二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)應(yīng)用研究

王柯欽

大連理工大學(xué)，遼寧大連，116081

0 引言

全球氣候變化所產(chǎn)生的危害十分嚴(yán)重，這類危害是多方位的、多層面的，其現(xiàn)階段造成的不良影響備受關(guān)注，如森林生態(tài)系統(tǒng)的退化和海洋生態(tài)系統(tǒng)的改變等。這勢必會對人類的生存和發(fā)展帶來不利的影響。盡管目前全球氣候變化的原因還存在爭議，二十世紀(jì)以來，全球平均氣溫上升很可能是人為所造成的，且可能性很大。IPCC還預(yù)測分析，未來一百年內(nèi)，全世界氣溫上升的均值范疇將會在1.4~5.8℃之間，具體升高多少，取決于新世紀(jì)不可再生資源的使用量。對于因為二氧化碳的大批量排出引起的氣候變化問題，國際能源署提出了二氧化碳節(jié)能減排的三種場景：第一種是在現(xiàn)階段狀況下，不采取任何額外的轉(zhuǎn)變，2050年的二氧化碳排放量增加1.3倍，氣溫提升6℃（至少）；第二種場景是ACT場景，運(yùn)用目前技術(shù)，將2050年的消耗量控制在現(xiàn)如今的水準(zhǔn)；第三種場景被稱作BLUE場景，2050年的二氧化碳生產(chǎn)量降低一半。目前二氧化碳造成的氣候問題已變成國際社會廣泛關(guān)注的重要全球性問題，已經(jīng)對社會發(fā)展趨勢造成了深遠(yuǎn)影響[1]。這些年來我國經(jīng)濟(jì)不斷快速的發(fā)展造成了大量不可再生資源的耗費(fèi)，產(chǎn)生了大量的溫室氣體，與此同時也帶來了一系列的環(huán)境問題，我國溫室氣體減排勢在必行。作為目前二氧化碳年排放量較多的國家，我國政府在國際上承擔(dān)的抵制全球氣候變暖的壓力非常大。因而，我國急需采取相應(yīng)對策。CCUS技術(shù)是一項具備很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸?jié)能減排技術(shù)，是解決全球氣候變化、緩解溫室氣體排放的關(guān)鍵工藝之一?？墒?，現(xiàn)階段CCUS技術(shù)還備受異議，后文將對于此事開展剖析。

1 CCUS技術(shù)以及技術(shù)環(huán)節(jié)

CCUS技術(shù)，可以達(dá)到阻攔或明顯降低溫室氣體排放的目的，以減少對地球大氣環(huán)境的危害。這是一項具備規(guī)模性節(jié)能減排和巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦图夹g(shù)?，F(xiàn)階段，處在科學(xué)研究環(huán)節(jié)、工業(yè)生產(chǎn)實驗或現(xiàn)代化使用的封存場所有深度含鹽量隔水層、匱乏或開采后期的油氣田、無法開采的深海等。完成CCS關(guān)鍵有兩個流程——“碳收集”和“碳保存”，此外還有“二氧化碳運(yùn)送”等。

1.1 二氧化碳捕集技術(shù)

二氧化碳捕集可劃分為微生物法、吸收法、吸附法、膜分離法。微生物法所依據(jù)的原理是：綠色植物的光合作用是消化吸收二氧化碳的具體方式。物理吸收法依據(jù)的原理是：二氧化碳在液體中的溶解性隨壓力更改來吸收或脫附。二氧化碳物理吸收法的吸收劑有水、碳酸丙烯酯以及工業(yè)甲醇等水溶液。物理吸收法大多數(shù)在超低溫、高壓下開展, 具備吸收劑再造不用加溫以及不浸蝕機(jī)器等優(yōu)勢?；瘜W(xué)法吸收具有可選擇性好、吸收高效率、耗能及運(yùn)營成本低等優(yōu)勢。但工藝較復(fù)雜，吸收液需要再次處理，否則會造成廢水的污染?；瘜W(xué)吸收法有熱鉀堿溶液法、氨吸收法、有機(jī)胺法等，在其中有機(jī)胺法實際效果最好。與吸收法不同，吸附法主要利用的是多孔的固體物質(zhì)對二氧化碳進(jìn)行捕獲。有變溫吸附法、變壓吸附法、變電吸附法。而膜分離法則是通過膜的選擇透過性對二氧化碳進(jìn)行篩選捕獲[2]。

1.2 二氧化碳封存與利用技術(shù)

現(xiàn)階段，二氧化碳封存方式有地質(zhì)封存、海洋封存、礦物碳酸化固定。地質(zhì)封存可分為深部鹽水層封存、強(qiáng)化煤層氣采掘以及加強(qiáng)石油開采。運(yùn)用含有鎂、鈣等人們所需的純天然礦物質(zhì)或工業(yè)生產(chǎn)廢棄物與二氧化碳的反應(yīng)，碳酸化固定二氧化碳礦物，與此同時聯(lián)產(chǎn)化工材料，是二氧化碳封存利用的有效途徑。在利用層面可分為物理利、化學(xué)、生物利用。物理利用主要是運(yùn)用于食品產(chǎn)業(yè)以及驅(qū)油?；瘜W(xué)利用主要是將二氧化碳轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的化學(xué)用品，如尿素、甲醇、甲酸等。生物利用主要是制成化肥促進(jìn)農(nóng)作物生長[3]。

2 二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

世界各政府部門、公司通過知識共享推動二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)能力的建設(shè)。由澳大利亞政府資助運(yùn)行的全世界碳收集與保存研究所，是二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)知識分享的全球智庫；加拿大國際性CCS知識共享組織是在BHP和SaskPower資助下，在2016年開設(shè)的非營利組織，該組織積極主動地共享CCS項目的相關(guān)信息。在日本政府的助力下，37家公司在2008年開設(shè)了JCCS，這有利于日本政府部門公共資源網(wǎng)完成自主創(chuàng)新，在全領(lǐng)域內(nèi)共享資源。在早已投入運(yùn)轉(zhuǎn)的28臺CCS設(shè)備中，美國、加拿大、挪威在數(shù)量上占據(jù)前三席，分別為14個，4個和3個，我國占有2個，卡塔爾、沙特阿拉伯、巴西、阿聯(lián)酋以及澳大利亞各占有1個。應(yīng)用領(lǐng)域主要是天然氣（占有13個）、化工生產(chǎn)制造（囊括了乙醇生產(chǎn)以及甲醇生產(chǎn)，占有5個）、肥料生產(chǎn)制造（占有4個）、制氫（占有2個）、發(fā)電（占有2個）、鋼材生產(chǎn)制造（占有1個）以及原油精煉（占有1個）等領(lǐng)域。二氧化碳捕集類型有燃燒后捕集（占有1個）以及燃燒前捕集（占有27個）。封存類型具體有專用地質(zhì)封存（占有5個）以及強(qiáng)化石油開采（占有22個）。當(dāng)前CCS設(shè)備每一年可捕集和永久性封存大約3844萬噸二氧化碳。高級、早期開發(fā)的37個商業(yè)CCS服務(wù)設(shè)備中，美國占有19個，我國占有3個，英國占有7個，挪威占有2個，愛爾蘭、新西蘭、荷蘭、韓國、阿聯(lián)酋以及澳大利亞各占有1個。全世界的CCS設(shè)備基本建設(shè)聚集在美國，在已建成并成功投產(chǎn)的CCS設(shè)備中，美國已經(jīng)占據(jù)了半壁江山，約為世界范圍內(nèi)的六成。而在新建、待建的CCS設(shè)備中，美國也已經(jīng)占了一半。在已建成投產(chǎn)的CCS設(shè)備中，主要運(yùn)用于天然氣領(lǐng)域，占全部生產(chǎn)能力的76.4%，次之的制氫占據(jù)了5.7%，新建、待建的CCS設(shè)備主要運(yùn)用于發(fā)電領(lǐng)域，占全部生產(chǎn)能力的66.0%，次之的化工生產(chǎn)制造占據(jù)了11.8%。新增的混凝土制造領(lǐng)域、垃圾焚燒領(lǐng)域以及空氣捕集領(lǐng)域發(fā)展勢頭也很猛。已建CCS設(shè)施二氧化碳捕集類型主要有兩類：燃燒后捕集（占有3.6%）、燃燒前捕集（占有96.4%）。新建、待建CCS設(shè)施二氧化碳捕集類型主要有三類：燃燒前捕集（占有59.6%）、燃燒后捕集（占有32.4%）、富氧燃燒捕集（占有5.4%）。已建CCS設(shè)備二氧化碳封存類型有專用地質(zhì)封存（占有19.6%）、EOR（占有80.4%）。新建、待建CCS設(shè)備二氧化碳捕集類型有專用地質(zhì)封存（占有59.6%）、EOR（占有24.3%），但重心點已由EOR轉(zhuǎn)為了專用地質(zhì)封存。自1972年首個CCS設(shè)備投用以來，全世界投用的CCS設(shè)備每一年可捕集并保存約3844萬噸二氧化碳，預(yù)估在2030前投用的新建、待建CCS設(shè)備每一年可捕集并封存大約7491萬噸二氧化碳[4]。

3 二氧化碳捕集、封存與利用技術(shù)難點

CCUS技術(shù)成本較高，封存以及運(yùn)用緊密結(jié)合在經(jīng)濟(jì)上是有效的技術(shù)方式。完成有機(jī)廢氣中二氧化碳的捕集、利用與封存有下列技術(shù)性難題。

3.1 捕獲與提純技術(shù)有待改進(jìn)

要想實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，就必須提純、液化廢氣中二氧化碳。燃燒后捕集技術(shù)的難點在于二氧化碳并非待處理氣體的全部，而是待處理氣體當(dāng)中的一部分，因此，此方法不經(jīng)濟(jì)、不節(jié)能。富氧燃燒捕集，燃料于氧氣環(huán)境會燃燒，使得二氧化碳捕集效率大大提升，但制氧成本很高，若欲降低制氧成本費(fèi)必須實現(xiàn)制氧技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。第三種為燃燒前捕集，十分復(fù)雜，燃料的不徹底氧化會產(chǎn)生合成氣，這類合成氣被轉(zhuǎn)化成二氧化碳、氫氣?，F(xiàn)階段，凈化處理純化技術(shù)是全球性難點，日本、加拿大已經(jīng)實現(xiàn)煙道氣二氧化碳純化技術(shù)，但要獲得經(jīng)濟(jì)效益，還是有待時日。

3.2 防腐防垢

二氧化碳在輸送和貯存環(huán)節(jié)中對金屬材料的強(qiáng)腐蝕性，使得注入二氧化碳時二氧化碳易與巖石層產(chǎn)生化學(xué)變化，非常容易產(chǎn)生污垢，從而阻塞安全通道，引發(fā)安全問題。且高壓條件下，二氧化碳在含水管道運(yùn)輸過程中易有水合物生成，經(jīng)濟(jì)會有所損失，所以必須研究出適宜的防腐防垢技術(shù)[5]。

3.3 封存地點選擇

國外的注入技術(shù)，使得采收率大大提高，其儲層標(biāo)準(zhǔn)大都不錯，石油粘度較低。而中國儲層中因為強(qiáng)非勻質(zhì)性以及竄流通道作用下的二氧化碳竄流使得其波及效率大打折扣。中國大部分油氣田石油組成的顯著特點是蠟、瀝青質(zhì)以及膠質(zhì)含量高。因而在注二氧化碳驅(qū)油時，很有可能發(fā)生有機(jī)固相沉積、油藏?fù)p壞，并且概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海外油氣田[6]。因此，我國在封存地點的選擇時必須深入分析地質(zhì)構(gòu)造、巖層特性及其地域分布，并開展系統(tǒng)試驗。

3.4 建設(shè)以及運(yùn)行成本高昂

CCUS技術(shù)成本費(fèi)囊括了捕集、輸送以及封存，這些環(huán)節(jié)都會耗費(fèi)巨量的能源，成本費(fèi)昂貴。CCUS技術(shù)的應(yīng)用會使發(fā)電量成本有所上升，但如果項目中包括EOR，會使CCUS作用下的附加發(fā)電成本費(fèi)有所降低。在眾多CCUS系統(tǒng)中，捕集成本的占比較大。由于地理位置的不同，CCUS系統(tǒng)成本費(fèi)存有很大差別，關(guān)鍵要素囊括了基于CCUS技術(shù)的電廠或工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計、運(yùn)作以及項目投資，燃料應(yīng)用類型、成本費(fèi)和運(yùn)送間距，二氧化碳運(yùn)輸?shù)匦我约肮饬浚捌浞獯娑趸嫉姆N類和特性等。除此之外，CCUS技術(shù)構(gòu)成部分、系統(tǒng)績效與成本費(fèi)的關(guān)聯(lián)并不穩(wěn)定。但可以肯定的是，伴隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，CCUS技術(shù)費(fèi)用將逐步降低[7]。

3.5 群眾認(rèn)同度低

據(jù)研究表明，群眾并不充分了解CCUS技術(shù)，CCUS技術(shù)并未像其他氣候緩解方案那般獲得廣泛認(rèn)同。進(jìn)一步發(fā)展CCUS技術(shù)，不僅要逐漸降低耗能，還務(wù)必得到法律法規(guī)以及稅務(wù)的支持，且普遍的群眾認(rèn)同也是不可或缺的。

3.6 政府政策

事實上，以往CSS無法施展拳腳并非在于技術(shù)問題，反而在于政府部門配套制度的不健全。20世紀(jì)90年代，英國科學(xué)家早就在CCS技術(shù)方面表現(xiàn)出來了濃厚興趣，并曾經(jīng)代表著技術(shù)潮流。BP最早探尋了CCS商業(yè)化，但是英國政府對該技術(shù)并不感興趣，也不看重，CCS難以獲得社會各界以及政府部門的財政支持。在技術(shù)較為先進(jìn)的歐洲地區(qū)，現(xiàn)階段的碳捕集成本大概為70歐/t。在面對動輒上萬噸甚至百萬噸級的節(jié)能減排需求，碳捕集整體成本是非常大的。假如政府部門不頒布行之有效的激勵政策，與公司共承擔(dān)風(fēng)險，公司勢必不會輕易涉足該領(lǐng)域。CCS技術(shù)未來的發(fā)展則令人擔(dān)憂。正因為如此，在無法得到政府部門大力支持的條件下，幾乎沒有一家公司想要單方投資CCS技術(shù)。但是，伴隨著全球氣候變化問題的日益嚴(yán)重化，近年來，世界各國政府部門在增加新能源技術(shù)資金投入的同時，也逐漸提高了對CCS的重視程度。

4 二氧化碳捕集、封存與利用技術(shù)展望

我國“雙碳”總體目標(biāo)的建立要跨過40年的艱難歷程。這一歷程將為碳排放產(chǎn)業(yè)鏈提供較大的市場機(jī)遇。難以預(yù)估政府機(jī)構(gòu)和有關(guān)公司從2022年到2060年這近40年里對碳排放產(chǎn)業(yè)鏈的有關(guān)項目會投資多少，但可以肯定的是這將會是一個天文數(shù)字。與之有關(guān)的新型材料、氫能源、儲能技術(shù)、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域都具有很大機(jī)遇，每一個領(lǐng)域都很有可能發(fā)展到超出萬億RMB級別的市場規(guī)模。盡管目前CCUS規(guī)模還不大，其二氧化碳產(chǎn)出量現(xiàn)階段還不夠百萬噸，但未來CCUS一定是碳排放產(chǎn)業(yè)鏈上不可缺少的一個階段。有預(yù)測分析，從2021年到2030年這10年里，我國CCUS二氧化碳產(chǎn)出量的復(fù)合增長率將超出100%。CCUS技術(shù)途徑正在日益趨向完善，但一個新項目成功與否還在于此項目所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益。提升收益、擺脫高成本費(fèi)成為CCUS項目運(yùn)營的重中之重。實際上，與西方CCUS技術(shù)開發(fā)人員對比，我國CCUS技術(shù)開發(fā)人員更善于基于本國產(chǎn)業(yè)，挖掘技術(shù)應(yīng)用。近些年，有關(guān)公司和科學(xué)精英團(tuán)隊也專注于提升設(shè)備附加值以及開辟新型商品用途[8]。這種CCUS新項目是投資者可以重點關(guān)注的潛在式投資標(biāo)的。我國碳排放銷售市場的進(jìn)一步完善和發(fā)展也為CCUS新項目的執(zhí)行帶來了額外經(jīng)濟(jì)來源。

5 結(jié)語

世界各國專家、學(xué)者早已開展了很多碳捕集、利用與封存的科學(xué)研究，也獲得了許多成效。但在我國重點碳排放交易領(lǐng)域均無具體運(yùn)用實例，其原因在于現(xiàn)有技術(shù)與投資效益分析的難關(guān)難以跨越。二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)的發(fā)展必須基于政府的大力資助，依靠眾多專家、學(xué)者加強(qiáng)對二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)的科學(xué)探究。