二氧化碳捕集研究進(jìn)展及對(duì)策建議

徐文佳，王萬(wàn)福，王文思

（中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 100085）

1 引言

全球極端天氣頻發(fā)，氣候變化問(wèn)題備受關(guān)注。2010年全球化石能源溫室氣體排放已達(dá)306億t，較2002年的235億t大幅增長(zhǎng)，新增排放主要來(lái)自發(fā)展中國(guó)家。氣候變化談判舉步維艱，我國(guó)面臨國(guó)際巨大減排壓力。我國(guó)政府提出，到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。“十二五”規(guī)劃進(jìn)一步要求，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降17%。2011年6月國(guó)家發(fā)改委提出設(shè)置重點(diǎn)行業(yè)能耗總量“天花板”。

石油和天然氣工業(yè)大約占全球CO2排放量的6%國(guó)際水平［1］。根據(jù)中科院研究成果，我國(guó)工業(yè)二氧化碳排放量中，石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)排第二位，占二氧化碳排放總量的比例為15.7%［2］。同時(shí)，石油行業(yè)還是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要依托，因此我國(guó)石油石化行業(yè)大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有重要現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

CO2減排是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。減排途徑包括節(jié)能、發(fā)展低碳能源（如核能和可再生能源等）、增加生物碳匯、CO2捕集和封存（CO2capture and storage，簡(jiǎn)稱(chēng) CCS）等，其中CCS是應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題最具發(fā)展前景的解決方案之一［3］。根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織（OECD）和國(guó)際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有電廠(chǎng)二氧化碳年排放量約106億t，占全世界排放總量的40.6%，其中燃煤電廠(chǎng)76億t，占發(fā)電行業(yè)排放量的72%。因此，對(duì)電廠(chǎng)二氧化碳進(jìn)行捕集是緩解二氧化碳排放危機(jī)的有效手段，同時(shí)還能通過(guò)回收有價(jià)值副產(chǎn)品而降低減排成本。在CCS過(guò)程中，CO2捕集技術(shù)成本高昂，是目前研究的重點(diǎn)，因此本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外CO2捕集技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 國(guó)內(nèi)外二氧化碳捕集技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外CO2捕集主要有3條技術(shù)路線(xiàn)：燃燒前分離、燃燒后分離和富氧燃燒。

（1）燃燒前分離，此技術(shù)適合煤氣化聯(lián)合發(fā)電廠(chǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)IGCC）；從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，IGCC電廠(chǎng)采用燃燒前捕集會(huì)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镮GCC電廠(chǎng)有更高的濃度和氣壓，收集CO2能耗會(huì)降低；但是大規(guī)模地進(jìn)行燃燒前CO2捕集，要先建IGCC電廠(chǎng)，本身投資很高，目前國(guó)內(nèi)工業(yè)化應(yīng)用還不實(shí)際。

（2）燃燒后分離，這種技術(shù)較成熟，適合于燃煤電廠(chǎng)，但目前能耗高、成本高；如果實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有工藝技術(shù)等辦法，成本和能耗是有降低潛力的；國(guó)內(nèi)要實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)的減排，在20年內(nèi)這種技術(shù)應(yīng)該是最適合的，因此下文中主要對(duì)此類(lèi)技術(shù)詳細(xì)介紹。

（3）富氧燃燒，屬于改造技術(shù)，結(jié)合了燃燒前和燃燒后技術(shù)；用富氧空氣作為氧化劑能夠提高燃燒后氣體的CO2濃度，捕集起來(lái)更容易；但是所面臨的問(wèn)題是制氧的能耗較高，另外還要對(duì)鍋爐進(jìn)行改造。

以上3類(lèi)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀如表1所示。

表1 CCS捕集技術(shù)分類(lèi)

現(xiàn)有電廠(chǎng)、煉廠(chǎng)等煙氣中CO2燃燒后捕集技術(shù)主要有溶劑吸收法、膜分離法、吸附法和低溫分離法。

溶劑吸收法又分為物理吸收法和化學(xué)吸收法。物理吸收法是以有機(jī)化合物作為溶劑，在高壓低溫下使CO2組分溶解于溶劑內(nèi)，吸收CO2的溶劑又在低壓、高溫下釋放CO2，使溶劑恢復(fù)吸收能力，脫碳過(guò)程可循環(huán)操作，常用的物理吸收法有Flour法、Selexol法和低溫甲醇法?；瘜W(xué)吸收法是利用一種含堿或堿性溶液來(lái)吸收天然氣中的酸性氣體，經(jīng)過(guò)加熱再釋放出CO2，使吸收溶劑再生恢復(fù)活性。常用的吸收劑有兩大類(lèi)：醇胺類(lèi)和碳酸鉀復(fù)合溶液。目前國(guó)際上研究常壓二氧化碳捕集技術(shù)，大多采用吸收法捕集技術(shù)，包括加拿大雷吉納大學(xué)和日本三菱重工等多套實(shí)驗(yàn)示范裝置，研究的主要方向是吸收溶劑的研發(fā)、捕集設(shè)備性能的提高和過(guò)程優(yōu)化節(jié)能技術(shù)。另外，氨法是近幾年得到廣泛開(kāi)發(fā)的CO2捕集技術(shù)［4］。氨法的CO2吸收分離原理與醇胺法相似，在水溶液中氨與CO2反應(yīng)生成碳酸銨，過(guò)量的CO2則可生成碳酸氫銨。當(dāng)煙氣中含有SO2和NOX時(shí)，氨水還可以與其反應(yīng)生成硫酸銨和硝酸銨成為該工藝的副產(chǎn)品。阿爾斯通公司開(kāi)發(fā)了基于氨的新工藝。氨水工藝與常規(guī)胺類(lèi)相比，有3大優(yōu)點(diǎn)：①蒸汽負(fù)荷小（500 BTU／磅二氧化碳）；②產(chǎn)生較濃縮的二氧化碳攜帶物；③較低的化學(xué)品成本。2011年5月，阿爾斯通電力宣布了美國(guó)電力公司Mountaineer電廠(chǎng)的冷氨碳捕集與封存驗(yàn)證項(xiàng)目的成功運(yùn)行。煙氣分流經(jīng)過(guò)冷卻后與碳酸氨溶液混合接觸，溶液吸收二氧化碳生成碳酸氫氨，然后碳酸氫氨溶液在分離工藝中被加壓和加熱，從而安全有效地釋放出高純度的二氧化碳?xì)怏w。

膜分離是根據(jù)聚合物膜對(duì)不同氣體的相對(duì)滲透率不同而分離。當(dāng)含雜質(zhì)的天然氣通過(guò)膜分離器時(shí)，CO2先被選擇性地吸收到膜中，再擴(kuò)散到低壓側(cè)形成滲透氣，沒(méi)有滲出的氣體作為保留氣體仍留在高壓側(cè)作為滲余氣，從而脫除CO2［5］。膜分離技術(shù)具有投資少、能耗低、設(shè)備緊湊、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，作為二氧化碳捕集技術(shù)受到普遍關(guān)注。雖然膜分離法具有裝置簡(jiǎn)單、操作方便、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界上發(fā)展較迅速的一項(xiàng)二氧化碳捕集技術(shù)，但是其缺點(diǎn)是很難得到高純度的二氧化碳，為了得到高純度的二氧化碳，它必須與溶劑吸收法結(jié)合起來(lái)。前者用于粗分離，后者做精分離，工藝極其復(fù)雜。

吸附法屬于物理吸附法，根據(jù)吸附劑對(duì)CO2和CH4的選擇性吸附能力不同來(lái)脫除天然氣中的CO2。該工藝是以吸附劑在高壓（吸附壓力）下對(duì)吸附質(zhì)的吸附容量大，而在低壓（解吸壓力）下吸附容量小的特征為依據(jù)，由選擇吸附和解吸再生兩個(gè)階段組成的交替切換循環(huán)工藝。變壓吸附法的優(yōu)點(diǎn)在于工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、裝置操作彈性大、能耗低且無(wú)腐蝕和污染，主要用于合成氨等化工行業(yè)，但一直存在吸附劑選擇性和產(chǎn)品氣回收率不高的問(wèn)題。變壓吸附法用于電廠(chǎng)、水泥廠(chǎng)等煙道氣中二氧化碳濃度較低的裝置中，成本比較高。因此，變壓吸附法脫碳的關(guān)鍵在于高效吸附劑的開(kāi)發(fā)和選擇。

CO2低溫制冷捕集技術(shù)目前成本還比較高，此工藝基于冷卻和冷凝的分離原理。這種方法適用于含有高濃度CO2氣體的捕集，目前還沒(méi)有應(yīng)用于有較低CO2濃度的氣體上。美國(guó)?？松梨谑凸就顿Y1億美元研發(fā)能夠降低二氧化碳捕獲和儲(chǔ)藏成本的制冷技術(shù)，此項(xiàng)試驗(yàn)已于2009年開(kāi)始，預(yù)計(jì)持續(xù)10年以上。

脫碳除了物理化學(xué)方法之外，還有藻類(lèi)、細(xì)菌和植物的生物方法。CO2在光生物反應(yīng)器的微藻生物固定化的脫碳方面最近再受關(guān)注，但光照不足，會(huì)限制微生物的生長(zhǎng)，因此會(huì)減少碳的脫除。化學(xué)自養(yǎng)微生物使用無(wú)機(jī)化學(xué)品代替光能進(jìn)行脫碳已成功得到試用。

通過(guò)以上技術(shù)介紹，可以看出目前用于CO2捕集的技術(shù)有很多，如溶劑吸收法、吸附法、膜分離、CO2低溫制冷技術(shù)等，并各有優(yōu)劣勢(shì)。其中，溶劑吸收法分離效果好，可得到高純度CO2，技術(shù)較成熟，易于實(shí)施。如進(jìn)一步對(duì)高效捕集溶劑、高效吸收解吸傳質(zhì)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，捕集過(guò)程的模擬進(jìn)行優(yōu)化，有望實(shí)現(xiàn)二氧化碳捕集能耗的大幅度降低，有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

3 國(guó)內(nèi)二氧化碳捕集技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著CCS技術(shù)的興起，目前國(guó)內(nèi)研究二氧化碳捕集的科研機(jī)構(gòu)和公司越來(lái)越多，碳捕集研究越來(lái)越受到關(guān)注，并逐步開(kāi)展試點(diǎn)和示范。2005年中國(guó)開(kāi)始對(duì)CCS技術(shù)進(jìn)行全面規(guī)劃部署，CCS技術(shù)被編入《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）》。目前國(guó)內(nèi)已有的二氧化碳捕集裝置中，采用的捕集方法包括化學(xué)吸收法、變壓吸附法和富氧燃燒，其中以化學(xué)吸收法為主，包括華能北京高碑店熱電廠(chǎng)二氧化碳捕集示范工程、華能石洞口第二電廠(chǎng)碳捕獲、中石化勝利油田二氧化碳捕集驅(qū)油和中石油吉林油田二氧化碳捕集驅(qū)油；神華集團(tuán)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市二氧化碳捕集封存全流程項(xiàng)目是從煤制油生產(chǎn)線(xiàn)中變壓吸附法捕捉碳。各示范工程詳細(xì)情況如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)碳捕集技術(shù)示范工程

由中國(guó)目前正在運(yùn)行的二氧化碳捕集示范工程可以看出，電廠(chǎng)煙氣是CO2捕集主要的源頭，以燃燒后捕集方式為主。目前，制約我國(guó)碳捕集技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題主要有2個(gè)：一是從行業(yè)分布上，碳捕集技術(shù)的研究主體主要集中在油氣行業(yè)、煤炭行業(yè)和電力行業(yè)，行業(yè)間合作瓶頸難以突破。二是鑒于成本高等原因，年減排量在萬(wàn)噸級(jí)別，與挪威國(guó)際石油公司Sleipner天然氣田CCS項(xiàng)目、位于阿爾及利亞的InSalah項(xiàng)目、加拿大Weyburn項(xiàng)目百萬(wàn)噸的CO2減排量［9］相比還有一定差距。工業(yè)上的應(yīng)用也主要是提高石油采收率。

4 對(duì)策與建議

中國(guó)政府已量化2020年的溫室氣體減排目標(biāo)，可以預(yù)見(jiàn)中國(guó)石油石化行業(yè)未來(lái)將承擔(dān)相應(yīng)的減排任務(wù)。開(kāi)展溫室氣體直接減排二氧化碳捕集是解決全球氣候變暖問(wèn)題的最具發(fā)展前景的解決方案之一，是企業(yè)應(yīng)對(duì)國(guó)家減排要求的最有效手段。目前世界對(duì)此技術(shù)的研究仍都在起步階段，因此我國(guó)越早開(kāi)展此工作的引導(dǎo)作用和社會(huì)效益就越大。不同于其他新興能源產(chǎn)業(yè)，因?yàn)镃CS技術(shù)某種程度上可以看做化石能源燃燒的逆過(guò)程，傳統(tǒng)石油天然氣生產(chǎn)商在開(kāi)發(fā)利用CCS技術(shù)方面具有先天優(yōu)勢(shì)。因此中國(guó)石油石化行業(yè)應(yīng)進(jìn)行戰(zhàn)略部署，分步、分層次確立碳捕集技術(shù)的研發(fā)儲(chǔ)備和應(yīng)用。

（1）促進(jìn)國(guó)家CCS技術(shù)相關(guān)利好政策的出臺(tái)。CCS技術(shù)本身就是全球氣候變暖下各方尋求CO2減排解決方式的產(chǎn)物，因此相信CCS技術(shù)未來(lái)在世界范圍內(nèi)將會(huì)有更多的利好政策出臺(tái)。由于捕集－封存一體化集成項(xiàng)目往往跨企業(yè)、跨行業(yè)，涉及技術(shù)領(lǐng)域眾多，資金需求量大，在我國(guó)沒(méi)有明確政策和規(guī)范的條件下，研究力量和投入不夠集中，國(guó)際化專(zhuān)家和人才少，行業(yè)間合作瓶頸難以突破。如果政府不能出臺(tái)鼓勵(lì)政策，與企業(yè)共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)開(kāi)展相關(guān)工作將缺乏動(dòng)力和資金支持。建議國(guó)家進(jìn)一步推出鼓勵(lì)CCS集成示范的補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和成熟，提高中國(guó)CCS產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）重視國(guó)際合作和技術(shù)研發(fā)，降低高昂的成本。經(jīng)濟(jì)效益是目前CCS技術(shù)發(fā)展的最大障礙。根據(jù)目前全球范圍內(nèi)CCS試驗(yàn)性項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析［10］，二氧化碳捕集成本占CCS整個(gè)工藝流程的90%，約耗費(fèi)50～90歐元／t CO2，并且還需增加10%～40%的能源消耗量。歐盟各國(guó)目前是CCS技術(shù)的領(lǐng)跑者和擁有者，至2015年，歐洲將開(kāi)展10多個(gè)示范性先導(dǎo)項(xiàng)目，并在2020～2030年間，將該技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。雖然目前CCS發(fā)展中尚存在著巨大的挑戰(zhàn)與不確定性，但是我國(guó)必須重視CCS的技術(shù)研發(fā)與國(guó)際合作，持續(xù)關(guān)注聯(lián)合國(guó)氣候變化會(huì)議的焦點(diǎn)，不斷追蹤最新CCS技術(shù)進(jìn)展，適時(shí)開(kāi)展國(guó)際合作，加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)和裝備制造的國(guó)產(chǎn)化率，以期降低捕集成本，在國(guó)際外交和科技競(jìng)爭(zhēng)中處于主動(dòng)地位。

［1］Mckinsey.CO2abatement：Exploring potions for oil and natural gas companies，2009，11.

［2］國(guó)內(nèi)首份行業(yè)二氧化碳排放量名單公布［R］.北京：中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì).

［3］碳減排：美國(guó)倚重CCS技術(shù)［N］.中國(guó)化工報(bào)，2010－8－26.

［4］曾 慶，郭印誠(chéng)，牛振祺，等.氨法捕集煙道氣二氧化碳的研究［C］／／中國(guó)金屬學(xué)會(huì).2010年全國(guó)能源環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集.九江：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2010.

［5］蔡清峰，李有剛，張 林.膜技術(shù)用于CO2回收和捕集的研究進(jìn)展。廣州化工，2010，38（9）.

［6］Huang Bin，Xu Shisen，Gao Shiwang，et.Industrial test and techno－economic analysis of CO2capture in Huaneng Beijing coalfired power station.Applied Energy，2010（87）：3347～3354.

［7］佚 名.全球最大的燃煤電廠(chǎng)碳捕獲項(xiàng)目落戶(hù)上海［J］.電力建設(shè)，2009（9）：95.

［8］吳秀章，崔永君.神華10萬(wàn)t／a CO2鹽水層封存研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，10（增刊）.

［9］張麗君.二氧化碳捕集與地下埋存國(guó)際進(jìn)展［J］.國(guó)土資源情報(bào)，2007（11）：16～21.

［10］PROJECT INFORMATION DOSSIER：Lacq CO2Capture and Geological Storage Pilot Project，Total http：／／www.total.com／en／corporate－social－responsibility／special－reports／capture／lacq－pilot－stakeholderconsultation／carbon－dioxide－storage－total－lacq－＿14131.htm.