二氧化碳捕集、封存與利用技術(shù)應(yīng)用狀況*

肖筱瑜，谷娟平，梁文壽，余 謙，唐名富

(1 中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004；2 廣西環(huán)境治理工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004；3 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室，廣西 桂林 541004；4 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，廣西 桂林 541004)

二氧化碳是包括人類在內(nèi)的所有生命活動中不可缺少的基本碳資源，它也是一種溫室氣體[1]。全世界每年向大氣中排放二氧化碳340億t以上，其中海洋生態(tài)系統(tǒng)吸收約20億t，陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收約7億t，而人工利用量不足10億t[2]。中國2019年能源消費總量為48.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[3]，中國能源相關(guān)二氧化碳排放(以下簡稱“碳排放”)2019年總量達(dá)到98億噸，位居全球第一[4]。習(xí)近平主席于2020年9月22日對全世界做出了中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的承諾[5]。因此，實現(xiàn)二氧化碳減排已成為大家的共識。大規(guī)模減排二氧化碳的主要措施有：(1)節(jié)能減排(通過提高能源利用效率，減少用能來減排CO2)；(2)使用低碳或無碳能源，如核能、水能、可再生能源等；(3)二氧化碳捕集與封存(CCS)，即把化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳捕集起來，通過地質(zhì)封存等方式來實現(xiàn)與大氣的長時間隔絕[6]。二氧化碳捕集與封存技術(shù)(CCS)可捕獲排放源中的二氧化碳，然后將其永久性儲存在合適的地質(zhì)場所，將在應(yīng)對氣候變化的過程中帶來巨大改變。該技術(shù)能夠從源頭上避免二氧化碳排放，并能通過二氧化碳移除技術(shù)大規(guī)模地減少大氣中已有的二氧化碳[7]。碳捕集的高成本(20～120美元/t)和地質(zhì)埋存的高生態(tài)環(huán)境風(fēng)險是阻礙CCS大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸[8]，促使學(xué)者們把研究的重點集中在碳捕獲和利用(CCUS)。國際能源署(IEA)曾表示，要實現(xiàn)升溫不超過2 ℃的目標(biāo)，CCUS技術(shù)需要在2015-2020年貢獻(xiàn)全球碳減排總量的13%。目前，碳減排主要通過CO2捕獲、儲存、利用和轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品[9]。

1 二氧化碳捕集、封存與利用技術(shù)研究進展

1.1 二氧化碳捕集技術(shù)

CO2的捕集主要可分為生物法、物理法和化學(xué)吸收法。

生物法吸收：最初，植物的光合作用是吸收CO2的主要手段。后來，學(xué)者們研究了藻類對CO2的捕集，并研究了CO2封存同步修復(fù)廢水[10]。

物理法吸收：根據(jù)CO2在溶液中的溶解度隨壓力改變來吸收或解吸。CO2物理吸收法的吸收劑主要有水、甲醇、碳酸丙烯酯等溶液。物理吸收法大多在低溫高壓下進行，具有吸收氣體量大、吸收劑再生不需要加熱、不腐蝕設(shè)備等優(yōu)點。主要有膜分離法、催化燃燒法、變壓吸附法(PSA)[7]。

化學(xué)法吸收：CO2化學(xué)吸收法具備選擇性好、吸收效率高、能耗及投資成本較低等優(yōu)點，目前，90%的脫碳技術(shù)都是采用該法[11]。典型的化學(xué)溶劑吸收法有：氨吸收法、熱鉀堿法及有機胺法等，其中有機胺法效果最佳[12]。

CO2捕集的技術(shù)路線主要有三類：燃燒后脫碳、燃燒前脫碳(工業(yè)分離)、富氧燃燒脫碳[6]。

1.2 二氧化碳封存與利用技術(shù)

目前，CO2的封存方式主要有強化石油開采(EOR)、強化煤層氣開采(ECBM)、深部鹽水層封存、海洋封存及礦物碳酸化固定等[13-14]。利用富含鎂、鈣等人類所需資源的天然礦物或工業(yè)廢料與CO2反應(yīng)，將CO2礦物碳酸化固定，同時聯(lián)產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品，是CO2利用的新途徑[15]。利用富含Mg2+/Ca2+的海水固定CO2的同時還能解決海水淡化廠的海水預(yù)處理或鹵水廢棄物問題[16]。

2 碳捕集、封存與利用技術(shù)應(yīng)用狀況

2.1 碳捕集、封存與利用能力建設(shè)

為推動CCUS技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)外政府、企業(yè)和非盈利機構(gòu)通過知識共享促進CCUS的能力建設(shè)。由澳大利亞政府資助發(fā)起的全球碳捕集與封存研究院(GCCSI)，是CCUS知識分享的國際智庫；加拿大的國際CCS知識共享中心(International CCS Knowledge Centre)是必和必拓(BHP)和薩省電力(SaskPower)支持下，在2016年設(shè)立的非盈利機構(gòu)，該中心積極分享CCUS項目信息。在日本政府支持下，37家企業(yè)在2008年設(shè)立日本CCS合資公司(JCCS)，來進行日本CCS項目的開發(fā)，有利于政府公共資源實現(xiàn)創(chuàng)新效益在全行業(yè)共享，避免重復(fù)建設(shè)[17]。

2.2 碳捕集、封存與利用應(yīng)用狀況[7]

根據(jù)《全球碳捕集與封存現(xiàn)狀2020》[7]的統(tǒng)計，總計有 65個商業(yè)CCS設(shè)施：26個正在運行，2個已暫停運行，3個在建項目，13個處于高級開發(fā)階段，21個處于開發(fā)早期。另有34個試點和示范規(guī)模的CCS設(shè)施正在運行或開發(fā)中，還有8個CCS技術(shù)測試中心。

已經(jīng)投入運行的28個CCS設(shè)施中，美國有14個，加拿大4個，挪威3個，中國2個，澳大利亞、阿聯(lián)酋、巴西、沙特阿拉伯和卡塔爾各1個。應(yīng)用行業(yè)主要集中在天然氣(13個)、化工生產(chǎn)(包括甲醇、乙醇生產(chǎn)，5個)、化肥生產(chǎn)(4個)、制氫(2個)、發(fā)電(2個)、鋼鐵制造(1個)和石油精煉(1個)行業(yè)。CO2的捕集類型主要是工業(yè)分離(27個)和燃燒后捕集 (1個)。封存類型主要有強化石油開采(EOR)和專用地質(zhì)封存兩類：采用EOR的有22個，采用專用地質(zhì)封存的有5個，有 1個兼及EOR和地質(zhì)封存。目前運行中的CCS設(shè)施每年可捕集和永久封存約3844萬噸二氧化碳。

在建、高級開發(fā)和早期開發(fā)階段的37個商業(yè)CCS設(shè)施，美國有19個，英國7個，中國3個，挪威2個，澳大利亞、阿聯(lián)酋、韓國、荷蘭、新西蘭和愛爾蘭各1個。應(yīng)用行業(yè)主要集中在發(fā)電(18個)、化工生產(chǎn)(包括乙醇生產(chǎn)，8個)、制氫(3個)、天然氣(2個)、水泥制造(2個)、化肥生產(chǎn)(1個)、垃圾焚燒(1個)、石油精煉(1個)和空氣捕集(1個)。CO2的捕集類型主要是工業(yè)分離(22個)和燃燒后捕集(12個)，富氧燃燒捕集只有2個，還有1個在評估中。封存類型主要有強化石油開采(EOR)和專用地質(zhì)封存兩類：采用EOR的有9個，采用專用地質(zhì)封存的有22個，有6個的封存類型尚在評估中。目前在建、擬建的CCS設(shè)施每年可捕集和永久封存約7491萬噸二氧化碳。

從表1可以看出，美國已建成投產(chǎn)的CCS設(shè)施數(shù)量占全世界在建、擬建的50.0%，美國在建、擬建的CCS設(shè)施數(shù)量占全世界已建成的51.4%，整體數(shù)量占全世界已建成的50.8%。說明目前世界上的CCS設(shè)施建設(shè)主要集中在美國。

表1 CCS設(shè)施建設(shè)狀態(tài)及分布表

表2 CCS設(shè)施應(yīng)用行業(yè)及建設(shè)規(guī)模分布表 單位：Mtpa

美國已建成投產(chǎn)的CCS設(shè)施產(chǎn)能占全世界已建成的57.1%，美國在建、擬建的CCS設(shè)施產(chǎn)能占全世界已在建、擬建的53.9%，整體產(chǎn)能占全球已建成的55.0%，目前全球的CCS設(shè)施產(chǎn)能主要集中在美國。在已投產(chǎn)的CCS設(shè)施中，主要用于天然氣行業(yè)，占所有產(chǎn)能的76.4%，其次是制氫(5.7%)；在建、擬建的CCS設(shè)施主要用于發(fā)電行業(yè)，占所有產(chǎn)能的66.0%，其次是化工生產(chǎn)(11.8%)；并且新增了水泥生產(chǎn)行業(yè)、垃圾焚燒行業(yè)和空氣捕集方面的應(yīng)用。

已建的CCS設(shè)施的CO2的捕集類型主要是工業(yè)分離(96.4%)和燃燒后捕集(3.6%)；在建、擬建的CCS設(shè)施的CO2的捕集類型依然主要是工業(yè)分離(59.6%)、燃燒后捕集(32.4%)，但增加了富氧燃燒捕集(5.4%)，還有1個的捕集類型在評估中，有可能采用新的捕集方式；已建的CCS設(shè)施的CO2的封存類型主要是EOR(80.4%)和專用地質(zhì)封存(19.6%)；在建、擬建的CCS設(shè)施的CO2的捕集類型依然主要是EOR(24.3%)和專用地質(zhì)封存(59.6%)，但重心已由EOR轉(zhuǎn)向了專用地質(zhì)封存，且有6個的封存類型尚在評估中，有可能采用新的封存類型。

從1972年第一個CCS設(shè)施投運，到2020年統(tǒng)計截止時，全球投運的CCS設(shè)施每年可捕集和封存約3844萬噸CO2，預(yù)計在2030前投運的在建、擬建CCS設(shè)施每年可捕集和封存約7491萬噸CO2。

3 結(jié) 語

我們既要控制碳排放、又要保經(jīng)濟增長，在此基礎(chǔ)上要實現(xiàn)碳達(dá)峰值目標(biāo)，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量碳捕集、封存與利用的相關(guān)研究，也取得了很多成果，但目前能大規(guī)模進行工業(yè)應(yīng)用的主要集中在天然氣處理、發(fā)電、化肥生產(chǎn)、化工生產(chǎn)、制氫、鋼鐵制造和石油精煉等行業(yè)，主要還是對CO2的捕集和封存，未見對其進行大規(guī)模工業(yè)化利用的實際案例。我國碳排放交易8大重點行業(yè)(石化、化工、鋼鐵、電力、建材、有色、造紙、航空)中的建材、鋼鐵、有色、造紙、航空行業(yè)均無實際應(yīng)用案例，主要還是存在技術(shù)與經(jīng)濟可行性的問題。需要廣大學(xué)者加快降低二氧化碳捕集、封存和利用的成本研究，盡快實現(xiàn)二氧化碳捕集、封存和利用產(chǎn)業(yè)化，形成碳捕集、碳利用產(chǎn)業(yè)鏈，達(dá)到碳達(dá)峰和經(jīng)濟增長雙贏的目標(biāo)。