多維度視角下CO2捕集利用與封存技術(shù)的代際演變與預(yù)設(shè)

李 琦，劉桂臻，李小春，陳征澳

(1.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

根據(jù)最新聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）氣候變化評(píng)估報(bào)告，全球氣候變化的真實(shí)性已經(jīng)被近年頻發(fā)的極端氣候?yàn)?zāi)害所證明[1]。溫室氣體對(duì)全球氣候變化的影響已成為共識(shí)，而CO2作為最主要的溫室減排氣體也越發(fā)受到關(guān)注[2]。2020年，國際能源署（IEA）提出在實(shí)現(xiàn)全球2070年凈零排放的可持續(xù)發(fā)展情景下，CO2捕集與封存是第4大技術(shù)貢獻(xiàn)，約占累積減排量的15%[3]。2050年全球能源系統(tǒng)凈零排放情景下，2030年全球CO2捕集量為16.7億t/a，2050年為76億t/a[4]。2011年9月22日，由中國科學(xué)技術(shù)部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合舉辦的“碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇（CSLF）”第4屆部長級(jí)會(huì)議上，中國明確提出“攜手推動(dòng)下一個(gè)十年的碳捕集、利用和封存（carbon dioxide capture,utilization and storage,CCUS）的研究、示范與部署”，極大地豐富了CO2捕集與封存的主題和內(nèi)涵。

2020年9月，中國國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會(huì)宣布中國2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和力爭2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這是中國對(duì)全球氣候治理和落實(shí)《巴黎協(xié)定》的最大貢獻(xiàn)。全球和中國碳中和愿景的逐漸明確及加快推進(jìn)，使得CCUS的作用愈加凸顯，其地位正在發(fā)生顯著變化[5]。

CCUS是指將CO2從工業(yè)、能源利用或大氣中分離出來，加以利用或注入地層以實(shí)現(xiàn)CO2永久封存的過程（圖1）[5-6]。作為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要構(gòu)成部分，CCUS是中國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的兜底技術(shù)，并將有效強(qiáng)化中國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)在保障中國能源安全、促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高生態(tài)環(huán)境綜合治理能力方面具備較好的協(xié)同效益[7]。為有效把握中國CCUS技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景，從時(shí)間、空間以及技術(shù)鏈3個(gè)維度對(duì)CCUS的歷史演變、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)和概述很有必要。

圖1 CCUS概念圖[5-6]Fig.1 Concept map of CCUS[5-6]

1 時(shí)間維度

CCUS技術(shù)正在經(jīng)歷從技術(shù)誕生、發(fā)展，到未來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的演變過程，其時(shí)間維度可以劃分為5個(gè)階段（圖2）：技術(shù)孕育階段、誕生與發(fā)展階段、研發(fā)與示范階段、實(shí)施階段以及商業(yè)化階段。

圖2 CCUS技術(shù)發(fā)展階段Fig.2 CCUS technology development stage

CCUS技術(shù)的孕育階段始于20世紀(jì)50年代初。Whorton等于1952年獲得了注入CO2提高采收率技術(shù)的第一個(gè)專利[8]。1964年，美國Mead Strawn油田首次實(shí)施了注CO2項(xiàng)目[8]。1972年，美國開始商業(yè)使用CO2注入強(qiáng)驅(qū)油技術(shù)，并在Kelly-Snyder油田實(shí)施了第1個(gè)CO2-EOR項(xiàng)目[8]。誕生與萌芽階段開始于20世紀(jì)80年代：1988年，IPCC成立[9]；1989年，麻省理工學(xué)院發(fā)起了第1個(gè)碳捕集與封存技術(shù)項(xiàng)目[10]；1991年，國際能源署溫室氣體研究與開發(fā)計(jì)劃（IEAGHG）項(xiàng)目機(jī)構(gòu)成立[11]。這一系列事件標(biāo)志著CCUS技術(shù)作為一項(xiàng)以封存CO2的方式來減少碳排放的新型技術(shù)就此誕生。自此，CCUS技術(shù)在全球范圍內(nèi)開始獲得認(rèn)可和受到重視，并開展了大量的研究。從1995年起，CCUS技術(shù)正式進(jìn)入示范與研發(fā)階段，自1996年挪威國家石油公司實(shí)施首個(gè)將CO2封存在地下咸水深層的Sleipner項(xiàng)目到現(xiàn)在為止，全球已建、在建和計(jì)劃建設(shè)的CCUS項(xiàng)目（包括單一捕集、運(yùn)輸或封存環(huán)節(jié)項(xiàng)目和全流程項(xiàng)目）超過300個(gè)，其中大規(guī)模全流程項(xiàng)目有65個(gè)[12]。雖然，CCUS某些環(huán)節(jié)（如CO2捕集）的技術(shù)水平已經(jīng)成熟，可進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，但對(duì)于全流程鏈技術(shù)組合及整體運(yùn)營的狀態(tài)仍處于發(fā)展的初級(jí)階段。IEA的 CCUS 技術(shù)路線圖[13]提出的發(fā)展目標(biāo)為，到2050年，在政府支持政策與手段（碳交易市場(chǎng)、碳稅等）的基礎(chǔ)上，CCUS技術(shù)可以在市場(chǎng)上具有成本競爭力，以此推動(dòng)全流程一體化項(xiàng)目進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段[14]。

2 空間維度

通過3個(gè)篩選標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)對(duì)各國CCUS現(xiàn)階段商業(yè)化水平進(jìn)行評(píng)鑒（圖3）：1）是否有正在實(shí)施的CCUS示范項(xiàng)目；2）是否有正在實(shí)施的大規(guī)模全流程CCUS項(xiàng)目；3）是否已經(jīng)制定了國家性CCUS發(fā)展規(guī)劃（即CCUS技術(shù)路線圖）。通過這些篩選標(biāo)準(zhǔn)，將32個(gè)有潛力發(fā)展CCUS技術(shù)的國家分為領(lǐng)先水平、中發(fā)展水平、低發(fā)展水平和待發(fā)展水平。

圖3 國家CCUS技術(shù)商業(yè)化水平篩選流程Fig.3 Screening process of country CCUS technology commercial development level

從區(qū)域分布（表1）來看，CCUS商業(yè)化水平處于領(lǐng)先地位的國家主要分布在發(fā)展時(shí)間較長、整體研發(fā)水平較高的北美和歐洲地區(qū)，此外，還有中國、澳大利亞、沙特阿拉伯和巴西也進(jìn)入了CCUS先進(jìn)行列。以上這些國家運(yùn)行著所有26個(gè)處于現(xiàn)役狀態(tài)的大規(guī)模全流程CCUS項(xiàng)目，其工程經(jīng)驗(yàn)均與石油、天然氣開采領(lǐng)域直接相關(guān)，規(guī)模在百萬噸以上，已達(dá)到工業(yè)化的生產(chǎn)能力[12]。CCUS項(xiàng)目得以順利運(yùn)營也得益于所在國CCUS技術(shù)路線圖較早、科學(xué)的制定。以美國為例，美國能源部（DOE）國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）于2002年制定了美國第1個(gè)CCUS技術(shù)路線圖，并定期更新。2013年9月，美國更新路線圖發(fā)布，旨為美國解決關(guān)鍵技術(shù)及其他實(shí)施障礙，以促使CCUS在2030年前后在美國范圍內(nèi)具有商業(yè)化的可能性[14]。2019年，美國發(fā)布大規(guī)模部署CCUS路線圖。此外，歐洲的荷蘭、法國等，亞洲的日本、韓國、印度，中東的阿聯(lián)酋，以及非洲的南非和阿爾及利亞還處于CCUS技術(shù)正在發(fā)展的階段。而西班牙、意大利等國，因缺少CCUS全流程項(xiàng)目或國家性指導(dǎo)規(guī)劃，被劃分為待發(fā)展國家。

表1 CCUS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀Tab.1 CCUS technology development status

對(duì)于所有具備CCUS發(fā)展?jié)摿Φ膰?，其?qū)動(dòng)力不僅來源于改善全球氣候變化以及承擔(dān)碳減排任務(wù)，而且與保障本國能源可持續(xù)發(fā)展的需求密不可分。具體來說，國家能源發(fā)展的強(qiáng)可持續(xù)性（strong sustainability）[19]首先要確保能源供應(yīng)的安全性。絕大多數(shù)大力發(fā)展CCUS的國家（如美國、中國、澳大利亞等）的電力行業(yè)對(duì)傳統(tǒng)化石能源，特別是煤的依賴度頗高（表2）[20]，并在短時(shí)間內(nèi)至少在未來的幾十年內(nèi)很難改變[21]，因此，需要通過CCUS技術(shù)對(duì)電力等能源部門進(jìn)行減碳，以保證能源鏈的穩(wěn)定性；其次，因?yàn)橛?、挪威等國家多為氣候變化?zāi)害發(fā)生（或未來發(fā)生）的高頻地區(qū)，因此這些國家還要滿足區(qū)域環(huán)境的訴求；再者，能源可持續(xù)也意味著要不斷提高本國低碳能源技術(shù)的競爭力，從而謀求未來CCUS產(chǎn)業(yè)成熟后技術(shù)輸出以及行業(yè)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

表2 電力行業(yè)燃煤比例[20]Tab.2 Proportion of coal burned in the power industry[20]

3 技術(shù)代際

CCUS是一個(gè)系統(tǒng)技術(shù)工程，包括CO2捕集、運(yùn)輸、利用與封存3個(gè)環(huán)節(jié)（圖1）。傳統(tǒng)CCUS從化石燃料利用及工業(yè)過程捕集CO2，近年來生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS）、直接空氣碳捕集與封存（DACCS）作為負(fù)碳技術(shù)受到了高度重視，也納入了CCUS的范疇。BECCS是指將生物質(zhì)燃燒或轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕集、利用或封存的過程，DACCS則是直接從大氣中捕集CO2，并將其利用或封存的過程。利用與封存環(huán)節(jié)包括化工利用、生物利用、地質(zhì)利用與封存，本文僅討論地質(zhì)利用與封存。

3.1 捕集

CO2捕集技術(shù)是指將工業(yè)過程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行分離和捕集，或者將氧氣從空氣中分離后用于富氧燃燒，提高煙氣中CO2濃度，繼而降低其捕集難度及能耗的技術(shù)。根據(jù)CO2從能源系統(tǒng)中分離過程和集成方式的不同，可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集（圖4）。CO2的分離方法有化學(xué)吸收法（本菲爾法、甲基二乙醇胺法）、吸附法（變壓、變溫）、物理吸收法（聚乙二醇二甲醚法、低溫甲醇洗法）和膜分離等[10,22-24]。

圖4 CO2捕集技術(shù)流程圖[25]Fig.4 Flowchart of CO2 capture technology[25]

捕集過程的高能耗（因?yàn)樵黾恿?0%的燃料供應(yīng)）、高成本，以及捕集溶劑使用后的殘留廢棄物處理等問題是現(xiàn)階段捕集技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)[23]。因此，根據(jù)技術(shù)能耗與成本發(fā)展趨勢(shì)，2013年碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇（CSLF）發(fā)布CO2捕集與封存技術(shù)路線圖，將CO2捕集技術(shù)劃分為3個(gè)代際：第1代技術(shù)是指已可應(yīng)用于大規(guī)模CO2捕集與封存項(xiàng)目的首批技術(shù)集群；第2代技術(shù)（2020—2030年）是指基于第1代技術(shù)概念和技術(shù)設(shè)備進(jìn)行一定程度的改進(jìn)和優(yōu)化的系統(tǒng)技術(shù)，從而降低能耗以及CO2捕集與封存成本；第3代技術(shù)（2030—2050年）是指一系列明顯區(qū)別于第1代CO2捕集與封存技術(shù)的新型技術(shù)及優(yōu)選工藝方案，如表3所示。

表3 CO2捕集技術(shù)機(jī)理與代際研發(fā)重點(diǎn)[18,25-27]Tab.3 CO2 capture technology mechanism and development focus of intergenerational research[18,25-27]

目前，第1代捕集技術(shù)已在電廠獲得了商業(yè)應(yīng)用，積累了大量實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)；到2030年，面向電力與工業(yè)應(yīng)用的第2代捕集技術(shù)目標(biāo)可以在第1代技術(shù)能耗水平的基礎(chǔ)上降30%（主要集中在CO2分離與CO2壓縮單元的研發(fā)與優(yōu)化），降低運(yùn)營成本和維護(hù)費(fèi)用；識(shí)別和發(fā)展第3代技術(shù)，使能耗、運(yùn)行成本以及維護(hù)費(fèi)用均能降低至第1代的50%左右[18]。

3.2 輸送

目前，CO2運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展較為成熟，主要有管道、船舶、罐車運(yùn)輸3種方式。管道運(yùn)輸是將CO2施加8×106Pa以上的壓力進(jìn)行壓縮，以液態(tài)或超臨界態(tài)輸送。管道適合遠(yuǎn)距離運(yùn)輸（通常大于1 000 km），并且運(yùn)輸量大，是一項(xiàng)成熟的市場(chǎng)技術(shù)，常用于CO2-EOR。罐車和船舶運(yùn)輸類似于液化石油氣的運(yùn)輸，其適合少量CO2運(yùn)輸，大規(guī)模使用不具有經(jīng)濟(jì)性[9,28]。

第1代CO2運(yùn)輸技術(shù)的突破點(diǎn)包括建立CO2流動(dòng)模型，研究擴(kuò)散規(guī)律；針對(duì)CO2腐蝕控制和管道材料優(yōu)選，研究CO2流動(dòng)特性及雜質(zhì)對(duì)管道材料的影響；研究CO2泄漏對(duì)環(huán)境的影響，開發(fā)監(jiān)測(cè)、上報(bào)、驗(yàn)證（MRV）工具。第2代CO2運(yùn)輸技術(shù)主要集中于大規(guī)模區(qū)域型的CO2運(yùn)輸管網(wǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、CO2運(yùn)輸工藝標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定。第3代運(yùn)輸技術(shù)可應(yīng)用于大規(guī)模國家和國際CO2運(yùn)輸管網(wǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)要求，從而形成成熟的管道運(yùn)輸體系[18,29]。

3.3 利用與封存

CO2地質(zhì)利用與封存是指將CO2注入條件適宜的地層，強(qiáng)化油、氣、水、熱等資源開采并實(shí)現(xiàn)CO2永久封存的過程。主要包括強(qiáng)化采油、強(qiáng)化開采甲烷（CH4）、浸采采礦與原位礦化、采熱、強(qiáng)化咸水開采與封存技術(shù)等5大類（圖5）[30]。這些類別的劃分是隨著對(duì)技術(shù)認(rèn)知的不斷提高，從地質(zhì)封存概念演化而來的。注入到地下深部含水層或油氣層的CO2，通過部分置換儲(chǔ)層流體來擠占并充滿巖石中的孔隙，其上覆蓋層可確保CO2長期滯留在儲(chǔ)層內(nèi)，并隨著時(shí)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽礦物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)永久封存[2]。封存深度一般在800 m以下，以保證溫壓條件使CO2處于高密度的液態(tài)或超臨界狀態(tài)。CO2封存機(jī)理為儲(chǔ)層的物理和（或）化學(xué)俘獲，主要包括構(gòu)造和地層圈閉、殘余圈閉、吸附圈閉、溶解圈閉和礦化圈閉5種機(jī)制。

圖5 5大類CO2地質(zhì)利用與封存技術(shù)[30]Fig.5 Five types of geologic CO2 utilization and storage technology[30]

隨著對(duì)技術(shù)認(rèn)知的加深，最初的地質(zhì)封存概念已演化為CO2驅(qū)水或具有驅(qū)水理念的CO2地質(zhì)封存技術(shù)，深部咸水層封存最具有應(yīng)用潛力[25,31-35]。當(dāng)油氣藏開采到?jīng)]有經(jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)，CO2強(qiáng)化采油、強(qiáng)化天然氣開采技術(shù)轉(zhuǎn)化為枯竭油氣藏CO2地質(zhì)封存，注入后的CO2以各種圈閉方式被封存在地層中。

與其他技術(shù)環(huán)節(jié)不同，每個(gè)封存場(chǎng)地都具有獨(dú)特的地質(zhì)特性，這也意味著封存場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)場(chǎng)地條件的依存度很高，不能進(jìn)行簡單的歸一化，但也有共性的部分。目前，CO2地質(zhì)利用與封存在場(chǎng)地表征與篩選、大規(guī)模CO2注入、深部CO2運(yùn)移監(jiān)測(cè)、規(guī)?；獯娴陌踩c風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍需要深入研究和大規(guī)模工程驗(yàn)證。

第1代封存技術(shù)通過成熟度較高的驅(qū)油封存或具有一定技術(shù)儲(chǔ)備的咸水層封存示范，發(fā)展地質(zhì)封存共性技術(shù)，如封存機(jī)理、場(chǎng)地表征篩選、雜質(zhì)氣體的影響評(píng)價(jià)、地質(zhì)封存潛力與適宜性評(píng)價(jià)、封存容量和注入性及試驗(yàn)與模擬技術(shù)等；第2代封存技術(shù)主要針對(duì)注入儲(chǔ)層的數(shù)百萬噸CO2進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理的技術(shù)優(yōu)化[36]，發(fā)展CO2泄漏的應(yīng)急與補(bǔ)救技術(shù)。第3代封存技術(shù)側(cè)重研發(fā)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與補(bǔ)救措施，建立標(biāo)準(zhǔn)化體系，使其適用于商業(yè)應(yīng)用[2,18,37-38]。

4 展 望

中國CCUS理論封存潛力巨大，約為1.21萬億t～4.13萬億t，未來減排需求與減排潛力大，碳中和目標(biāo)下，2060年需要通過CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)CO2的減排量為10億t～18億t，從源匯匹配情況看，2060年CCUS技術(shù)可提供的碳減排潛力可達(dá)6億t～21億t，基本可以滿足實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的需求[5]。

中國CCUS技術(shù)研發(fā)主要以政府指導(dǎo)、企業(yè)為實(shí)施主體，科研單位和高等院校共同參與的方式進(jìn)行。中國CCUS技術(shù)研發(fā)的起步晚于英、美等發(fā)達(dá)國家，但近十幾年發(fā)展態(tài)勢(shì)跌宕起伏。近年，中國CCUS各環(huán)節(jié)均取得了顯著進(jìn)展，與國外相比，中國整體技術(shù)發(fā)展水平相當(dāng)且部分技術(shù)處于優(yōu)勢(shì)，但關(guān)鍵技術(shù)仍存在差距，總體水平還處于研發(fā)和示范的初期階段，與CCUS領(lǐng)先水平國家存在一定差距。

中國CO2地浸采鈾技術(shù)已成熟，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用水平，但是減排潛力較小。CO2驅(qū)油技術(shù)在美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛商業(yè)化，中國吉林油田等地開展了工業(yè)化應(yīng)用，勝利油田百萬噸驅(qū)油封存項(xiàng)目正在建設(shè)中，驅(qū)油封存是中國未來一段時(shí)間內(nèi)CO2地質(zhì)利用與封存技術(shù)主要增長點(diǎn)。中國松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地和準(zhǔn)噶爾盆地的大中型油氣田具有較大的CO2驅(qū)油發(fā)展?jié)摿?。中國咸水層的理論封存容量占中國地質(zhì)利用與封存理論封存容量的95%以上，目前中國該技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)趨于成熟，但是尚無大規(guī)模工業(yè)示范項(xiàng)目，未來在西北富煤乏水地區(qū)具有良好的早期示范機(jī)會(huì)和廣泛應(yīng)用前景。中國CO2強(qiáng)化開采甲烷技術(shù)與采熱總體發(fā)展緩慢，僅CO2驅(qū)替煤層氣處于小規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)示范階段，其他均處于基礎(chǔ)研究或理論探索階段。

由于中國CCUS各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)成熟度不足及成本偏高，CCUS技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程較為緩慢，尚未能發(fā)揮其大規(guī)模減排及在能源經(jīng)濟(jì)中的支撐作用。這就要求中國在加大CCUS技術(shù)自主研發(fā)力度的同時(shí)，需要加強(qiáng)CCUS領(lǐng)域的國際合作與交流，引進(jìn)和學(xué)習(xí)國外CCUS核心技術(shù)和實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)，為未來中國大規(guī)模全流程CCUS項(xiàng)目的實(shí)施做好準(zhǔn)備和鋪墊。特別重要的是，隨著中國“雙碳”目標(biāo)的制定和實(shí)施，CCUS技術(shù)作為兜底技術(shù)，有望全面部署和迅猛發(fā)展（表4）[30]。

表4 國際形勢(shì)和國內(nèi)政策對(duì)中國CCUS發(fā)展的影響[30]Tab.4 Impact of the international situation and national policies on the development of China’s CCUS[30]