碳捕捉技術(shù)未來可期

■本刊記者王睿佳/ 編輯白宇

在我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)背景下，落實(shí)碳減排技術(shù)手段成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)，碳捕捉相關(guān)技術(shù)無疑為此帶來一種新的思路。

碳捕捉相關(guān)技術(shù)概念及主要形式

碳捕捉、利用與封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS），簡而言之是將工業(yè)生產(chǎn)中的二氧化碳用各種手段捕捉然后儲存或者利用的技術(shù)。

碳捕捉方式

現(xiàn)階段至少有3 種不同形式的碳捕捉技術(shù)，即燃燒前處理、燃燒后處理、富氧燃燒。其中大部分技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)是可行的。

燃燒前處理。此種方法通常應(yīng)用于燃煤氣化循環(huán)式發(fā)電廠。燃煤被氣化后產(chǎn)生由一氧化碳和氫氣組成的合成氣體。一氧化碳和水反應(yīng)后產(chǎn)生二氧化碳，即可被捕集；反應(yīng)也會產(chǎn)生更多的氫氣，氫氣可經(jīng)利用進(jìn)行發(fā)電或作為氫燃料電池填充。

燃燒后處理。顧名思義，就是在工藝的燃燒部分之后進(jìn)行捕捉。由于一般對二氧化碳的捕捉多用于發(fā)電廠，因此往往在電廠燃燒段之后放置吸收分離裝置，使用溶劑對二氧化碳進(jìn)行吸收并壓縮，然后進(jìn)入運(yùn)輸管道。

富氧燃燒。當(dāng)煤、石油、天然氣在空氣中燃燒后，二氧化碳占廢氣組成的3%～15%。在此種情況下，若要分離出二氧化碳是非常困難且耗能的。一種可行的方式是將燃料在純氧中燃燒。在這樣的環(huán)境里，燃燒產(chǎn)生的廢氣成分很單純，只有二氧化碳和水蒸氣。水蒸氣可被降溫凝結(jié)排掉，二氧化碳則直接運(yùn)輸?shù)絻Υ嬖O(shè)備。

另外，還有一種生物質(zhì)能碳捕捉技術(shù)。生物質(zhì)能與碳捕捉技術(shù)相結(jié)合，將森林與莊稼轉(zhuǎn)化為能源燃料并從大氣中消除二氧化碳排放，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的二氧化碳減排。其中，由于藻類的數(shù)量每隔幾小時(shí)就能翻倍，對陽光的利用比植物更有效，這一特性長久以來就吸引著世界各地的科學(xué)家，因此微藻碳捕捉技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

碳利用方式

目前，二氧化碳的資源化利用方式主要有化工利用、生物利用和礦化利用。

二氧化碳的化工利用是指以二氧化碳為原料，與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)出附加值較高的化工產(chǎn)品，這是真正消耗二氧化碳的過程。在傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)中，二氧化碳大量用于生產(chǎn)純堿、小蘇打、白炭黑、硼砂、各種金屬碳酸鹽等大宗無機(jī)化工產(chǎn)品以及能源、燃料以及大分子聚合物等高附加值含碳化學(xué)品。2020 年底，世界首套從煤電廠煙氣捕集二氧化碳，并轉(zhuǎn)化為碳納米管的百噸級工業(yè)化系統(tǒng)由山西清潔碳研究院在山西大同大唐云岡熱電廠建成并運(yùn)行。

二氧化碳的生物利用是指利用生態(tài)系統(tǒng)中植物的光合作用吸收二氧化碳，此法具有固有的有效性和可持續(xù)性。由于微藻生長周期短、光合效率高，目前研究主要集中在微藻固碳和二氧化碳?xì)夥实氖褂?。二氧化碳?xì)夥始夹g(shù)是將來自能源和工業(yè)生產(chǎn)過程中捕集的二氧化碳調(diào)節(jié)到一定濃度注入溫室，來提升農(nóng)作物光合作用速率，以提高作物產(chǎn)量。我國擁有世界最大面積的種植大棚，二氧化碳?xì)夥始夹g(shù)應(yīng)用前景比較可觀。

二氧化碳礦化封存技術(shù)主要是指模仿自然界二氧化碳礦物吸收過程，利用天然硅酸鹽礦石或固體廢渣中的堿性氧化物將二氧化碳化學(xué)吸收轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定無機(jī)碳酸鹽的過程。目前已開發(fā)出基于氯化物的二氧化碳礦物碳酸化反應(yīng)技術(shù)、濕法礦物碳酸法技術(shù)、干法碳酸法技術(shù)以及生物碳酸法技術(shù)等。我國在鋼渣、磷石膏礦化利用技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。

碳捕捉相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

國際碳捕捉相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

近年來，全球范圍內(nèi)碳捕捉、利用及封存工業(yè)示范項(xiàng)目數(shù)目逐步增多、規(guī)模逐步擴(kuò)大，發(fā)展勢頭良好。根據(jù)全球碳捕捉與封存研究院（Global CCS Institute）發(fā)布的《2020 全球碳捕捉與封存發(fā)展現(xiàn)狀》，截至2020年底，全球有28個(gè)處于運(yùn)行階段的大規(guī)模碳捕捉、利用及封存項(xiàng)目，其中有14個(gè)分布在美國，總裝機(jī)容量約為4000萬噸/年。此外，全球有30 多個(gè)大規(guī)模碳捕捉相關(guān)項(xiàng)目處于在建或開發(fā)階段。

在美國的得克薩斯州，新佩特拉（Petra Nova）項(xiàng)目用來捕捉WA Parish 火電站所產(chǎn)生的二氧化碳，并將收集到的二氧化碳注入附近油田，有效提高油田產(chǎn)量。WA Parish 發(fā)電站位于得克薩斯州首府休斯敦西南部，是州內(nèi)一家大型燃煤發(fā)電站。新佩特拉項(xiàng)目使用胺類化學(xué)物質(zhì)從電站尾氣中捕集二氧化碳，屬燃燒后處理。投產(chǎn)后，設(shè)施每年將從發(fā)電站尾氣中捕集超過140 萬噸的二氧化碳。被收集的二氧化碳隨后通過132 千米長的管道被送至西農(nóng)場油田（West Ranch oilfield）用于驅(qū)油，可有效提高油田產(chǎn)量。

我國碳捕捉相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

“我國碳捕捉、封存與利用技術(shù)整體處于工業(yè)示范階段。由于我國富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展碳捕捉、封存與利用技術(shù)意義重大，目前已經(jīng)在勝利油田等實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。通過向油田注入二氧化碳驅(qū)油，提高采收效率，降低采油成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳的地下封存。而當(dāng)前存在的二氧化碳?xì)庠磫栴}，則正好為火電、鋼鐵、水泥、石化等行業(yè)的碳減排提供了出路?！比A南理工大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)與電力市場研究所所長陳皓勇如是說。

我國二氧化碳捕集示范項(xiàng)目主要集中在火電、煤化工、天然氣處理以及甲醇、水泥、化肥生產(chǎn)等行業(yè)。運(yùn)輸環(huán)節(jié)以罐車運(yùn)輸為主，僅有中國石油吉林油田CCS-EOR 示范項(xiàng)目鋪設(shè)了20 千米的管道，輸送二氧化碳至采油區(qū)進(jìn)行驅(qū)油作業(yè)。我國罐車運(yùn)輸和內(nèi)陸船舶運(yùn)輸已經(jīng)成熟，管道運(yùn)輸正在建立健全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和安全控制技術(shù)體系。

目前，我國已建成華潤電力海豐碳捕集測試平臺、山西清潔碳研究院煙氣二氧化碳捕集及轉(zhuǎn)化碳納米管示范、延長石油陜北煤化工5 萬噸/年二氧化碳捕集與示范、華能綠色煤電IGCC電廠捕集利用和封存項(xiàng)目等一批二氧化碳捕集、利用項(xiàng)目。2022年1月17日，中國石化對外宣布，我國首個(gè)百萬噸級CCUS 項(xiàng)目——齊魯石化-勝利油田CCUS 項(xiàng)目即將建成投產(chǎn)，涵蓋碳捕集、利用和封存3 個(gè)環(huán)節(jié)，該項(xiàng)目每年可減排二氧化碳100 萬噸，相當(dāng)于近60 萬輛經(jīng)濟(jì)型轎車停開一年，預(yù)計(jì)未來15年可實(shí)現(xiàn)增油296.5萬噸。

坐落于山東省東營市的港城熱力有限公司碳捕捉項(xiàng)目于2020 年1 月16 日成功投入運(yùn)營，年產(chǎn)二氧化碳8.5 萬噸。該項(xiàng)目首批液態(tài)二氧化碳成果捕集入罐，純度達(dá)99.9%以上，超過了工業(yè)級二氧化碳國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)產(chǎn)出了純度達(dá)99.9%的氮?dú)猱a(chǎn)品。該項(xiàng)目在煙氣捕集制二氧化碳工程設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上，對于不同的項(xiàng)目可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行改變，不光利用廢氣生產(chǎn)出了液體二氧化碳，也生產(chǎn)出了合格的氮?dú)?，可以說是變廢為多寶。

困難阻力接踵而至，產(chǎn)業(yè)布局面臨挑戰(zhàn)

目前，碳捕捉相關(guān)技術(shù)總體還處于研發(fā)和示范的初級階段，面臨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、市場等方面的困難和問題，要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展還面臨很多阻力和挑戰(zhàn)。

經(jīng)濟(jì)成本相對高昂

碳捕捉相關(guān)示范項(xiàng)目的成本相對較高，是阻礙其發(fā)展的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國碳捕捉相關(guān)示范工程投資及運(yùn)行維護(hù)成本都在數(shù)億元的規(guī)模，如華潤集團(tuán)海豐超臨界燃煤電廠燃燒后捕集示范項(xiàng)目僅投資成本就達(dá)到8000多萬元。

同時(shí)，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，引入碳捕捉后每噸二氧化碳將額外增加140～600 元的運(yùn)行成本，如中國華能集團(tuán)上海石洞口捕集示范項(xiàng)目的發(fā)電成本就從大約每千瓦時(shí)0.26元提高到0.5元。

技術(shù)水平有待提升

廈門大學(xué)中國能源政策研究院院長林伯強(qiáng)表示：“在我國，碳捕捉相關(guān)技術(shù)由于目前投入太少，研究該技術(shù)及其應(yīng)用的人才投入不夠，所以導(dǎo)致其規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)進(jìn)步一直上不去?！?/p>

技術(shù)水平是制約碳捕捉相關(guān)項(xiàng)目發(fā)展的一大障礙。首先，在我國，碳捕捉、利用與封存試驗(yàn)示范還處于起步階段，缺乏大規(guī)模、全流程示范經(jīng)驗(yàn)，特別是在現(xiàn)有技術(shù)條件下，企業(yè)應(yīng)用碳捕捉相關(guān)技術(shù)將使一次能耗增加10%～20%，效率損失大。

其次，地質(zhì)利用封存環(huán)節(jié)的地質(zhì)勘查存在不確定性的風(fēng)險(xiǎn)，二氧化碳地質(zhì)封存的信息支持不夠，企業(yè)無法對地層結(jié)構(gòu)、儲存潛力、封存風(fēng)險(xiǎn)和檢測方案等問題做全面評估，增加了企業(yè)經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。

最后，在“雙碳”目標(biāo)背景下，據(jù)北京理工大學(xué)能源與環(huán)境政策研究中心預(yù)測,我國需要通過碳捕捉、利用與封存技術(shù)完成約175 億～315 億噸的累計(jì)減排任務(wù)。但目前我國碳捕捉相關(guān)示范工程捕獲二氧化碳能力大多在萬噸到十幾萬噸之間，缺少大規(guī)模、可復(fù)制的經(jīng)濟(jì)效益明顯的全流程集成項(xiàng)目示范工程。

市場需求尚不明確

當(dāng)前，全國碳市場處于起步階段，沒有形成規(guī)?；亩趸夹枨笫袌?，無法從經(jīng)濟(jì)上合理衡量該部分減排能力，致使碳捕捉項(xiàng)目商業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)較弱，許多企業(yè)和潛在的投資者對其望而卻步。我國碳捕捉相關(guān)項(xiàng)目資金主要源于國家科技計(jì)劃、央企自籌款、國際合作項(xiàng)目資金，金融機(jī)構(gòu)參與較少，呈現(xiàn)出資金來源少、總量小、渠道窄的特征，存在巨大的投資缺口。

除此之外，碳捕捉相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈幾乎囊括了能源生產(chǎn)和消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如電力、鋼鐵、水泥、石油、化工等行業(yè)，目前碳捕捉全流程示范項(xiàng)目較少，缺乏跨行業(yè)、跨部門的合作模式，二氧化碳捕捉項(xiàng)目與利用、封存項(xiàng)目存在對接不暢的問題。

政策體系還未完善

自2006年起，我國陸續(xù)發(fā)布了20多項(xiàng)涉及碳捕捉、利用與封存的國家政策，確定了碳捕捉相關(guān)技術(shù)在應(yīng)對氣候變化領(lǐng)域的重要地位，并積極推動碳捕捉相關(guān)技術(shù)研發(fā)和示范項(xiàng)目的建設(shè)。2013年，我國發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)碳捕集、利用和封存試驗(yàn)示范項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)工作的通知》，為有效降低和控制碳捕集、利用和封存全過程可能出現(xiàn)的各類環(huán)境影響與風(fēng)險(xiǎn)，推動相關(guān)工作健康有序發(fā)展提供了政策支持；2016年，《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)指南（試行）》發(fā)布，規(guī)定了碳捕捉、利用與封存項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估的原則、內(nèi)容以及框架性程序、方法和要求。

但是，我國尚未建立碳捕捉相關(guān)應(yīng)用的專項(xiàng)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系。中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)高級專家、中國能源研究會政策研究中心研究員董曉宇表示：“我國的碳捕捉、封存與利用技術(shù)缺乏相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及激勵(lì)約束機(jī)制與監(jiān)管制度。”同時(shí)，缺少有效的政策激勵(lì)，沒有具體的財(cái)稅支持，是目前企業(yè)開展碳捕捉相關(guān)研究和示范項(xiàng)目的主要障礙；示范項(xiàng)目的選址、建設(shè)、運(yùn)營和地質(zhì)利用與封存場地關(guān)閉及關(guān)閉后的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估、監(jiān)控等方面同樣需要相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的支撐。因此，盡快出臺明確的政府政策與建立專項(xiàng)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是碳捕捉項(xiàng)目大規(guī)模實(shí)施的重要保障。

發(fā)揮優(yōu)勢引領(lǐng)作用，政策扶持助力發(fā)展

充分利用現(xiàn)有優(yōu)勢，發(fā)展煤電+碳捕捉相關(guān)技術(shù)

林伯強(qiáng)指出：“中國擁有全球最好的煤電系統(tǒng)，龐大且布局比較合理，在應(yīng)對電力系統(tǒng)不穩(wěn)定因素、極端氣候條件等問題上具有優(yōu)勢，所以‘煤電+碳捕捉、利用與封存’這個(gè)板塊值得大規(guī)模去發(fā)展，且成本會不斷下降。因?yàn)榱己玫拿弘娤到y(tǒng)是保障，如果真正大規(guī)模投入布局去發(fā)展碳捕捉相關(guān)技術(shù)，取得技術(shù)突破，那么其成本在未來是會大幅度下降的。我們要把風(fēng)電、光伏發(fā)電加儲能，煤電加碳捕捉、利用與封存同時(shí)進(jìn)行發(fā)展，這樣整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本也應(yīng)該會下降。”

當(dāng)前，國內(nèi)燃煤電廠加裝碳捕捉相關(guān)技術(shù)裝置項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入公眾視野。相信未來實(shí)現(xiàn)煤電+碳捕捉相關(guān)技術(shù)大規(guī)模發(fā)展將指日可待。

發(fā)揮央企引領(lǐng)作用，助推碳捕捉相關(guān)技術(shù)突破

國有企業(yè)特別是央企，是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，在關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈的主要行業(yè)和關(guān)鍵領(lǐng)域占據(jù)支配地位，也承擔(dān)著更多的服務(wù)國家戰(zhàn)略目標(biāo)和保障國家安全等方面的責(zé)任。因此，電力、鋼鐵、建材、石化、電子、通信等領(lǐng)域的國有骨干企業(yè)，應(yīng)整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈，擔(dān)當(dāng)碳捕捉相關(guān)技術(shù)研發(fā)的先鋒，跟蹤全球碳捕捉先進(jìn)技術(shù)，準(zhǔn)確把握前沿技術(shù)方向，抓緊布局技術(shù)和裝備研發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和自身高質(zhì)量發(fā)展的雙贏。

出臺系列扶持政策，鼓勵(lì)地方“彎道超車”

當(dāng)前，我國應(yīng)建立碳捕捉相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的專項(xiàng)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)、支持重點(diǎn)企業(yè)開展污染物和二氧化碳協(xié)同減排示范工程。有關(guān)部門應(yīng)借鑒國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，盡快將碳捕捉、利用與封存納入政策支持范圍，并予以國家相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新基金支持，激勵(lì)相關(guān)技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目建設(shè)。

碳納米管、石墨烯、碳基芯片等，是世界各國爭相占領(lǐng)的科技高地，也是當(dāng)前我國主要的“卡脖子”技術(shù)領(lǐng)域。應(yīng)鼓勵(lì)有條件的地方區(qū)域抓住二氧化碳資源化利用契機(jī)，打造新格局下高質(zhì)量發(fā)展典范，另辟蹊徑，實(shí)現(xiàn)高科技關(guān)鍵領(lǐng)域的“彎道超車”，是碳捕捉作為未來產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的不二選擇。

我國的碳捕捉、封存與利用技術(shù)發(fā)展雖起步較晚，但在油氣行業(yè)、化工利用、高附加值碳基新材料利用、富碳農(nóng)業(yè)、建筑行業(yè)、環(huán)保行業(yè)、人工生物合成等多領(lǐng)域均有可觀前景。隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)被寫入“十四五”規(guī)劃和政府工作報(bào)告，未來相關(guān)政策的完善與支持將會為碳捕捉相關(guān)技術(shù)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

“在‘雙碳’目標(biāo)下，碳捕捉、封存與利用技術(shù)在減排降碳中的戰(zhàn)略地位非常重要，發(fā)展前景看好，特別是對火電、鋼鐵、水泥等減排難度較大的重點(diǎn)行業(yè)意義重大?！倍瓡杂顝?qiáng)調(diào)。實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，碳捕捉相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用必將功不可沒。在支撐經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對氣候變化、保障能源安全的多重目標(biāo)下，發(fā)展碳捕捉相關(guān)技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)我國大規(guī)模深度減排的明智之舉?！?/p>