富氧燃烧捕集技术应用研究

报告编号： OGG-A-003 赛道分级： A 级专题｜CCUS · CO₂ 捕集 编制单位： 经纬智汇信息咨询有限公司（北京） 报告用途： 内部参考 编制时间： 2026 年

摘要与核心发现

富氧燃烧（Oxy-fuel Combustion）是三大主流碳捕集技术路线（燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧捕集）之一。其技术内核在于：以近乎纯净的氧气（O₂）替代空气助燃，辅以大比例烟气再循环（Flue Gas Recirculation, FGR）控温，使燃烧产物几乎只剩 CO₂ 与水蒸气；水蒸气经冷凝分离后，烟气中 CO₂ 干基浓度可达 80%–95%，无需昂贵的化学吸收即可通过压缩纯化单元（CPU）直接富集，从源头上改变了 CO₂ 的"稀释困境"。

本报告基于全球视野与全时间轴视角，系统复盘了富氧燃烧从 20 世纪末概念萌芽、2008–2015 年电力行业大规模示范（德国 Schwarze Pumpe、澳大利亚 Callide、西班牙 CIUDEN、法国 Lacq），到 2015 年后电力旗舰项目集体折戟（美国 FutureGen 2.0、英国 White Rose、德国 Jänschwalde），再到 2020 年后应用重心向水泥、钢铁等难减排工业转移的完整脉络。研究得出以下核心发现：

核心发现一：富氧燃烧的技术可行性已被示范项目充分验证，但"第一代电力路线"因经济性与政策原因整体退潮。 德国 Schwarze Pumpe（30 MWth，2008）、澳大利亚 Callide（30 MWe，2012）等项目完整跑通了"制氧—燃烧—冷凝—压缩"全链条，证明技术在工程上成立。但煤电富氧路线遭遇双重打击：一是空分制氧带来的巨大能耗惩罚（8–12 个百分点效率损失），二是 2015 年后天然气与可再生能源价格下行、煤电本身失去经济性，导致 FutureGen 2.0、White Rose 等旗舰项目在投资决策阶段被政府或业主取消。技术未死于技术，而是死于场景与经济。

核心发现二：应用重心正从电力向水泥工业发生结构性迁移，这是当前最值得关注的趋势拐点。 水泥窑烟气 CO₂ 浓度本就高达 20% 左右，且约 60% 排放来自石灰石分解这一"过程排放"（无法通过燃料替代消除），使其成为富氧燃烧的天然理想场景。中国青州中联 20 万吨/年水泥富氧燃烧捕集项目（全球最大）、欧洲第二代"纯氧燃烧"项目群（德国 GeZero、Catch4Climate、Carbon2Business）密集落地，标志着富氧燃烧进入"工业 2.0"新阶段。

核心发现三：空分制氧是决定技术经济性的"命门"，也是最大的降本突破口。 传统深冷空分（Cryogenic ASU）制取 1 吨氧气耗电约 200–240 kWh，占富氧系统总寄生能耗的 60% 以上。围绕这一瓶颈，增压富氧燃烧（Pressurized Oxy-combustion）、离子传输膜（ITM）膜法制氧、化学链燃烧（CLC，本质是"无空分的富氧燃烧"）构成三条降本演进路线，其中膜法与化学链尚处研发/中试阶段，是未来 5–10 年的核心技术看点。

核心发现四：Allam-Fetvedt 循环（NET Power）代表了富氧燃烧的高端颠覆性方向，但 FOAK 风险显著暴露。 该循环以超临界 CO₂ 为工质、天然气纯氧燃烧驱动透平，理论上可实现近零额外成本的"内在捕集"。但其商业化首堆项目 Project Permian 已出现成本从约 9 亿美元翻倍至 17–20 亿美元、投产时间推迟至 2029 年之后的重大信号，凸显首台套（First-of-a-Kind）工程放大的巨大不确定性。

核心发现五：经济性上，水泥富氧燃烧已展现出对胺法的显著成本优势。 欧盟 CEMCAP 项目权威评估显示，水泥厂富氧燃烧捕集成本约为 42 €/tCO₂，约为同场景燃烧后胺法（约 80 €/tCO₂）的一半，这是支撑水泥赛道判断的关键定量依据。

基于上述发现，本报告在结论部分给出分级投资建议：优先布局水泥行业第二代纯氧燃烧及"卖铲子"环节（空分降耗、CPU 纯化装备）；审慎观察 Allam 循环气电赛道；放弃煤电富氧布局。 并提供 0–36 个月分阶段行动路径与五项关键监测阈值。

!图 1 三大碳捕集技术路线原理对比示意图 *图 1 三大碳捕集技术路线原理对比示意图*

一、富氧燃烧捕集技术原理剖析

1.1 技术本质：从"稀释"到"富集"的燃烧革命

理解富氧燃烧的价值，首先要理解传统碳捕集的核心痛点——稀释困境。空气中氮气（N₂）占比约 78%，当燃料在空气中燃烧时，大量惰性 N₂ 穿过燃烧系统进入烟气，使得常规燃煤电厂烟气中 CO₂ 浓度仅 12%–15%、燃气电厂更低至 3%–4%。要从如此稀薄的烟气中"捞取"CO₂，就必须依赖胺法等化学吸收剂进行选择性捕集，而吸收剂再生需要消耗大量蒸汽（能耗惩罚的主要来源）。

富氧燃烧的巧思在于：既然 N₂ 是麻烦制造者，那就在燃烧之前先把它剔除。 通过空气分离装置（ASU）制取高纯度氧气（通常 95%–99.5%），用 O₂ 替代空气送入锅炉助燃。这样一来，燃烧产物理论上只有 CO₂ 和 H₂O（水蒸气）。烟气经冷却后，水蒸气冷凝成液态水被分离出去，剩下的干烟气便是高浓度 CO₂（80%–95%）。此时 CO₂ 已"自然富集"，无需化学吸收剂，只需通过压缩、干燥、低温精馏（CPU）去除残余杂质（O₂、N₂、Ar、SOx、NOx），即可得到管道输送级或食品级的 CO₂ 产品。

1.2 四大核心子系统

富氧燃烧系统可拆解为四个紧密耦合的子系统，其技术难点与能耗分布各不相同：

子系统一：空气分离装置（ASU，Air Separation Unit）——制氧。 这是富氧系统的"心脏"，也是最大的能耗与成本来源。当前工业主流为深冷空分（Cryogenic ASU）：将空气压缩、冷却至约 -190℃ 液化，再利用 O₂、N₂ 沸点差进行精馏分离。深冷空分技术成熟、单机规模大（可达 5000+ 吨氧/日），但制取 1 吨氧气需耗电约 200–240 kWh，对一座配套富氧燃烧的大型电厂而言，ASU 自耗电可占电厂总发电量的 15% 左右，是效率惩罚的首要贡献者。

子系统二：燃烧与锅炉系统——O₂/CO₂ 燃烧组织与烟气再循环。 纯氧燃烧的火焰温度极高（可达 3500℃ 以上），远超锅炉材料承受极限。因此必须引入烟气再循环（FGR）：将约 60%–70% 的冷却后烟气（主要成分 CO₂）重新掺混入燃烧区，替代原本 N₂ 的稀释控温作用，把火焰温度拉回锅炉可承受的水平（约 1300–1500℃）。CO₂ 与 N₂ 的热物性差异（CO₂ 比热容更大、辐射特性更强）会改变炉内传热与燃烧动力学，因此富氧锅炉的设计与运行需专门优化，无法简单沿用空气燃烧锅炉。

子系统三：烟气冷却与净化系统——脱硫、脱硝、除尘、冷凝。 由于大比例烟气循环，SOx、NOx、水汽等在系统内会不断累积浓缩，对设备形成更严苛的腐蚀环境。同时高浓度 SO₃ 与水蒸气在低温段易形成硫酸露点腐蚀。因此富氧系统的烟气净化需求与常规电厂不同，需针对性配置耐蚀材料与净化流程。

子系统四：压缩纯化单元（CPU，Compression and Purification Unit）——CO₂ 提纯与增压。 冷凝除水后的富 CO₂ 烟气，仍含有少量不凝气（O₂、N₂、Ar）及酸性气体。CPU 通过多级压缩、干燥脱水、低温精馏，将 CO₂ 纯度提升至 96%–99.99%（视用途而定），并加压至超临界状态（约 110 bar 以上）以便管道输送或封存。CPU 是富氧路线区别于胺法的关键单元，其能耗约占系统寄生能耗的 20%–25%，仅次于 ASU。

!图 2 富氧燃烧全流程系统框图（含物料与能量流） *图 2 富氧燃烧全流程系统框图（含物料与能量流）*

1.3 富氧燃烧与其他捕集路线的原理性差异

将富氧燃烧置于三大路线坐标系中，其鲜明特征在于"以制氧换取免化学吸收"。下表从原理层面对三条路线进行对比：

从对比可见，富氧燃烧在"避免化学吸收剂"和"高 CO₂ 出口浓度"上具备原理性优势，尤其适配 CO₂ 本就高浓度、且难以尾部改造的工业窑炉场景（如水泥）。但它的"阿喀琉斯之踵"始终是空分制氧的能耗与成本——这一矛盾贯穿技术发展全程，也决定了后文所有降本路线的方向。

二、技术发展历程与全球示范项目复盘

富氧燃烧的三十年发展，是一部"技术验证成功、商业化屡屡受挫、最终转向工业场景"的启示录。梳理其完整脉络，对研判未来走向至关重要。

2.1 概念萌芽与早期探索（1980s–2000s）

富氧燃烧的概念最早可追溯至 20 世纪 80 年代——起初并非为了碳捕集，而是为了在特定工业过程（如玻璃熔窑）中提高燃烧温度和效率。将其与 CO₂ 捕集封存明确结合，则是在 1990s 温室气体问题受到重视之后。这一阶段以实验室与小试研究为主，验证了 O₂/CO₂ 燃烧的基本可行性与传热特性差异。

2.2 电力行业大规模示范期（2008–2015）：技术登顶的黄金五年

这是富氧燃烧最辉煌、也最关键的阶段。全球范围内密集建成多个中试至工业示范级项目，完整验证了技术链条：

德国 Schwarze Pumpe（黑泵）项目（30 MWth，2008 年投运）： 由瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）建设，是全球首个燃煤富氧燃烧全流程中试装置，涵盖制氧、燃烧、CO₂ 捕集压缩全环节，被视为富氧燃烧的里程碑式验证。该项目积累了宝贵运行数据，但后续因 Vattenfall 战略调整、德国 CCS 立法受阻而未能扩大。

澳大利亚 Callide-A 富氧燃烧项目（30 MWe，2012 年投运）： 全球首个"富氧燃烧改造+发电+捕集"的电站级示范，将一台既有燃煤机组改造为富氧模式，成功证明了对现役机组进行富氧改造的技术可行性，并完成了数千小时富氧运行与 CO₂ 捕集，是澳、日国际合作的标志性成果。

西班牙 CIUDEN 项目（约 20 MWth）： 依托 CIUDEN 技术中心，同时研究煤粉与循环流化床（CFB）两种富氧燃烧形式，为不同燃烧方式的富氧适配提供了数据。

法国 Lacq 项目（约 30 MWth，Total 主导，2010 年前后）： 将一台燃气锅炉改造为富氧模式，并将捕集的 CO₂ 注入枯竭气田封存，实现了"捕集—输送—封存"全链条闭环示范，是少数打通全链条的项目之一。

西班牙 Compostilla / OXYCFB300 计划： 曾规划建设 300 MW 级富氧 CFB 电站，是当时最雄心勃勃的放大计划之一，但最终未进入建设阶段。

这一阶段的核心意义在于：富氧燃烧的工程可行性已被无可辩驳地证明。 制氧、燃烧、净化、压缩全链条均可稳定运行，CO₂ 捕集率可达 90% 以上。技术本身通过了大考。

!图 3 全球富氧燃烧示范项目时间轴与规模分布图 *图 3 全球富氧燃烧示范项目时间轴与规模分布图*

2.3 电力旗舰项目集体折戟（2015 年前后）：技术未死，场景先死

就在技术验证成功、本应乘势放大之际，一批被寄予厚望的商业化旗舰电力项目却在 2015 年前后相继被取消，成为富氧燃烧发展史上的重大转折：

美国 FutureGen 2.0（美国能源部旗舰项目）： 计划将伊利诺伊州一座燃煤电厂改造为约 168 MW 富氧燃烧近零排放示范，配套 CO₂ 封存。项目一度获得联邦巨额资助，但在 2015 年因融资安排、进度延误及联邦资金支出期限等问题被美国能源部（DOE）终止，成为富氧电力路线最著名的"滑铁卢"。

英国 White Rose CCS 项目： 规划在北约克郡建设一座约 426 MW 富氧燃烧新建燃煤电厂并配套完整 CCS。项目进入了较深入的前端设计阶段，但在 2015 年英国政府取消 10 亿英镑 CCS 商业化竞赛资金后，因失去关键财政支持而搁置。

德国 Jänschwalde 示范项目： Vattenfall 曾规划的更大规模富氧燃烧电厂示范，最终因德国国内对 CO₂ 封存的立法阻力、公众反对及公司战略转向而放弃。

这一波集体折戟的根源，值得反复咀嚼——它并非技术失败，而是场景与时机的失败：

其一，经济性根基动摇。 2010s 中后期，页岩气革命使天然气价格大幅走低，风光可再生能源成本快速下降，燃煤发电本身的经济性和政治正当性双双崩塌。为一个"正在退场的能源"加装昂贵的碳捕集，商业逻辑难以成立。

其二，能耗惩罚过重。 富氧改造使煤电净效率下降 8–12 个百分点，等于同样烧煤却少发约四分之一的电，在低电价环境下无法通过售电回收成本。

其三，政策与融资断裂。 英美政府在财政与政治压力下撤回关键补贴（英国取消 10 亿英镑竞赛、美国 DOE 终止拨付），使高度依赖公共资金的 FOAK 项目瞬间失去生命线。

其四，封存立法与公众接受度障碍。 尤其在德国，陆上 CO₂ 封存遭遇强烈的立法与民意阻力，直接掐断了项目的下游出路。

这段历史给经纬智汇的关键启示是：富氧燃烧的成败，主导变量不是"技术能不能行"，而是"场景值不值得、政策稳不稳定、经济算不算得过来账"。 这一判断将直接决定后文对不同应用赛道的取舍。

2.4 应用重心的结构性转移（2020 至今）：从电力到水泥的"第二春"

电力路线退潮后，富氧燃烧并未消亡，而是发生了一次意义深远的场景迁移——从燃煤电力转向以水泥为代表的难减排工业（Hard-to-abate Industries）。这一转移绝非偶然，而是由水泥场景的内在属性决定的：

其一，水泥是天然的高浓度 CO₂ 场景。 水泥窑烟气 CO₂ 浓度本就高达 18%–25%，远高于燃煤电厂，这意味着即便采用富氧燃烧，也更容易实现极高的 CO₂ 出口浓度与捕集率。

其二，水泥排放中约 60% 是"过程排放"，无法用换燃料消除。 水泥生产的核心是石灰石（CaCO₃）在窑内高温分解为氧化钙（CaO）并释放 CO₂——这部分排放源于化学反应本身，无论用什么燃料都无法避免。这意味着水泥行业若要深度脱碳，碳捕集几乎是唯一出路，需求刚性远强于电力。

其三，水泥厂改造相对可控。 相比大型电站，水泥窑系统改造为富氧模式在工程规模与集成复杂度上更可管理，且富氧模式还能顺带提升窑炉热效率。

在这一逻辑驱动下，全球水泥富氧燃烧项目密集涌现：

中国青州中联 20 万吨/年水泥富氧燃烧碳捕集项目： 被视为全球最大规模的水泥富氧燃烧捕集示范之一，标志着中国在工业富氧燃烧领域进入国际第一梯队，为大规模工业应用提供了关键的工程与运行数据。

欧洲第二代"纯氧燃烧"（Pure Oxyfuel）水泥项目群： 包括德国 GeZero（Heidelberg Materials 主导）、Catch4Climate（多家水泥企业联合，采用第二代纯氧技术）、Carbon2Business（Holcim 主导）等。这批项目采用"第二代"纯氧燃烧技术——即不再依赖大比例烟气再循环，而是通过更彻底的纯氧燃烧组织，追求更高 CO₂ 浓度与更低能耗，代表富氧燃烧在工业领域的技术升级。

这一转向的战略含义是：富氧燃烧的未来主战场不在电力，而在水泥、钢铁、玻璃等高浓度、难减排的工业窑炉。 这也是本报告后续投资建议的核心立足点。

!图 4 水泥 vs 电力富氧燃烧场景适配性雷达图 *图 4 水泥 vs 电力富氧燃烧场景适配性雷达图*