，并通过针对性的烟气分析评估了这些成分在进入试点装置的烟气中的存在情况。鉴于烟气分析方法众多且需要限制分析范围和时间，仅进行了最相关的测试，以初步确定实现二氧化碳捕获试点装置稳定运行所需的烟气处理方式。总体而言，尽管此次测试结果不如预期，但它为大规模实施硫酸盐纸浆厂的二氧化碳捕获提供了宝贵的经验，并强调了在扩大规模前进行现场二氧化碳捕获试点测试的重要性。

5. 讨论
仅在欧洲，造纸和纸业领域通过碳捕获、封存和再利用（CDR）实现的二氧化碳潜力就超过了50百万吨每年。然而，要实现这一潜力，需要解决从黑液回收锅炉中捕获二氧化碳的具体挑战。2025年，行业报告了一些使用胺技术成功进行二氧化碳捕获试点测试的案例，但未提供更多细节（Mets?，2025年；SLB Capturi，2025年），而文献指出，在黑液回收锅炉的烟气中，胺与污染物相互作用可能会对二氧化碳捕获造成挑战。上述Saipem公司开发的酶增强型碳酸钾溶剂的试点测试在黑液回收锅炉烟气中遇到了过度泡沫和污染的问题，尽管该技术在其他工业烟气中使用相同的二氧化碳捕获试点和溶剂技术时取得了成功。我们的发现表明，由于烟气的特性，从黑液回收锅炉中捕获二氧化碳可能并不容易实现。基于这些发现的一个假设是，可能存在微量未燃尽的颗粒和其他成分，这些成分目前尚未常规测量，可能因工艺不稳定性而波动，且当前的烟气净化步骤无法有效去除。这些微量成分可能对二氧化碳捕获的实现产生实际影响，不仅影响溶剂，也会影响膜材料（membranes）或金属有机框架（MOFs）。某些成分甚至可能低于当前测量技术的检测限。
总体而言，我们认为需要进一步的研究，包括专门的烟气分析和表征以及试点规模的项目，以评估造纸和纸业领域的不同捕获技术。这将有助于理解相关的物理化学机制，并识别不同技术可能存在的问题。这将有助于为黑液回收锅炉下游定制专门的烟气净化系统，从而实现碳捕获、封存和再利用的应用。此外，还需要验证Skutsk?r遇到的问题是否具有现场特殊性。
除了解决技术挑战外，实现造纸和纸业领域的显著CDR潜力还需要稳定的、自愿的或政策驱动的市场需求。生物源二氧化碳排放通常不受碳定价机制的覆盖，但有其他激励生物炭捕集与封存（BioCCS）的方法，例如反向拍卖，瑞典在这方面处于领先地位。自愿碳市场（VCM）已有几种现有的碳捕获认证方案（Arcusa和Sprenkle-Hyppolite，2022年），欧盟的碳去除和碳农业认证（CRCF）法规也针对VCM（欧盟委员会，2024b年）。2026年2月提出了包括生物炭捕集在内的永久碳去除方法（欧盟委员会，2026年）。已经研究了将碳去除纳入欧盟排放交易体系（EU-ETS）的相关风险，表明逐步引入CDR可能是一个可行的途径（Verbist等人，2025年；欧洲环境署，2024年）。欧盟宣布2026年的EU-ETS修订将包括对CDR的评估（欧洲议会，2026年）。
在造纸和纸业领域部署碳捕获与封存技术可以平衡大量的难以减缓的化石燃料排放，从而有助于实现2050年的气候中和目标（欧盟委员会，2021年）。然而，要在该领域大规模实现CDR，目前需要足够多的买家愿意在VCM上签订长期购买协议。从行业角度来看，可能需要长达30–40年的可预见收入流才能做出投资决策，这是一个需要克服的明显障碍。鉴于气候技术投资的长远时间跨度，我们呼吁制定超越2050年的发展方案，以实现健康、可持续的气候中和经济。