CCUS技術(shù)路線及發(fā)展前景探討

韓桂芬，張 敏，包立

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇南京210003;2.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江省南京210018; 3.法國(guó)巴黎電子信息學(xué)院，法國(guó)巴黎75004)

CCUS技術(shù)路線及發(fā)展前景探討

Analysis of technical approaches and development prospect of CCUS technology

韓桂芬1，張 敏1，包立2，3

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇南京210003;2.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江省南京210018; 3.法國(guó)巴黎電子信息學(xué)院，法國(guó)巴黎75004)

二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS)作為一項(xiàng)新興的、具有大規(guī)模減排CO2潛力的技術(shù)，近幾年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。簡(jiǎn)要介紹了CCUS的基本原理，闡述了我國(guó)及主要發(fā)達(dá)國(guó)家CCUS技術(shù)路線，分析了我國(guó)發(fā)展CCUS的技術(shù)原則、技術(shù)政策及相關(guān)舉措，為我國(guó)開展CCUS技術(shù)研究和工程示范提供參考。

二氧化碳捕集;利用與封存;技術(shù)原理;技術(shù)路線;技術(shù)政策

1 CCUS技術(shù)的提出及其重要意義

全球氣候變暖已成為國(guó)際熱點(diǎn)問題，CO2因具有溫室效應(yīng)被普遍認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣候變暖的重要原因之一。如何減少CO2排放，降低大氣中CO2濃度，是人類面臨的共同難題。我國(guó)政府在“十二五”規(guī)劃中進(jìn)一步明確了能源戰(zhàn)略和減排的基本思路，設(shè)定了到2020年碳排放強(qiáng)度比2005年水平下降40%～45%、“十二五”期間碳排放強(qiáng)度降低17%的減排目標(biāo)，并制定和實(shí)施了一系列節(jié)能減排方案。中國(guó)以煤為主的資源稟賦和能源消費(fèi)的增長(zhǎng)趨勢(shì)給實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型和國(guó)家減排目標(biāo)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，CO2捕集、利用與封存作為一項(xiàng)新興的、具有大規(guī)模減排潛力的技術(shù)，是中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略選擇，對(duì)達(dá)成國(guó)家減排目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

2 CCUS的基本原理與技術(shù)路線

2.1 CCUS的基本原理

二氧化碳捕集、運(yùn)輸、封存與利用(CCUS)技術(shù)主要包括捕集、運(yùn)輸、封存與利用4個(gè)環(huán)節(jié)。概括來(lái)說(shuō)，碳捕集環(huán)節(jié)是指將大型發(fā)電廠所產(chǎn)生的CO2從電廠的排放煙氣中分離出來(lái)，通過(guò)一系列處理流程之后形成高純度的CO2，經(jīng)過(guò)凈化、干燥與降溫等處理環(huán)節(jié)，最后壓縮到具有一定溫度、壓強(qiáng)工況CO2流，以適應(yīng)運(yùn)輸和儲(chǔ)存的需要。運(yùn)輸環(huán)節(jié)是將收集到的CO2通過(guò)管線和船只等運(yùn)輸?shù)椒獯娴?。通過(guò)管線輸送壓縮的CO2是當(dāng)前的主要方法，自1970年以來(lái)就得到應(yīng)用，美國(guó)已建有2500km的CO2輸送管線。液態(tài)CO2也可以通過(guò)船舶輸送，而且是一種經(jīng)濟(jì)上更可行的輸送方案。封存可分為地質(zhì)封存、海洋封存、化學(xué)封存三種方式。地質(zhì)封存是將CO2注入不同的地質(zhì)體中，如海底鹽沼池、油氣層和煤井等，儲(chǔ)存的深度一般在800m以下，這樣深度的溫壓條件可以保持CO2為液態(tài)。地質(zhì)封存技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，已在油氣行業(yè)應(yīng)用了數(shù)十年。海洋封存是通過(guò)管道或船舶把CO2釋放到海洋水體中或3000m以下的海床上，在“溶解型”海洋封存中，CO2迅速地溶解到海水中，而在“湖泊型”海洋封存中，CO2最初是沉積在海床上的液體。海洋封存技術(shù)還存在技術(shù)上的不確定性，對(duì)海洋環(huán)境和海洋生物也有較大的風(fēng)險(xiǎn)?；瘜W(xué)封存通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)礦物性碳酸鹽從而達(dá)到幾乎永久性的儲(chǔ)存，這方面的技術(shù)也仍處于研究階段，其經(jīng)濟(jì)可行性和減排效率也存在很大的不確定性。二氧化碳的資源化利用技術(shù)主要包括:合成可降解塑料、油田驅(qū)油、合成高純一氧化碳、煙絲膨化、化肥生產(chǎn)、超臨界二氧化碳萃取、飲料添加劑、食品保鮮和儲(chǔ)存、焊接保護(hù)氣、滅火器、粉煤輸送、改善鹽堿水質(zhì)、培養(yǎng)海藻等。其中合成可降解塑料和油田驅(qū)油技術(shù)是比較成熟且產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景廣闊的技術(shù)。

2.2 CCUS技術(shù)路線

2.2.1 主要發(fā)達(dá)國(guó)家CCS技術(shù)路線

碳捕集與封存(CCS)技術(shù)由于能夠有效減少碳排放，減緩全球變暖效應(yīng)，因此受到許多國(guó)家的重視。目前，美國(guó)、歐盟、加拿大、澳大利亞、日本等國(guó)已經(jīng)提出了CCS技術(shù)發(fā)展路線圖。

美國(guó)能源部于2010年12月發(fā)布的CCS研發(fā)示范路線圖，由美國(guó)能源部國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)負(fù)責(zé)完成，聚焦于為燃煤發(fā)電系統(tǒng)提供具有成本效益的先進(jìn)CCS技術(shù)，所需要開展的研究、開發(fā)和示范工作。路線圖確定了新的發(fā)展路徑，重點(diǎn)關(guān)注高效、經(jīng)濟(jì)的解決方案以快速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。CCS技術(shù)要克服經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和技術(shù)層面等多種挑戰(zhàn)，有效監(jiān)測(cè)與核實(shí)CO2封存情況;CO2地下永久封存;公眾接受程度等。

歐洲是CCS技術(shù)研發(fā)的先驅(qū)。2006年，歐委會(huì)、歐洲工業(yè)界、NGOs、科學(xué)家以及環(huán)保學(xué)者聯(lián)合起來(lái)開展“歐洲零排放化石燃料發(fā)電站(ETP－ZEP)技術(shù)平臺(tái)”，技術(shù)平臺(tái)主要從降低零排放發(fā)電成本、示范CO2地質(zhì)封存的安全性、加強(qiáng)CO2運(yùn)輸、解決環(huán)境問題、獲得公眾支持、面向2020這6個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，并詳細(xì)列出了各方面的具體措施。2007年，歐盟發(fā)布了戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃(SET－Plan)的技術(shù)路線圖及低碳技術(shù)開發(fā)的投資，在戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃中對(duì)CCS的技術(shù)開發(fā)、部署、研究、實(shí)施、投資、取得的主要成果等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃。

加拿大CCS技術(shù)發(fā)展路線圖(CCSTRM)的制定經(jīng)過(guò)了形勢(shì)分析、技術(shù)路徑與研發(fā)戰(zhàn)略確認(rèn)、研發(fā)與示范優(yōu)先方向確認(rèn)以及最終撰寫四個(gè)階段。路線圖深度分析了加拿大目前在CCS方面所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，并對(duì)加拿大在開發(fā)CCS技術(shù)方面的技術(shù)需求以及時(shí)間表進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)述。此外，技術(shù)路線圖提出了六大關(guān)鍵目標(biāo)，分別從政策與法規(guī)框架、公共宣傳與教育、技術(shù)跟蹤與國(guó)際合作、科學(xué)與技術(shù)研發(fā)、工程示范、利益相關(guān)者的國(guó)家級(jí)協(xié)調(diào)方面制定了CCS的未來(lái)目標(biāo)、行動(dòng)、產(chǎn)出和預(yù)期成果等。

《澳大利亞CO2捕集與封存技術(shù)發(fā)展路線圖》的實(shí)施主要分為四個(gè)階段:第一階段建立基礎(chǔ)，用5年時(shí)間對(duì)各項(xiàng)初步工作進(jìn)行評(píng)估，從而對(duì)該技術(shù)的性能和知識(shí)積累做出貢獻(xiàn);第二階段，在5～10年內(nèi)形成該技術(shù)研究和發(fā)展方面的最完備的體系;第三階段，在10～20年里進(jìn)行CO2捕集和封存技術(shù)的工程實(shí)踐;第四階段，在20～30年里使CO2捕集和封存技術(shù)在發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

日本的CCS研究基本與歐洲及北美國(guó)家同步。日本CCS發(fā)展路線圖主要為:2008年－2010年開展地質(zhì)封存中試研究;2010年－2020年開展大規(guī)模系統(tǒng)示范;2020開始實(shí)施CCS技術(shù)，包括利用CO2提高石油采收率，封存到咸水層，注入枯竭天然氣田以及煤層，還有發(fā)展運(yùn)輸技術(shù)等。

分析國(guó)際上主要發(fā)達(dá)國(guó)家CCS技術(shù)發(fā)展路線圖，可為我國(guó)CCUS研發(fā)及確定CCUS技術(shù)路線圖提供借鑒和參考。

2.2.2 我國(guó)CCUS技術(shù)路線

中國(guó)的國(guó)情、發(fā)展階段和能源結(jié)構(gòu)決定了碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS)是中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略選擇，也是全球碳捕集與封存最具潛力的市場(chǎng)。因此，研究并制定符合我國(guó)國(guó)情的CCUS技術(shù)路線圖，對(duì)于指導(dǎo)中國(guó)有序開展CCUS技術(shù)研究、提高技術(shù)研發(fā)能力、應(yīng)對(duì)氣候變化能力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

中國(guó)科學(xué)院院士倪維斗、中國(guó)工程院院士費(fèi)維揚(yáng)等專家學(xué)者也在不同場(chǎng)合多次提到中國(guó)要走符合中國(guó)國(guó)情的碳捕集、利用與封存路線。倪維斗指出，中國(guó)碳捕集、利用與封存可分三個(gè)階段進(jìn)行:第一階段從天然氣中分離CO2，并用來(lái)提高石油采收率和煤層氣采收率;第二階段從煤化工行業(yè)捕集CO2，進(jìn)行利用與封存;第三階段進(jìn)行燃煤電廠的碳捕集、利用與封存。

3 我國(guó)發(fā)展CCUS的技術(shù)原則、技術(shù)政策及相關(guān)舉措

3.1 我國(guó)發(fā)展CCUS的技術(shù)原則

2009年，科技部萬(wàn)鋼部長(zhǎng)在出席碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇(CSLF)時(shí)表示:在CCS尚未成熟的今天，應(yīng)將重心放在加強(qiáng)技術(shù)開發(fā)上;發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)率先示范CCS技術(shù)并提供資金、技術(shù)轉(zhuǎn)移和能力建設(shè)的支持，幫助中國(guó)發(fā)展CCS技術(shù);并尤其關(guān)注CO2資源化利用的新方法、新技術(shù)的合作研究和開發(fā)。因此，我國(guó)發(fā)展CCUS技術(shù)的基本原則主要有以下三個(gè)方面:

(1)在碳捕集與封存技術(shù)還沒有成熟的今天，應(yīng)將重心和優(yōu)先放在加強(qiáng)技術(shù)開發(fā)上。CCUS是一項(xiàng)新興的、具有大規(guī)模減排潛力的技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)化石能源使用的CO2近零排放，可成為未來(lái)控制溫室氣體排放的重要手段之一。但是，CCUS總體上仍處在研發(fā)和示范階段，目前仍存在許多制約其發(fā)展的突出問題，包括能耗和成本過(guò)高、可持續(xù)發(fā)展效益不顯著、長(zhǎng)期封存的安全性和可靠性等。

(2)發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)率先示范CCS技術(shù)，幫助發(fā)展中國(guó)家發(fā)展CCS技術(shù)。為促進(jìn)CCS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，歐盟、美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家均已啟動(dòng)大規(guī)模的計(jì)劃推動(dòng)CCS技術(shù)的研發(fā)與示范，并在G8，G20等框架下積極推動(dòng)CCS在全球范圍的發(fā)展。

(3)應(yīng)關(guān)注CO2資源化利用的新方法、新技術(shù)的合作研究與開發(fā)。CO2是工業(yè)活動(dòng)的必然產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行捕集和封存在經(jīng)濟(jì)上是純耗費(fèi)的行為，如能加以資源化利用，可創(chuàng)造額外的經(jīng)濟(jì)效益。因此，研發(fā)創(chuàng)新型的CO2資源化利用技術(shù)應(yīng)得到格外關(guān)注。開展CCUS技術(shù)研發(fā)和儲(chǔ)備，將為我國(guó)未來(lái)溫室氣體減排提供一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略性技術(shù)選擇。

3.2 我國(guó)發(fā)展CCUS的技術(shù)政策

我國(guó)政府對(duì)CCUS技術(shù)給予高度重視。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006年－2020年)》在先進(jìn)能源技術(shù)重點(diǎn)研究領(lǐng)域提出了“開發(fā)高效、清潔和CO2近零排放的化石能源開發(fā)利用技術(shù)”。國(guó)務(wù)院于2007-06-04發(fā)布《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》，方案將發(fā)展CCUS技術(shù)列入溫室氣體減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。2007-06-14，科技部聯(lián)合發(fā)改委、外交部等14個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化科技專項(xiàng)行動(dòng)》。《專項(xiàng)行動(dòng)》中明確將開發(fā)CCUS技術(shù)列入控制溫室氣體排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，并作為重要任務(wù)，加強(qiáng)研發(fā)投入，推動(dòng)技術(shù)示范。2011-07-04，國(guó)家科學(xué)技術(shù)部發(fā)布《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃明確提出我國(guó)將大力發(fā)展CO2捕集、利用與封存等技術(shù)。

3.3 我國(guó)發(fā)展CCUS的相關(guān)舉措

2005年，CCS技術(shù)被編入《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2006年－2020)》。2007年，國(guó)家發(fā)改委應(yīng)對(duì)氣候變化司設(shè)立了加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和推廣的目標(biāo)，其中包括CCS技術(shù)。同年由科技部、發(fā)改委等十四家部位和機(jī)構(gòu)發(fā)起的“國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化科技專項(xiàng)行動(dòng)”將研發(fā)CCS關(guān)鍵技術(shù)和措施、制定技術(shù)路線圖、開展能力建設(shè)和工程技術(shù)示范作為重要任務(wù)?？萍疾客ㄟ^(guò)“973計(jì)劃”、“863計(jì)劃”等大型科研項(xiàng)目支持CCS相關(guān)研究。2011-07-28，由亞行和發(fā)改委聯(lián)合主辦的“碳捕集和封存國(guó)際研討會(huì)”上國(guó)家發(fā)改委副主任解振華強(qiáng)調(diào)，應(yīng)該“大力加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和機(jī)制創(chuàng)新，加強(qiáng)清潔煤技術(shù)、核能技術(shù)、建筑節(jié)能、新能源汽車以及碳捕獲、利用和儲(chǔ)存等技術(shù)的自主研發(fā)和推廣”。同時(shí)，中國(guó)政府也積極與多國(guó)政府建立合作關(guān)系，支持和促進(jìn)相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開展CCS技術(shù)相關(guān)的國(guó)際合作。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)對(duì)能源的需求日益增加，溫室氣體排放量已位居世界前列，而中國(guó)又是一個(gè)深受氣候變化影響的發(fā)展中國(guó)家，極端天氣事件頻發(fā)。目前以煤炭為主的一次能源和以火力發(fā)電為主的二次能源結(jié)構(gòu)，使二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS)應(yīng)用前景廣闊，也必將成為我國(guó)碳減排和應(yīng)對(duì)氣候變化的重要戰(zhàn)略選擇。因此，研究CCUS技術(shù)發(fā)展原理，分析CCUS技術(shù)路線、技術(shù)政策等相關(guān)問題，為我國(guó)從事CCUS技術(shù)研究及工程示范提供參考。進(jìn)一步加強(qiáng)CCUS技術(shù)研究，推動(dòng)我國(guó)CCUS技術(shù)創(chuàng)新及技術(shù)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“十二五”減排戰(zhàn)略目標(biāo)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

［1］武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心.國(guó)際二氧化碳捕集與封存技術(shù)路線圖解析［EB/OL］.http://www.whlib.ac.cn/xxfw/qbyj/xny/yjcp/201103/ t20110318_3088965.html，2011-03-18.

［2］周蒂，孫珍.《廣東省二氧化碳捕集與封存可行性研究》中英合作項(xiàng)目正式啟動(dòng)［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2010，29(3):155－156.

［3］科技部網(wǎng)站.國(guó)家863計(jì)劃先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域基于IGCC的CO2捕集、利用與封存技術(shù)研究與示范［EB/OL］.http://www.most.gov.cn/tztg/201010/P020101021502232189245.pdf，2010-10-21.

［4］中國(guó)科技部.碳捕集、利用與封存技術(shù)在中國(guó)［EB/OL］.http:// toronto.china－consulate.org/chn/keji/t760530.htm，2010-10-13.

X701.7

B

1674－8069(2012)04－008－03

2012-03-26;

2012-06-05

韓桂芬(1961-)，女，江蘇靖江人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究工作。E－mail:hgfynp@126.com

Abstract:Carbon Capture，Utilization and Storage(CCUS)，a new and enormous potential technology of large－scale eliminated reduction，has become one of the hottest issues all over the world recently.The fundamental principles of CCUS is presented briefly，the technical approaches of CCUS of China and several major developed countries are illustratecd，and the development of CCUS technology of China is analyzed，including principles，strategies and corroborated measures which aims at contributing to the development of CCUS technology and demonstration projects of our country.

Key words:carbon capture;utilization and storage;technical principle;technical approach;technical strategy