工業(yè)用能過程碳捕集與封存技術(shù)發(fā)展研究

師志成 趙珊珊 張永學(xué) 李北辰 曹 毅 張 強 劉 悅

1. 北京航天動力研究所, 北京 100176; 2. 北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司, 北京 100176; 3. 中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院, 北京 102299

0 前言

隨著全球資源開發(fā)與利用的深度化和掠奪化發(fā)展,能源緊缺、生態(tài)失衡、氣候變暖等問題日益嚴(yán)峻,人類不得不在生產(chǎn)和生活方式上進行必要的轉(zhuǎn)變。全球碳計劃組織在2020年12月發(fā)布的《2020年全球碳預(yù)算報告》中指出,2020年全球碳排放量約為340×108t,相比2019年下降24×108t,是有記錄以來下降絕對值最大的一年,也是二戰(zhàn)以來下降相對值最大的一年[1]。至此,碳足跡受到了政界、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的空前關(guān)注。截至2021年4月,全球已有超過120個國家制定了碳中和目標(biāo)或發(fā)展路線圖,低碳技術(shù)已成為全球科技大國的重點部署領(lǐng)域。我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、能源結(jié)構(gòu)重組的壓力大,2019年我國第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比例下降到39%,煤炭及相關(guān)的化工產(chǎn)業(yè)消費占全國能源消費總量的58%,占全國二氧化碳總排放的80%,能源消費的二氧化碳排放強度比世界平均水平高30%以上[2],化工用能過程仍呈現(xiàn)出高投入、高能耗、高污染、低效益的惡性循環(huán)狀態(tài)。

構(gòu)建生態(tài)文明體系已成為我國乃至世界范圍的重大任務(wù),碳中和將轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的低效污染發(fā)展模式,構(gòu)建綠色、低碳、循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展模式,為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供有利的支撐。碳中和的實施應(yīng)綜合考量我國宏觀經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和碳排放空間等關(guān)鍵要素,《中國2060年前碳中和研究報告》指出預(yù)計到2060年一次能源消費總量在60×108t左右,力爭2030年石油化工消費達(dá)峰,峰值10.6×108t標(biāo)準(zhǔn)煤,到2060年下降至約2.2×108t標(biāo)準(zhǔn)煤[3],石油化工行業(yè)能源消耗作為化石能源消耗的主體,任務(wù)重大而艱巨。

縱觀工業(yè)能源消費過程,低碳技術(shù)已經(jīng)逐步鋪墊。碳減排裝置或裝備,碳回收和捕集工藝,碳檢測和消納手段,碳封存與中和技術(shù)的發(fā)展已有幾十年的歷史[4-7],但尚未達(dá)到全面中和的程度,且目前尚未達(dá)峰,綠色主導(dǎo)的相關(guān)技術(shù)仍有待于深入創(chuàng)新和孵化。隨著國際和我國全面開展碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)的推進,工業(yè)用能行業(yè)的碳捕集與封存技術(shù)正進入全面創(chuàng)新和穩(wěn)步推向應(yīng)用的階段。本文以工業(yè)用能過程碳捕集與封存技術(shù)為著眼點,綜合該技術(shù)在科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的情報,對其研究發(fā)展進行綜述,并主要從技術(shù)數(shù)量和功效的視角,通過時空等不同維度的量化分析,力求為低碳相關(guān)技術(shù)的未來發(fā)展和實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)提供有效的支撐。

1 技術(shù)功效綜合評價

1.1 技術(shù)布局

20世紀(jì),二氧化碳的排放主要來源于石化能源消費[7],但隨著科技發(fā)展進程的不斷深入,人類生產(chǎn)生活模式逐漸多樣化,碳排放也逐漸滲透到了多個領(lǐng)域和行業(yè)中,碳減排與處理的相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究逐漸在各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域興起,碳足跡與碳稅的研究逐漸成為熱點[8]。本節(jié)從技術(shù)分布領(lǐng)域、技術(shù)所在的國民經(jīng)濟行業(yè)和技術(shù)聚類圖譜綜合評價碳捕集與封存技術(shù)的布局情況。

碳捕集與封存技術(shù)的分布領(lǐng)域見圖1。

圖1 碳捕集與封存技術(shù)分布領(lǐng)域圖Fig.1 The fields of CCS technology distribution

從圖1可以看出,該技術(shù)主要分布于石化能源消費行業(yè)及其附屬行業(yè)。近年來綠色建筑、智能城市等生活相關(guān)行業(yè)的興起[9-11],使得碳減排相關(guān)技術(shù)滲透到了建筑、汽車和材料領(lǐng)域?？傮w來看,物理分離設(shè)備領(lǐng)域、合成化合物工藝領(lǐng)域和石油化工燃燒過程領(lǐng)域占據(jù)了整個碳捕集與封存技術(shù)分布領(lǐng)域的一半以上,其他如催化、壓縮、建筑和材料、氧化、有機高分子等領(lǐng)域占比相當(dāng)。隨著對碳減排技術(shù)的進一步聚焦和相關(guān)政策的引領(lǐng)[12-15],碳捕集與封存技術(shù)將進一步擴張到石油化工和能源消費行業(yè)的細(xì)分領(lǐng)域中,技術(shù)顆粒度也將進一步細(xì)化,整個產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新熱度將居高不下。

碳捕集與封存技術(shù)所在的國民經(jīng)濟行業(yè)分布情況見圖2。

圖2 碳捕集與封存技術(shù)所在的國民經(jīng)濟行業(yè)分布圖Fig.2 The national economy industries of CCS technology distribution

通過國民經(jīng)濟構(gòu)成可以看出,通用設(shè)備制造業(yè)是碳減排技術(shù)的主戰(zhàn)場[16-17],其主要與石油化工行業(yè)中的裝備制造過程相對應(yīng),是該技術(shù)的發(fā)展根源,也是該技術(shù)的主要應(yīng)用落腳點。未來,隨著綠色和智能裝備制造技術(shù)的普及與深化[18-21],通用設(shè)備制造業(yè)將進一步依賴碳捕集與封存技術(shù),逐步形成以綠色、可持續(xù)為核心理念的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)?；瘜W(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè),石油加工、煉焦和核燃料加工業(yè)是碳捕集與封存技術(shù)的次主要應(yīng)用行業(yè)[22],這兩大行業(yè)是石油化工行業(yè)產(chǎn)值的重要貢獻行業(yè)。其他國民經(jīng)濟行業(yè),如計算機、金屬、電氣等行業(yè)呈現(xiàn)均等的分布狀況。

基于技術(shù)聚類理論的碳捕集與封存技術(shù)的二級技術(shù)分類情況見圖3[23-24]。

圖3 碳捕集與封存技術(shù)聚類圖Fig.3 CCS technology clustering

在技術(shù)聚類理論模型下,燃燒工藝技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控與測量技術(shù)是一級技術(shù)聚類中的主導(dǎo)技術(shù)門類,低濃度控制技術(shù)、輸運動力技術(shù)和材料技術(shù)3個技術(shù)門類次之,且比例均衡。二級技術(shù)聚類分布下的技術(shù)門類逐步細(xì)化,但未呈現(xiàn)出差異較大的分布,整體細(xì)化技術(shù)總體均衡。

1.2 技術(shù)功效

碳捕集與封存技術(shù)的主要應(yīng)用產(chǎn)業(yè)集中于以石油化工領(lǐng)域為主導(dǎo)的相關(guān)化學(xué)工藝、裝備制造和能量供應(yīng)與消費領(lǐng)域,究其技術(shù)功效,主要歸納為以下10個維度:1)排放物總量降低;2)裝備/工藝/設(shè)備成本降低;3)系統(tǒng)效率提高;4)技術(shù)復(fù)雜性降低;5)能源消耗降低;6)綜合消耗降低;7)經(jīng)濟性/收益水平提高;8)環(huán)境綜合改善;9)充分性提高;10)污染避免。碳捕集與封存技術(shù)在各個主導(dǎo)分布領(lǐng)域中所產(chǎn)生的功效分布見表1。表1從技術(shù)數(shù)量的視角展示了各領(lǐng)域關(guān)注的技術(shù)功效側(cè)重點?？梢钥闯?物理分離設(shè)備與合成化合物工藝領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用數(shù)量較高,自該技術(shù)開始發(fā)展以來共涌現(xiàn)了不低于1 000項可以獨立發(fā)揮功效的技術(shù)種類,且技術(shù)創(chuàng)新的功效主要集中于排放與成本降低、效率提高、整體復(fù)雜性降低和能耗降低層面。此外,降低排放量和成本、提高效率也是整個碳捕集與封存技術(shù)在其各個應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注重點,其中通過物理分離手段解決成本降低問題的技術(shù)公開數(shù)量達(dá)102個之多。

表1 碳捕集與封存技術(shù)功效領(lǐng)域分布表

碳捕集與封存技術(shù)的深入發(fā)展與全球環(huán)境變暖趨勢下世界經(jīng)濟大國對環(huán)境保護的高度重視密不可分,《世界環(huán)境公約》《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和《巴黎協(xié)定》等世界范圍內(nèi)的環(huán)境保護公約與協(xié)定的簽署,進一步促進了碳排放相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[25-28]。專利是集技術(shù)、經(jīng)濟和法律資源信息于一體的、全球通用的知識產(chǎn)權(quán)信息載體,而發(fā)明問題解決理論(以下簡稱TRIZ理論)是支持發(fā)明創(chuàng)造的方法論[29-33]。通過TRIZ理論分析的視角展示碳捕集與封存技術(shù)的功效維度,能夠更加清晰和客觀地呈現(xiàn)該技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展脈絡(luò)。圖4為碳捕集與封存技術(shù)功效TRIZ理論分析氣泡圖,橫軸為該技術(shù)重點應(yīng)用的TRIZ參數(shù),縱軸為該技術(shù)的細(xì)化功效,氣泡面積表示了技術(shù)活躍程度?？梢钥闯?排放、成本、效率和能耗是該技術(shù)的重要功效點,而其體現(xiàn)的TRIZ參數(shù)方法主要是39-生產(chǎn)率、31-物質(zhì)產(chǎn)生的有害因素、19-能耗、23-物質(zhì)損失和36-系統(tǒng)的復(fù)雜性,相比之下，其他TRIZ參數(shù)方法的應(yīng)用基本均等。

圖4 碳捕集與封存技術(shù)功效TRIZ理論分析圖Fig.4 TRIZ theoretical analysis of CCS technology-function

2 技術(shù)發(fā)展綜合評價

2.1 技術(shù)發(fā)展格局

工業(yè)領(lǐng)域碳捕集與封存技術(shù)的發(fā)展受政策、環(huán)境發(fā)展和資源分布情況實時變化的影響而呈現(xiàn)出不同的階段。通過技術(shù)生命周期定量分析的方法能夠有效地呈現(xiàn)其發(fā)展態(tài)勢,并可靠地預(yù)測該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢[34-35]。圖5為碳捕集與封存技術(shù)涌現(xiàn)數(shù)量隨時間的變化情況,可以整體展現(xiàn)出該技術(shù)的發(fā)展情況。工業(yè)領(lǐng)域碳捕集與封存技術(shù)萌芽于20世紀(jì)70年代,發(fā)展起步于2002年。在2002—2006年技術(shù)公開的情況零星出現(xiàn),標(biāo)志著該技術(shù)的出現(xiàn),但該階段技術(shù)整體創(chuàng)新活躍度較為低迷,為該技術(shù)的導(dǎo)入期;2006—2010年技術(shù)數(shù)量快速增長,為該技術(shù)的成長期;2010—2015年,該技術(shù)總量已達(dá)千余項的量級,年增長數(shù)量略為緩慢,呈現(xiàn)出平穩(wěn)增長的趨勢,此為該技術(shù)的成熟期。由于技術(shù)情報公開延遲,2019年以后的數(shù)據(jù)不具有參考價值,但從圖5中技術(shù)數(shù)量線和技術(shù)趨勢線的整體走勢來看,未來仍會呈現(xiàn)較大的增長。同時隨著我國乃至世界范圍內(nèi)在2020年對環(huán)境技術(shù)和碳排放相關(guān)技術(shù)的重視,以及低碳政策的大量出臺,碳捕集與封存技術(shù)有可能迎來新一波的增長高潮[36]。

圖5 碳捕集與封存技術(shù)生命周期圖Fig.5 Life cycle of CCS technology

碳捕集與封存技術(shù)數(shù)量發(fā)展趨勢見表2。由表2可以得出與上文相同的結(jié)論,即在排放降低和成本降低以及效率提高的功效層面,該技術(shù)的創(chuàng)新程度較為活躍。

表2 碳捕集與封存技術(shù)發(fā)展趨勢表

時間維度上可以從逐漸發(fā)展趨勢上判斷技術(shù)發(fā)展所處的階段;空間維度上,可以從技術(shù)發(fā)源的國家和地區(qū)判斷技術(shù)的目標(biāo)市場和產(chǎn)業(yè)定位。碳捕集與封存技術(shù)的產(chǎn)出國仍主要分布于世界發(fā)達(dá)國家,中國是其產(chǎn)出大國,技術(shù)數(shù)量上遠(yuǎn)超世界其他國家,美國次之,加拿大、澳大利亞、日本、韓國和歐洲(瑞士、德國、芬蘭為主)也有較為活躍的技術(shù)產(chǎn)出。中國作為碳捕集和封存技術(shù)的產(chǎn)出大國,其技術(shù)發(fā)源地主要集中于北京、江蘇、廣東、山東和上海,其中首都北京的技術(shù)數(shù)量最多,中部和東部是我國碳排放技術(shù)的主要產(chǎn)出地域。

中國、美國、加拿大、日本、韓國、瑞士、德國、芬蘭作為碳捕集與封存技術(shù)的主要產(chǎn)出國,其技術(shù)布局的側(cè)重有所區(qū)別。碳捕集與封存技術(shù)在以上主要產(chǎn)出國的主要技術(shù)布局情況見圖6,以技術(shù)沙盤的形式直觀地呈現(xiàn)其發(fā)展重點。通過數(shù)據(jù)分析,選取燃燒技術(shù)、合成化工技術(shù)、燃料技術(shù)、生物技術(shù)和發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)等主要技術(shù)點作為以上國家碳捕集與封存技術(shù)的布局對抗點進行分析。中國在以上各技術(shù)點上的布局均有所涉獵,美國則將技術(shù)布局的重點聚焦在流化床技術(shù)、富氫氣體與廢氣流技術(shù)和燃料技術(shù)上,其中以富氫氣體與廢氣流技術(shù)尤為側(cè)重,在其他技術(shù)門類上也有一定的布局。加拿大、日本、韓國、瑞士、德國和芬蘭作為技術(shù)產(chǎn)出的第二梯隊國家,在技術(shù)沙盤中的對抗點與中美相比,較為薄弱。

圖6 碳捕集與封存技術(shù)主要國家布局圖Fig.6 Layout of CCS technology in the main countries

2.2 技術(shù)發(fā)展路線分析

通過綜合分析碳捕集與封存技術(shù)的整體發(fā)展,可知該技術(shù)的發(fā)展沿革呈現(xiàn)出逐步深入和精細(xì)化的趨勢。碳捕集與封存技術(shù)發(fā)展路線見表3。表3基本呈現(xiàn)出了碳捕集與封存技術(shù)的發(fā)展路線。碳捕集與封存技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)為:通過減排裝置降低碳排放量(設(shè)備裝置的優(yōu)化)→通過生物方法實現(xiàn)碳排放消耗/轉(zhuǎn)化(動植物介入的方法)→通過燃燒與燃料處理技術(shù)實現(xiàn)碳減排(燃料處理與燃燒工藝)→通過碳排放組分再合成/利用(回收利用)→通過碳排放量化/控制工藝(量化控制)→通過碳足跡跟蹤與捕集技術(shù)(足跡跟蹤與捕集)→通過碳封存技術(shù)(封存)。通過對碳捕集與封存技術(shù)標(biāo)志性技術(shù)發(fā)展路線的分析可以看出,碳捕集與封存技術(shù)整體向著專業(yè)化、精細(xì)化和應(yīng)用廣泛化的方向發(fā)展。

20世紀(jì)70年代,碳捕集與封存技術(shù)未直接誕生,但已產(chǎn)生了相關(guān)的鋪墊技術(shù)——避免轉(zhuǎn)爐廢氣中一氧化碳排放的方法和裝置(US4054274 A,1977,Method and apparatus for avoiding the emission of carbon monoxide from converter exhaust gase),美國開始研發(fā)減排裝置來降低碳排放量,標(biāo)志著碳排放相關(guān)技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)拉開帷幕;80年代,澳大利亞通過燃燒與燃料處理技術(shù)實現(xiàn)了碳減排(AU7306587 A,1987,Process and plant for reducing nitrogen monoxide emissions when burning solid fuels),此后數(shù)十年內(nèi),燃料與燃燒領(lǐng)域相關(guān)的碳減排技術(shù)一直處于非?；钴S的狀態(tài);90年代,加拿大研發(fā)了碳排放組分再合成/利用技術(shù),通過碳回收和二次循環(huán)實現(xiàn)碳減排(CA2029101 A1,1992,Process for reduction of carbon dioxide emissions and recycling of waste products),該技術(shù)的誕生標(biāo)志著碳足跡研發(fā)步入正軌,人類對碳減排相關(guān)技術(shù)的認(rèn)知達(dá)到了新層面;與此同時,碳排放量化/控制工藝逐步得到發(fā)展(EP508657 A2,1992,Integrated process for producing ethanol,methanol and butyl ethers),碳排放的精密控制工藝依賴于先進測控技術(shù)的大力發(fā)展[37-39],排放量的標(biāo)準(zhǔn)化和當(dāng)量化也促使生物化學(xué)、煤化工和煉油等工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈下游對碳排放的認(rèn)識提升到新的高度[40-42];20世紀(jì)末期,美國學(xué)者正式提出“碳捕集”的定義(US5724805 A,1998,Power plant with carbon dioxide capture and zero pollutant emissions),在美國科技界引起了碳捕集相關(guān)技術(shù)的研發(fā)熱潮,碳足跡跟蹤與捕集技術(shù)多次以專有名詞的形式被提出,并發(fā)展迅速,捕集二氧化碳開始成為學(xué)術(shù)界、能源產(chǎn)業(yè)界的焦點。

21世紀(jì)初期,加拿大學(xué)者提出了一種以生物方法實現(xiàn)碳排放消耗/轉(zhuǎn)化的概念(CA2499264 A1,2004,A process and a plant for recycling carbon dioxide emissions from power plants into useful carbonated species),直接引領(lǐng)了低碳技術(shù)在生物、醫(yī)藥、食品、地質(zhì)等其他交叉領(lǐng)域的研發(fā)熱潮,后續(xù)技術(shù)諸如利用海洋生物等自然環(huán)境和資源進行碳減排的創(chuàng)新技術(shù)接連問世;2014年,碳封存技術(shù)(EP2438977 B1,2014,Carbon dioxide sequestration system;EP2406189 B1,2014,Method for using carbon dioxide sequestered from seawater in the remineralization of process water)正式問世,是低碳技術(shù)發(fā)展進程中的重要里程碑,此后,碳封存技術(shù)大量公開,利用海洋地質(zhì)、特殊材料和先進裝備與工藝進行碳組分封存的技術(shù)逐步完善并得到廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文以工業(yè)用能過程碳捕集與封存技術(shù)為著眼點,綜合該技術(shù)在科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的文獻情報信息,通過數(shù)據(jù)分析和情報梳理,對碳捕集與封存技術(shù)研究發(fā)展進行綜述,得出以下主要結(jié)論。

1)全球低碳技術(shù)的公開數(shù)量已達(dá)3 000項以上,石油化工行業(yè)是低碳技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,排放、成本、效率和能耗是該技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的主要功效承載維度。

2)從國際發(fā)展布局的角度而言,中美兩國是碳捕集與封存技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用大國,其技術(shù)發(fā)展興起于裝備領(lǐng)域,發(fā)展脈絡(luò)歷經(jīng)生物技術(shù)、燃料與燃燒工藝技術(shù)、回收再利用技術(shù)、量化/控制技術(shù),逐步發(fā)展到目前最為熱門的碳足跡、碳捕集與封存技術(shù)。

3)碳捕集與封存技術(shù)萌芽于20世紀(jì)70年代,已經(jīng)歷了導(dǎo)入期、成長期、成熟期和穩(wěn)定期,未來隨著全球低碳政策的大量出臺,以及碳稅、碳交易制度的逐步成熟,碳捕集與封存技術(shù)可能會迎來第二輪快速增長。

4)通過分析,得到了碳捕集與封存技術(shù)發(fā)展路線圖,可知碳捕集與封存技術(shù)整體向著專業(yè)化、精細(xì)化和應(yīng)用廣泛化的方向發(fā)展。