我國燃煤發(fā)電CCS/CCUS技術發(fā)展方向及發(fā)展路線圖研究

葉云云，廖海燕，王鵬，王軍偉，李全生

（1. 神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波 315612；2. 神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025；3. 廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山 529228；4. 國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011）

一、前言

《巴黎協(xié)定》為2020年后全球應對氣候變化行動作出安排，它是世界各國向低碳經濟轉型的承諾。CO2引起的氣候變化問題已成為國際社會普遍關心的重大全球性問題，正在對人類的生存與發(fā)展產生深刻影響。大氣中CO2濃度的大幅增加，主要源自于人類生產和生活過程中燃燒大量化石燃料，引起全球氣候變暖，導致一些動植物滅絕和極端惡劣天氣增多。我國CO2排放量世界第一，并將繼續(xù)增加，正面臨日益強烈的減排要求。因此，我國迫切需要采取有效措施，減少CO2排放量，減緩CO2排放強度。

CO2捕集、封存與利用技術，是一項新興的、具有較大潛力減排CO2的技術，有望實現(xiàn)化石能源的低碳利用，被認為是應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的重要技術之一[1]。但是，由于存在安全隱患、成本較高、能耗較大、CO2利用市場容量未知等多方面的挑戰(zhàn)，發(fā)展碳捕獲和埋存/碳捕獲、利用和埋存（CCS/CCUS）技術還廣受爭議。

本文通過調研CCS/CCUS技術的現(xiàn)狀與發(fā)展前景，提出我國CCS/CCUS技術的發(fā)展思路、發(fā)展目標，預測我國CO2排放量及使用CCS/CCUS技術的減排量，提出我國CCS/CCUS技術發(fā)展的保障措施及政策建議，以期為推動我國能源生產和消費革命提供參考依據(jù)。

二、發(fā)展現(xiàn)狀和國內外對比

CCS/CCUS技術涉及整個技術鏈條，包括二氧化碳捕集技術、二氧化碳運輸技術和二氧化碳埋存/利用技術。

（一）二氧化碳捕集技術

當前常用的二氧化碳捕集技術可分成三大類：燃燒后捕集技術、富氧燃燒技術和燃燒前捕集技術。

1.燃燒后捕集技術

燃燒后捕集技術就是從燃燒生成的煙氣中分離二氧化碳，主要包括化學吸收法、物理吸附法、膜分離以及低溫分餾等技術。燃燒后捕集是一種很好的方式，因為它不影響上游燃燒工藝過程，并且不受煙氣中CO2濃度影響，適合所有的燃燒過程[2]。

2014年，加拿大邊界大壩電廠3號機組燃燒后碳捕集全流程示范項目建成并投入運營，是目前世界上最大規(guī)模的燃燒后碳捕集項目[3]。自2007年12月，華能北京熱電廠建成我國第一個燃煤電廠燃后捕集示范項目以來，我國已經建成多個示范工程項目。2017年我國神華國華錦界電廠1.5×105t/a CCS全流程項目完成設計工作，開始建設。

2.富氧燃燒技術

富氧燃燒技術是用高純度的氧代替空氣作為主要的氧化劑燃燒化石燃料的技術[4]。它在保留原來的發(fā)電站結構的基礎上，把深冷空氣分離過程與傳統(tǒng)燃燒過程結合起來，使煙氣中的CO2濃度可達到80%或更高，再經過提純過程可以達到95%以上，從而滿足大規(guī)模管道輸送以及封存的需要。

富氧燃燒技術已在世界范圍內成為研究和發(fā)展的主題，國內外已建成多套試驗裝置和系統(tǒng)，中國、美國和英國等國家均在積極開展示范工程，但到目前為止，還沒有一家大規(guī)模全流程的富氧燃燒CCS示范電站建成[3]。

目前，制約富氧燃燒技術發(fā)展最大的瓶頸在于制氧設備投資和成本太高[5]，而近期出現(xiàn)的一些新的制氧技術，如變壓吸附、膜分離等技術，可望大幅度地降低制氧成本，但這些新技術尚未成熟，沒有大規(guī)模的商業(yè)應用。

3.燃燒前捕集技術

燃燒前捕集技術主要是指燃料燃燒前，將碳從燃料中分離出去，參與燃燒的燃料主要是H2，從而使燃料在燃燒過程中不產生CO2。該技術的主要優(yōu)點是CO2濃度較高，捕集系統(tǒng)小、能耗低，主要缺點是系統(tǒng)較為復雜，其應用的典型案例是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)（IGCC）。

自20世紀80年代中期開始運行第一臺IGCC電站以來，現(xiàn)在全世界已建、在建和擬建的IGCC電站近30座。我國現(xiàn)已具有多套300 MW級容量IGCC機組的氣化爐設計及建設經驗，以及200 MW級及以下容量IGCC機組氣化爐設計、建設、運行等業(yè)績。

（二）二氧化碳運輸技術

1.罐車運輸技術

用罐車運輸CO2的技術目前已經成熟，而且我國也具備了制造該類罐車和相關設備的能力。

罐車分為公路罐車和鐵路罐車兩種。公路罐車具有靈活、適應性強和方便可靠的優(yōu)點，但是運量小、運費高且連續(xù)性差。鐵路罐車可以長距離輸運大量CO2，但是除考慮到當前鐵路的現(xiàn)實條件，還需考慮在鐵路沿線配備CO2裝載、卸載以及臨時儲存等相關設施，勢必大大提高運輸成本，因此目前國際上還沒有用鐵路運輸?shù)南壤?/p>

2.船舶運輸技術

從世界范圍看，船舶運輸還處于起步階段，目前只有幾艘小型的輪船投入運行，還沒有大型的用于運輸CO2的船舶。但是必須注意到，當海上運輸距離超過1 000 km時，船舶運輸被認為是最經濟有效的CO2運輸方式，運輸成本將會下降到0.1 元 /（t·km）以下。

3.管道運輸技術

由于管道運輸具有連續(xù)、穩(wěn)定、經濟、環(huán)保等多方面優(yōu)點，而且技術成熟，對于CCS這樣需要長距離運輸大量CO2的系統(tǒng)來說，管道運輸被認為是最經濟的陸地運輸方式。但是，由于海上管道建設難度較大，建設成本較高，因此目前還沒有用于CO2運輸?shù)暮Ｉ瞎艿馈?/p>

從CO2運輸技術的整體發(fā)展來看，國外已有40多年用管道輸送CO2的實踐，積累了豐富的輸送經驗。國外管道輸送的主要做法是將捕集到的氣態(tài)CO2加壓至8 MPa以上，提升CO2密度，使其成為超臨界狀態(tài)，避免二相流，便于運輸和降低成本。目前，全球約有6 000 km的CO2運輸管線，每年運輸大約5×107t CO2，其中美國有超過5 000 km的CO2運輸管線。

在利用管道輸送CO2時，最重要的問題是控制上游氣源的含水量符合管道輸送要求，同時要做好CO2泄漏檢測的報警工作，有條件時可采用音波泄漏檢測系統(tǒng)，實時檢測管道的泄漏點。在高壓泄放時，要防止人員凍傷。考慮CO2對橡膠的溶解性，清管器密封圈以及閥門和泵類密封材料都要選擇強度高的橡膠材料。

對于CO2輸送成本，點對點式CO2輸送管道在初始階段建設成本較低，經濟性高于管網式，但隨著運營時間延長和規(guī)模增加，管網式CO2輸送管道的成本會大幅下降，更適于大規(guī)模CCS/CCUS技術應用。

我國CO2輸送以陸路低溫儲罐運輸為主，尚無商業(yè)運營的CO2輸送管道，只有幾條短距離試驗用管道。如大慶油田在薩南東部過渡帶進行的CO2-EOR先導性試驗中所建的6.5 km的CO2輸送管道，用于將大慶煉油廠加氫車間的副產品CO2低壓輸送至試驗場地。目前，我國有關CO2運輸技術的研究剛剛起步。與國外相比，主要技術差距在CO2源匯匹配的管網規(guī)劃與優(yōu)化設計技術、大排量壓縮機等管道輸送關鍵設備、安全控制與監(jiān)測技術等方面。

（三）二氧化碳利用技術

二氧化碳利用技術主要包括CO2地質利用技術、CO2化工利用技術以及CO2生物利用技術。

1.二氧化碳地質利用技術

CO2地質利用是指將CO2注入地下，利用地下礦物或地質條件生產或強化有利用價值的產品，且相對于傳統(tǒng)工藝可減少CO2排放的過程[6,7]。目前，CO2地質利用技術主要包括以下幾種。

（1） CO2強化石油開采技術：將CO2注入油藏，利用其與石油的物理化學作用，以實現(xiàn)增產石油并封存CO2的工業(yè)過程。

（2）CO2驅替煤層氣技術：將CO2或者含CO2的混合氣體注入深部不可開采的煤層中，以實現(xiàn)CO2長期封存，同時強化煤層氣開采的過程。

（3）CO2強化天然氣開采技術：注入CO2到即將枯竭的天然氣氣藏底部，將因自然枯竭而無法開采的殘存天然氣驅替出來從而提高采收率，同時將CO2封存于氣藏地質結構中。

（4）CO2增強頁巖氣開采技術：利用CO2代替水來壓裂頁巖，并利用CO2吸附頁巖能力比CH4強的特點，置換CH4，從而提高頁巖氣開采率，并實現(xiàn)CO2封存的過程。

2.二氧化碳化工利用技術

CO2化工利用是指以化學轉化為主要特征，將CO2和共反應物轉化成為目標產物，從而實現(xiàn)CO2的資源化利用[8]。目前，已經實現(xiàn)了CO2較大規(guī)模化學利用的商業(yè)化技術主要包括以下技術。

（1）CO2與甲烷重整制備合成氣技術：在催化劑作用下，CO2和CH4反應生成合成氣（CO和H2的混合物）的過程。

（2）CO2經CO制備液體燃料技術：將CO2裂解成為CO和O2，并與后續(xù)成熟技術銜接合成各類液體燃料或化學品的過程。

（3）CO2加氫合成甲醇技術：在一定溫度、壓力下，利用H2與CO2作為原料氣，通過在催化劑（銅基或其他金屬氧化物催化劑）上加氫反應催化轉化生產甲醇。

（4）CO2合成碳酸二甲酯技術：以CO2為原料，在催化劑的作用下，直接或間接合成碳酸二甲酯的系列技術。

3.二氧化碳生物利用技術

CO2生物利用技術是指以生物轉化為主要特征，通過植物光合作用等，將CO2用于生物質的合成，從而實現(xiàn)CO2資源化利用。當前，CO2生物利用技術還處于初期發(fā)展階段，其研究主要集中在以下幾個方面。

（1）微藻固定CO2轉化為生物燃料和化學品技術：利用微藻的光合作用，將CO2和水在葉綠體內轉化為單糖和氧氣，單糖可在細胞內繼續(xù)轉化為中性甘油三酯（TAG），甘油三酯酯化后形成生物柴油。

（2）微藻固定CO2轉化為生物肥料技術：利用微藻的光合作用，將CO2和水在葉綠體內轉化為單糖和氧氣；同時絲狀藍藻能將空氣中的無機氮轉化為可被植物利用的有機氮。

（3）微藻固定CO2轉化為食品和飼料添加劑技術：利用部分微藻的光合作用，將CO2和水在葉綠體內轉化為單糖，接著將單糖在細胞內轉化為不飽和脂肪酸和蝦青素等高附加值次生代謝物。

（4）CO2氣肥利用技術：將來自能源和工業(yè)生產過程中捕集、提純的CO2注入溫室，增加溫室中CO2的濃度來提升作物光合作用速率，以提高作物產量的CO2利用技術。

4.二氧化碳礦化利用技術現(xiàn)狀

CO2礦化是近年來提出的一種CO2利用方法，主要利用地球上廣泛存在的橄欖石、蛇紋石等堿土金屬氧化物與CO2反應，將其轉化為穩(wěn)定的碳酸鹽類化合物，從而實現(xiàn)CO2減排。該技術的優(yōu)點為：可規(guī)避CO2地質封存的各種風險和不確定性，從而保證了CO2末端減排技術的經濟性、安全性、穩(wěn)定性和持續(xù)性；CO2礦化量大，若將地殼中1%的鈣、鎂離子進行CO2礦化利用，按50%轉化率計，可礦化約2.56×1015t CO2，可滿足人類約8.5萬年的CO2減排需求；若再利用鉀長石（總量約為9.56×1013t），理論上可再處理超過3.82×1012t CO2。因此，CO2礦化是實際可行的大規(guī)模減排并開發(fā)利用CO2的有效辦法。該技術的缺點是在常溫常壓下，礦物與CO2反應速率相當緩慢。因此，提高碳酸化反應速率成為礦物儲存技術的關鍵。

國外一些研究人員開發(fā)了基于氯化物的CO2礦物碳酸化反應技術、濕法礦物碳酸法技術、干法碳酸法技術以及生物碳酸法技術等，實驗結果均不是很理想。中國石油化工集團公司與四川大學合作開發(fā)了CO2礦化磷石膏（CaSO4·2H2O）技術，采用石膏氨水懸浮液直接吸收CO2尾氣制硫銨，已建成100 Nm3/h的尾氣CO2直接礦化磷石膏聯(lián)產硫基復合肥中試裝置，尾氣CO2直接礦化為碳酸鈣使磷石膏固相CaSO4·2H2O轉化率超過92%，72 h連續(xù)試驗中尾氣CO2捕獲率為70%。

其反應式如下：

2NH3+ CO2+ CaSO4·2H2O → CaCO3↓(固) +

(NH4)2SO4+ H2O

該技術在國內外率先提出低濃度尾氣CO2直接礦化磷石膏聯(lián)產硫基復合肥與碳酸鈣的一步法新工藝，以氨為耦合媒介，將含CO2的煙氣與磷石膏轉化耦合，把煙氣中的CO2轉移到磷石膏懸浮液中，并通入氨氣使之形成氣-液-固三相循環(huán)流化轉化過程，半成品料漿經后續(xù)加工可得到硫基復合肥——硫酸銨（(NH4)2SO4）和沉淀碳酸鈣（CaCO3）兩種產品。

磷石膏是生產濕法磷酸過程中形成的廢渣，每生產1 t濕法磷酸約產生5～6 t磷石膏廢渣，我國每年產生磷石膏廢渣5×107t左右，每年需新增堆放場地2 800 km2。由于磷石膏中含有少量磷、氟等雜質，這些雜質會通過雨水流到地下水或附近流域，因此磷石膏長期堆放，不僅占用大量土地，而且會因堆放場地處理不規(guī)范對周邊環(huán)境產生污染，更嚴重的會產生潰壩事件；另一方面，我國缺乏硫資源，每年需要進口大量硫磺維持磷復肥生產。開發(fā)利用磷石膏制取硫酸銨和碳酸鈣技術，不僅可以解決磷石膏廢渣綜合利用問題，制取的硫酸銨作為肥料，副產的碳酸鈣可以作為生產水泥的原料。

CO2礦化磷石膏制硫銨技術的創(chuàng)新點為：以廢治廢、提高CO2和磷石膏資源化利用的經濟性，從而實現(xiàn)工業(yè)固體廢物礦化CO2聯(lián)產化工產品。此技術改變了傳統(tǒng)“捕集+封存”的低碳路徑，通過對含CO2氣體的直接化學利用，消除了CO2捕集和封存的耗費和風險，將低碳的經濟性和可靠性得以最大化。同時，此技術通過將廢棄的磷石膏轉化為有用的硫胺和碳酸鈣，有助于消除磷石膏對土地的占用和環(huán)境的污染。

（四）國內外對比

CCS/CCUS技術盡管在國外已有十幾年的研究歷史，但大部分主要技術不同程度地處于理論研究、實驗室研究、工業(yè)示范和小范圍商業(yè)性運作階段，尚處于“特定條件下經濟可行”階段。在CO2捕集分離方面，目前雖然燃燒后捕集和燃燒前捕集技術已經成熟，可以大規(guī)模實踐，但其能耗和成本還較高；而富氧燃燒捕集技術尚不成熟。在CO2驅油、驅氣和封存方面，驅油技術雖較為成熟，但多數(shù)國家缺乏低成本的CO2氣源；驅煤層氣受到的影響因素較多；封存地點尚未進行全面地質勘查，缺乏安全監(jiān)測技術。在CO2化工利用方面，多數(shù)技術剛開始工業(yè)化、成熟度不高、產品成本較高，能吸納的CO2有限。在CO2微藻制油方面，技術尚不成熟，還處于中試階段，占地大、投資多、能耗高、成本高。在CO2礦化方面，技術還處于實驗室階段。總體上，國際上尚缺乏該技術全鏈條（捕集-運輸-埋存/利用）的大規(guī)模工程示范。

CCS/CCUS的技術研發(fā)起源于歐美等發(fā)達國家，但通過國際合作和交流，近年來我國CCS/CCUS技術的發(fā)展速度較快。目前，我國在燃煤電廠煙氣的CO2后捕集、煤制油和IGCC的CO2前捕集，均有工業(yè)規(guī)模的示范工程在運行。因此，我國在捕集技術研發(fā)和應用上落后并不多，甚至有些方面在工程應用上還處于領先地位。但在CO2的運輸管道建設、化學鏈燃燒等前沿技術、CO2利用等方面，與美國等發(fā)達國家相比還比較落后。

三、CCS/CCUS技術的發(fā)展方向

（一）二氧化碳捕集技術路線

1.燃燒后捕集技術

該技術國內外應用比較成熟，但主要應用于水泥窯爐和冶煉爐，應用于商業(yè)規(guī)模電廠的燃燒后捕集技術僅僅處于示范階段。針對燃燒后捕集2020年以前重點發(fā)展醇胺法捕集技術，開展工業(yè)示范和規(guī)?；夹g推廣；進行熱鉀堿法捕集技術研發(fā)。2020—2030年實現(xiàn)醇胺法捕集技術商業(yè)化推廣，進行熱鉀堿法捕集技術示范；2030—2050年形成低成本燃燒后捕集技術體系并商業(yè)化應用。

2.富氧燃燒捕集技術

2020年以前重點開展低能耗、低成本氧氣提純技術，降低大型空分工藝能耗；研發(fā)高溫耐熱材料及燃燒鍋爐設備，降低空氣污染。2020—2030年積極開展大型富氧燃燒捕集技術示范，進一步評價技術的可行性和經濟性。2030年后實現(xiàn)超超臨界富氧燃燒技術規(guī)?；瘧谩?/p>

3.燃燒前捕集技術

以IGCC建設為基礎，2020年以前加大高溫煤氣凈化技術研發(fā)、低能耗高效率燃氣輪機的研發(fā)、高效氣化爐研制及低能耗制氧空分系統(tǒng)和蒸汽循環(huán)系統(tǒng)探究，開展IGCC項目中試示范；2020—2030年通過新技術研發(fā)和耦合新能源工藝流程的優(yōu)化，形成低成本、低能耗、高性能燃燒前捕集技術，并進行工業(yè)示范，2030年以后達到成熟應用、工業(yè)推廣、商業(yè)化運營階段。

（二）二氧化碳運輸技術路線

通過管道運輸CO2是CCS的首選，但是這并不意味著對于CCS系統(tǒng)來說，罐車、船舶等運輸方式沒有可行性。待CCS系統(tǒng)發(fā)展到一定程度后，其余幾種運輸方式可以作為管道運輸?shù)难a充，從而使CO2的運輸更加高效完善。

到2020年，建立并形成完善的CO2管道輸送相關標準體系，健全安全控制技術體系，建成百萬噸級全流程示范，輸送管長達到200 km，成本控制到80元/t，年輸送能力超過1×106t；到2030年全面掌握產業(yè)化技術能力，輸送管長達到1 000 km以上，成本控制到70元/t，年輸送能力超過1×107t；到2050年，全面推廣實施應用CO2輸送技術，建設超過5 000 km的CO2輸送管道，成本控制到70元/t以下，年輸送能力超過5×107t。

（三）二氧化碳利用技術路線

1.二氧化碳地質利用技術

CO2驅油技術：CO2驅油技術發(fā)展最早也是最成熟的埋存技術。到2020年，在詳細資源評估的基礎上，結合CO2集中排放源的分布，優(yōu)化源-匯匹配研究，完成源-匯匹配規(guī)劃方案設計，跨行業(yè)、跨部門合作開展CO2捕集-驅油-埋存一體化技術研發(fā)，做到方案設計、技術實施、經濟評估一體化統(tǒng)籌規(guī)劃，加大CO2驅油應用力度，投入6 000～12 000 t儲量進行CO2驅油；2030年以后進入商業(yè)化、規(guī)范化的推廣應用，大力實施CO2捕集-驅油-埋存一體化項目，累積投入儲量5×108～1×109t。

CO2驅煤層氣技術：該技術尚未成熟，目前處于機理研究和井組試驗階段。到2020年完成源-匯匹配優(yōu)化研究及規(guī)劃，開展區(qū)塊先導試驗示范工程建設；2030年大力開展CO2捕集-驅氣-埋存一體化、CO2捕集-埋存一體化技術研發(fā)，實施大型一體化示范工程項目，落實環(huán)境安全監(jiān)測方法及長期埋存安全性監(jiān)測技術研究；到2050年實現(xiàn)全流程技術推廣和規(guī)?；?、商業(yè)化項目實施。

2.二氧化碳化工利用

CO2化工產品利用：到2020年加大CO2化學轉化制取合成氣、甲醇、聚氨酯等新產品技術的研發(fā)，建立萬噸以上化工利用工程示范；到2030年建立10萬噸級以上大規(guī)模產業(yè)化工程示范，開展CO2化學轉化制取能源、化工產品技術產業(yè)化優(yōu)化與裝備研發(fā)；到2050年建立完整的CO2化工應用與產品體系，形成商業(yè)化推廣應用技術能力，大規(guī)模工業(yè)化推廣CO2化工利用新技術。

3.二氧化碳生物利用

微藻生物固定CO2轉化技術：當前重點攻關低成本養(yǎng)殖及制油技術研發(fā)，建立微藻養(yǎng)殖及制油中試示范工程，以此為載體開展提高光合效率技術研發(fā)和高值副產品生物煉制技術研究；到2030年形成高值副產品生物煉制技術，開展微藻養(yǎng)殖與土地資源合理布局優(yōu)化，推廣高產微藻養(yǎng)殖技術，開展低成本、低能耗收獲及加工技術研發(fā)，建立示范工程；2050年形成微藻研制及制油技術、副產品加工技術商業(yè)生產能力，開展商業(yè)化技術推廣。

4.二氧化碳礦化利用

2020年建立若干CO2礦化技術工業(yè)示范裝置，逐步擴大示范工程規(guī)模；到2050年實現(xiàn)商業(yè)化應用，技術成熟、能耗降低。

（四）技術路線

1. 二氧化碳捕集技術

對于二氧化碳捕集技術的發(fā)展，根據(jù)我國的實際情況，建議我國中長期碳捕集技術路線圖如圖1所示。

2015—2020年：

圖1 我國中長期碳捕集技術路線圖

（1）對于燃后捕集技術：重點發(fā)展醇胺法捕集技術，開展工業(yè)示范和規(guī)模化技術推廣，進行熱鉀堿法捕集技術研發(fā)；

（2）對于富氧燃燒技術：重點開展低能耗、低成本氧氣提純技術，降低大型空分工藝能耗，研發(fā)高溫耐熱材料及燃燒鍋爐設備，減少空氣污染；

（3）對于燃燒前捕集技術：加大高溫煤氣凈化技術研發(fā)、低能耗高效率燃氣輪機的研發(fā)、高效氣化爐研制及低能耗制氧空分系統(tǒng)和蒸汽循環(huán)系統(tǒng)探究，開展IGCC項目中試示范。

2020—2030年：

（1）對于燃燒后捕集技術：實現(xiàn)醇胺法捕集技術商業(yè)化推廣，進行熱鉀堿法捕集技術示范；

（2）對于富氧燃燒技術：積極開展大型富氧燃燒捕集技術示范，進一步評價技術的可行性和經濟性；

（3）對于燃燒前捕集技術：通過新技術研發(fā)和耦合新能源工藝流程的優(yōu)化，形成低成本、低能耗、高性能燃燒前捕集技術，并進行工業(yè)示范。

2030—2050年：

（1）對于燃燒后捕集技術：形成低成本燃燒后捕集技術體系并商業(yè)化應用；

（2）對于富氧燃燒技術：實現(xiàn)超超臨界富氧燃燒技術規(guī)?；瘧?；

（3）對于燃燒前捕集技術：達到成熟應用，工業(yè)推廣，商業(yè)化運營。

2.二氧化碳運輸技術

對于二氧化碳運輸技術的發(fā)展，建議其技術發(fā)展時間表和各階段里程碑事件如下。

2015—2020年：

建立并形成完善的CO2管道輸送相關標準體系，健全安全控制技術體系，建成百萬噸級全流程示范，輸送管長達到200 km，成本控制到80元/t，年輸送能力超過1×106t。

2020—2030年：

全面掌握產業(yè)化技術能力，輸送管長達到1 000 km以上，成本控制到70元/t，年輸送能力超過 1×107t。

2030—2050年：

全面推廣實施應用CO2輸送技術，建設超過5 000 km的CO2輸送管道，成本控制到70元/t以下，年輸送能力超過5×107t。

3.二氧化碳利用技術

對于二氧化碳利用技術，根據(jù)我國目前的技術發(fā)展和經濟情況，建議其技術發(fā)展時間表和各階段里程碑事件如下。

2015—2020年：

（1）對于CO2地質利用技術：詳細地做好資源評估，并開展及擴大相應的實驗研究；

（2）對于CO2化工利用技術：進一步推廣和擴大傳統(tǒng)CO2化工產品利用技術，開展耦合新能源的低能耗、低成本CO2化工產品生產工藝技術研究；

（3）對于CO2生物利用技術：推廣氣肥利用技術；以微藻固碳為重點，研發(fā)和示范先進CO2生物利用技術[9]。

2020—2030年：

（1）對于CO2地質利用技術：完成源-匯匹配優(yōu)化研究及規(guī)劃，開展區(qū)塊先導試驗示范工程建設；

（2）對于CO2化工利用技術：加大CO2化學轉化制取合成氣、甲醇、聚氨酯等新產品技術的研發(fā)，建立萬噸以上化工利用工程示范；

（3）對于CO2生物利用技術：以微藻固碳為重點，建立若干CO2生物利用的規(guī)模化能源農場，利用CO2增強生物質液體燃料、化工品等生物能源產出。

2030—2050年：

（1）對于CO2地質利用技術：實現(xiàn)技術推廣，實施規(guī)模化、商業(yè)化的項目。

（2）對于CO2化工利用技術：2030年，建立10萬噸級以上大規(guī)模產業(yè)化工程示范，開展CO2化學轉化制取能源、化工產品技術產業(yè)化優(yōu)化與裝備研發(fā)；到2050年，建立完整的CO2化工應用與產品體系，形成商業(yè)化推廣應用技術能力，進行CO2化工利用新技術的大規(guī)模工業(yè)化推廣。

（3）對于CO2生物利用技術：應用推廣以微藻固碳為重點的先進CO2生物利用技術。

（五）技術經濟性分析

目前，CCS/CCUS主要核心技術尚不成熟，大部分處于理論研究、實驗室研究、工業(yè)示范和小范圍商業(yè)性運作階段，尚處于“特定條件下經濟可行”階段。CCS/CCUS技術的成本和能耗較高、經濟性較差，其中CO2捕集成本占整個CCS總成本的70%以上。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）估算，燃燒后CO2的捕集成本約為29～51美元/t，IGCC中CO2的捕集成本為13～37美元/t；超臨界電廠、天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）電廠和IGCC電廠若要捕集90%的CO2，每千瓦時的能耗分別要增加24%～40%、11%～20%和14%～25%。在目前的技術水平下，CO2驅油、驅煤層氣、鹽水層埋存、微藻生物制油可實現(xiàn)CO2凈減排，但礦化和化工利用卻不能實現(xiàn)凈減排。另外，CO2驅油長周期埋存存在安全性問題，輸送和鹽水層埋存也存在泄漏影響環(huán)境、誘發(fā)地震等風險。

四、我國CO2排放量及CCS/CCUS技術減排量預測

情景一：根據(jù)2005—2017年我國CO2實際排放量，利用增長趨勢法預測未來我國CO2的排放量，基本維持現(xiàn)狀，在沒有考慮采取新措施的情況下，結果如圖2所示。

情景二：不考慮能源結構的調整，不采用CCS/CCUS技術，僅考慮采取節(jié)能措施減少我國CO2排放量，結果如圖3所示。

情景三：考慮采取情景一節(jié)能措施及情景二國家能源消費結構調整平穩(wěn)發(fā)展方案，預測2020年、2030年、2050年CO2排放量。

圖2 情景一我國CO2排放量預測

圖3 情景二我國CO2排放量預測

綜合考慮合理控制能源消費總量和調整能源結構，基于現(xiàn)有可預期的政策及技術條件，對2020年、2030年和2050年我國一次能源生產總量和結構目標進行預測。預測采用間接法，以國內生產總值和單位GDP能耗為變量，建立生產能源需求預測函數(shù)。所引用歷史數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》、課題組調查數(shù)據(jù)等[10,11]，結果如圖4所示。

考慮采取情景二節(jié)能措施及國家能源消費結構調整積極推進方案，預測2020年、2030年、2050年CO2排放量，如圖5所示。

情景四：考慮在情景三平穩(wěn)發(fā)展與積極推進基礎上采取本文提出的CCS/CCUS技術措施，預測2020年、2030年、2050年CO2排放量，如圖6、圖7所示。

圖4 情景三我國CO2排放量預測（平穩(wěn)發(fā)展方案）

圖5 情景三我國CO2排放量預測（積極推進方案）

圖6 情景四我國CO2排放量預測（平穩(wěn)發(fā)展方案）

圖7 情景四我國CO2排放量預測（積極推進方案）

通過上述四種情景的分析預測，若不采取任何新措施，到2050年我國CO2排放量將達到2.8875×1010t；如果采取節(jié)能措施，到2050年我國CO2排放量將降至1.3781×1010t；如果進一步采取調整能源結構、發(fā)展低碳能源措施，在平穩(wěn)發(fā)展方案條件下，到2050年我國CO2排放量可降至8.769×109t，在積極推進方案條件下，CO2排放量可降至7.771×109t；如果再進一步采取CCS/CCUS措施，平穩(wěn)發(fā)展方案條件下，到2050年我國CO2排放量可降至7.719×109t，在積極推進方案條件下，CO2排放量可降至6.721×109t。四個情景相比，不同時期各種減排措施的貢獻情況如圖8～圖11所示。

由圖8～圖11可以看出，對于減排CO2來說，最主要的措施是節(jié)能降耗，貢獻度達65%～71%；其次是調整能源結構，貢獻度達24%～32%；CCS/CCUS技術的貢獻度為2%～5%，但在2020—2030年二氧化碳排放增長緩慢的情況下，CCS/CCUS技術將使得二氧化碳排放峰值提前到達。

五、結論及政策建議

（1）CCS/CCUS技術處于研發(fā)和示范階段，相關技術尚不成熟。應立足國情，從全生命周期角度充分分析碳排放、安全性和經濟性指標，戰(zhàn)略性開展低能耗燃燒后捕集、燃燒前捕集、富氧燃燒捕集等大規(guī)模CO2捕集技術的研究和示范；推動CO2驅油、驅煤層氣、化工、生物利用等CO2利用技術及工藝的創(chuàng)新開發(fā)和應用，努力降低成本，降低二次污染物生成和間接碳排放，取得技術、經濟和環(huán)保的綜合效益。

（2）CCS/CCUS技術減排CO2數(shù)量有限，我國要大量減排CO2，需要優(yōu)先考慮強化節(jié)能、降耗、減排措施，其次是調整能源結構，大力發(fā)展新能源技術。

（3）政府應加快推進應對氣候變化和低碳發(fā)展法律、政策的制定，明確低碳發(fā)展工作的范圍、目標、原則和主要內容，規(guī)范不同社會主體的責任、權利和義務，加強政策措施、體制機制、科技支撐等方面的保障。

（4）開展前瞻性CCS/CCUS技術研發(fā)，需要理順企業(yè)風險投融資體制，在財政、稅收等方面采取激勵措施，鼓勵節(jié)能、高能效技術的開發(fā)和商業(yè)化，鼓勵企業(yè)開發(fā)低碳等先進技術。

圖8 2020年碳減排措施貢獻度

圖10 2050年碳減排措施貢獻度（平穩(wěn)發(fā)展方案）

圖9 2030年碳減排措施貢獻度

圖11 2050年碳減排措施貢獻度（積極推進方案）

（5）把握國際CCUS技術發(fā)展趨勢，積極開展CCUS國際科技合作，將CCUS技術納入多邊、雙邊國際科技合作，推動建立國際前沿水平的國際合作平臺。