CO2捕集與資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向*

齊 嘯

（成都高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管理委員會，四川 成都 610041）

CO2資源化利用技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)有望解決全球氣候變暖問題的重要戰(zhàn)略性技術(shù)之一[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國CO2資源化利用體系已初步形成，“雙碳”目標(biāo)的提出為其發(fā)展提供了新動(dòng)力的同時(shí)，也提出了新的挑戰(zhàn)，明確在新的目標(biāo)下CO2資源化利用的發(fā)展方向成為當(dāng)前和未來業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

1 工業(yè)排放CO2捕集關(guān)鍵技術(shù)

1.1 吸附法

吸附法是利用固體吸附劑的載荷能力，實(shí)現(xiàn)CO2與其它組分氣體的分離，影響其捕集量的主要因素是溫差或壓差[3]。其吸附分離的機(jī)理包含3大類：立體、動(dòng)力和平衡效應(yīng)，根據(jù)機(jī)制的不同，CO2吸附劑可分為2種：物理與化學(xué)吸附劑，其中物理吸附劑通常有活性炭、沸石等，而化學(xué)吸附劑目前研究最多的包括碳納米管、聚酯類材料等[4]。

1.2 吸收分離法

吸收分離法因其分離效果好、成本低及運(yùn)行平衡等特點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用最廣泛的碳捕集技術(shù)之一[5]。自1950年碳酸丙烯酯法問世以來，經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，吸收分離法已衍生出許多分支，例如醇胺法、氨水法等[6]?；贑O2與混溶劑的反應(yīng)機(jī)制，該類捕集法主要分為物理、化學(xué)及物理化學(xué)法，已成功應(yīng)用于工業(yè)CO2捕集行業(yè)中[7]，3種工藝的技術(shù)特點(diǎn)見表1。

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1.3 膜分離法

膜分離技術(shù)因具有操作方便、占地面積小、能耗低等優(yōu)勢，已被大規(guī)模應(yīng)用于生物氣、油田氣等諸多廢氣中CO2的捕集。近年來，膜技術(shù)在CO2捕集領(lǐng)域取得了迅速發(fā)展，其中的無機(jī)膜、聚合物膜及其組合工藝等技術(shù)在廢氣的預(yù)處理、深度處理等領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)[8]。膜分離技術(shù)雖然在工業(yè)排放CO2捕集方面體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，但由于相關(guān)的技術(shù)局限性，在應(yīng)用過程中勢必會有不少實(shí)際問題存在，如膜材料的選擇、膜污染等[9]。

1.4 其他方法

除常規(guī)CO2分離法外，低溫液化法可通過降溫、液化、精餾等多重工藝流程實(shí)現(xiàn)CO2的分離[10]。近10年來，CCUS技術(shù)蓬勃發(fā)展，諸多新型CO2捕集技術(shù)層出不窮，典型代表有水合物法、等離子輔助分離法及相變吸收劑法等[11]。

2 CO2資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展

CO2資源化利用是CCUS和CCS技術(shù)的一項(xiàng)重要舉措，主要包括生物轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、能源開發(fā)及礦化利用等。

2.1 化學(xué)轉(zhuǎn)化

CO2是化工行業(yè)中的一種重要原料，在一定條件下可轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機(jī)態(tài)，例如Na2CO3、MgCO3、K2CO3等。同時(shí)在有機(jī)合成領(lǐng)域，CO2同樣扮演著重要的角色，多種高附加值有機(jī)化工產(chǎn)品，如酸、醚、醇等物質(zhì)的制備過程中都有CO2的身影[12]。伴隨這些化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，一方面可直接減少CO2氣體的排放，另一方面可替代傳統(tǒng)的碳基化石能源，從而減少傳統(tǒng)化石燃料的使用量，間接緩解來自常規(guī)化石能源開采的壓力。

碳資源化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)涵蓋CO2催化加氫、CO2與CH4反應(yīng)、CO2裂解及CO2降解高分子材料等多種類型[13]。其中CO2催化加氫是最常用的技術(shù)之一，如表2所示，根據(jù)C-C偶聯(lián)、C-H成鍵方式與不同數(shù)量H+結(jié)合量的差異，CO2與H2可反應(yīng)合成甲醇、乙烯及甲苯等各種不同類別的有機(jī)產(chǎn)品[14]。

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2.2 生物轉(zhuǎn)化

CO2生物轉(zhuǎn)化是通過光合作用，采用生物固碳技術(shù)將CO2轉(zhuǎn)化為綠色植物和微藻生物賴以生存的碳源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CO2減排的目的。在生物固碳領(lǐng)域，微藻是高效實(shí)現(xiàn)CO2生物轉(zhuǎn)化的典型代表，其繁殖速度快、光合效率高及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可將吸收的CO2在葉綠體內(nèi)合成自身所需的單糖等碳水化合物[15]，如圖1所示。單糖在微藻細(xì)胞內(nèi)可繼續(xù)轉(zhuǎn)化為中性甘油三脂（TAG）、羧酸、不飽和脂肪酸等有機(jī)生物肥料供人類養(yǎng)殖飼料、生物醫(yī)藥等行業(yè)使用，其固碳的反應(yīng)方程式為：

圖1 微藻光合作用固定CO2機(jī)理Fig.1 Mechanism of CO2 fixation by microalgae photos ynthesis

當(dāng)前關(guān)于微藻固碳法的研究仍處于起步階段，由于受微藻生物的采集優(yōu)選難度大、轉(zhuǎn)化率低、復(fù)配生存條件要求高，加之部分微藻生物光合作用后會釋放有害毒素等因素的影響，CO2生物轉(zhuǎn)化法舉步維艱[16]，有待于后期更多的技術(shù)研發(fā)和理論創(chuàng)新。

2.3 能源開發(fā)

由于CO2在超臨界狀態(tài)下的特殊物化性質(zhì)，自20世紀(jì)以來，CO2在能源開發(fā)領(lǐng)域大放異彩。首先是常規(guī)能源的開發(fā)和利用，主要體現(xiàn)在CO2驅(qū)油、CO2采氣、CO2射孔、CO2壓裂、CO2開采地下水等方面[17]。近年來，非常規(guī)能源的發(fā)展進(jìn)入“黃金期”，隨著CO2驅(qū)相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，加之對頁巖氣、地?zé)崮芗昂Ｓ蚩扇急确浅Ｒ?guī)能源的研究不斷深化，相繼出現(xiàn)了CO2-CH4、CO2-ESGR及CO2-EGS等技術(shù)[18]。

多類型油氣CO2增產(chǎn)技術(shù)是一項(xiàng)日漸成熟且具有經(jīng)濟(jì)效益的碳資源利用技術(shù)，其不僅可以實(shí)現(xiàn)CO2的資源化利用，降低大氣中CO2濃度，緩解溫室效應(yīng)，同時(shí)通過CO2驅(qū)實(shí)現(xiàn)油氣增產(chǎn)提采，變廢為寶。未來隨著相關(guān)行業(yè)技術(shù)的不斷革新，相信CO2驅(qū)的應(yīng)用范疇會逐步延伸。

2.4 礦化利用

CO2礦化利用技術(shù)是模擬自然環(huán)境下碳礦化過程，利用工業(yè)固廢，通過碳酸化反應(yīng)形成穩(wěn)定的碳酸鹽。實(shí)現(xiàn)碳減排的同時(shí)，將鋼渣等工業(yè)固體廢渣轉(zhuǎn)化為高值化產(chǎn)品。常用的碳礦化方法主要包括4種：（1）鋼渣礦化利用CO2技術(shù)；（2）磷石膏礦化利用CO2技術(shù)；（3）鉀長石加工聯(lián)合CO2礦化技術(shù)；（4）CO2礦化混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)[19]。

我國鋼渣礦化利用CO2技術(shù)已進(jìn)入工程示范階段，中國科學(xué)院在四川達(dá)州建成了5萬t·a-1規(guī)模的鋼渣礦化CO2生產(chǎn)裝置，目前已投入運(yùn)行[20]。2013年中國石化于普光氣田建立的“100m3·h-1標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)CO2礦化磷石膏聯(lián)產(chǎn)碳酸鈣和碳酸銨”裝置、四川大學(xué)在西昌建成的“5000t·a-1的鉀長石活化礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥”裝置和2020年浙江大學(xué)開展的“CO2深度礦化養(yǎng)護(hù)制建材關(guān)鍵技術(shù)與萬噸級工業(yè)試驗(yàn)”工程，都是國內(nèi)企業(yè)和科研院所為驗(yàn)證CO2礦化利用途徑可行性的現(xiàn)場試用研究[21]。

2.5 地質(zhì)封存

在開發(fā)能源的同時(shí)，CO2地質(zhì)封存是實(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵步驟，衰竭油氣藏、深部煤層及深部咸水層等都是適合CO2長久封存的有利場所[22]。CO2封存機(jī)理包括多個(gè)方面，（1）CO2進(jìn)入目標(biāo)儲層驅(qū)替油氣后，由于毛管力滯留在油水孔隙中；（2）CO2和礦物表面的黏附性強(qiáng)，以吸附態(tài)埋存于地層礦物表面；（3）在地層高溫高壓條件下，CO2溶解系數(shù)增大，以溶解態(tài)被捕獲；（4）CO2會引起儲層巖石中可溶性礦物沉淀，如CaCO3、MgCO3等，以礦物態(tài)被永久封存于地下[23]。

CO2開發(fā)能源-地質(zhì)封存一體化是CCUS技術(shù)的有益補(bǔ)充，理論上可最大化實(shí)現(xiàn)CO2的資源化利用，但并不是十全十美的，封存的經(jīng)濟(jì)性、安全性及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)都是實(shí)施封存前必須考慮的關(guān)鍵因素[24]。

3 發(fā)展方向

3.1 碳工業(yè)體系

碳中和目標(biāo)下的碳資源轉(zhuǎn)化技術(shù)涉及制造、交通、材料等多個(gè)領(lǐng)域，隨著CCUS技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展，將會涌現(xiàn)出諸多新的顛覆性技術(shù)，促進(jìn)碳資源轉(zhuǎn)化向多聯(lián)產(chǎn)減排模式發(fā)展。在此背景下，以CCUS/CCS為核心的碳工業(yè)體系應(yīng)運(yùn)而生，作為實(shí)現(xiàn)碳減排舉措的新型產(chǎn)業(yè)和關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)，涵蓋碳捕集、運(yùn)輸、利用、埋存、加工、金融等多項(xiàng)業(yè)務(wù)[25]，其體系構(gòu)成見表3。

表3 碳工業(yè)技術(shù)體系構(gòu)成Tab.3 Carbon Industrial Technology System

由碳工業(yè)體系構(gòu)成可以看出，如何高效提升“灰碳”利用率，徹底根除“黑碳”是該革命性技術(shù)的核心。如圖2所示，碳工業(yè)體系能夠利用生態(tài)系統(tǒng)碳匯、海洋碳匯、化工合成及驅(qū)油采氣等技術(shù)，顯著提升“灰碳”利用率。同時(shí)通過建立相應(yīng)的碳排放限額制度、碳稅制度及碳交易制度等政策標(biāo)桿，從源頭上有效把控碳的排放量[26]。

3.2 產(chǎn)業(yè)化政策

目前，我國針對CO2資源化利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，已經(jīng)制定了一系列激勵(lì)政策，但從總體來看，仍存在一定的不足[27]。主要體現(xiàn)在：（1）缺乏可以指導(dǎo)中長期產(chǎn)業(yè)部署的整體規(guī)劃；（2）未將CO2資源化利用技術(shù)研發(fā)、CO2源匯匹配、CO2輸送管網(wǎng)、跨行業(yè)工程應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵因素統(tǒng)籌兼?zhèn)洌唬?）缺少類似美國45Q法案、英國和加拿大的投資補(bǔ)貼激勵(lì)政策。未來做好CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展頂層設(shè)計(jì)，建立一套完善的產(chǎn)業(yè)支持政策鏈，是引領(lǐng)CO2資源化利用產(chǎn)業(yè)走上快速發(fā)展軌道的重心，分為以下幾個(gè)方面：（1）建立CCUS財(cái)稅激勵(lì)政策；（2）建立CCUS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及管理制度；（3）建立多產(chǎn)業(yè)協(xié)作機(jī)制；（4）將CO2資源化利用納入碳排放交易體系；（5）建立良好的CCUS金融生態(tài)。

圖2 以CCUS/CCS為核心的碳工業(yè)體系構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic diagram of a carbon industrial system based on CCUS/CCSas a core

3.3 安全和環(huán)境監(jiān)測評估

CO2安全和環(huán)境監(jiān)測是衡量CCUS技術(shù)成敗的關(guān)鍵，主要針對CO2地質(zhì)封存過程。整個(gè)CO2地質(zhì)封存涵蓋注入前、注入中、注入后和閉場4個(gè)環(huán)節(jié)，在每個(gè)環(huán)節(jié)都存在CO2泄露的風(fēng)險(xiǎn)[28]。因此，對于不同的封存階段，需要建立有效的評估手段實(shí)施針對性監(jiān)測。在注入前階段，實(shí)施背景值監(jiān)測，即基于獲取的地質(zhì)特征確定主要的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；在注入階段，實(shí)施泄漏量評估監(jiān)測，以確保無泄漏事件的發(fā)生；在注入后至完址階段，實(shí)施安全性評估監(jiān)測，保證閉場后的安全；在閉場后階段，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)警持續(xù)監(jiān)測，以保障封存的長期穩(wěn)定性。

完善的安全和環(huán)境監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)對CCUS有效性、持續(xù)性、安全性、環(huán)境影響及減排效果的全方位評估，由于CCUS涉及多過程、多空間及長時(shí)間的復(fù)雜流程，加之常規(guī)的監(jiān)測手段往往時(shí)效性差、成本高[29]，基于理化特征的實(shí)時(shí)監(jiān)測和基于全流程的長壽面監(jiān)測是今后CO2安全和環(huán)境監(jiān)測評估技術(shù)的發(fā)展方向。

3.4 全生命周期評價(jià)

CCUS體系中包含捕集、輸送、利用及封存各個(gè)環(huán)節(jié)，單環(huán)節(jié)技術(shù)種類繁多，且各環(huán)節(jié)間緊密聯(lián)系，存在多種復(fù)雜制約和影響關(guān)系，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈組合模式很難將CCUS各單元、各時(shí)期統(tǒng)一起來進(jìn)行整體綜合評價(jià)[30]，詳見圖3。

圖3 典型CCUS封存固碳全生命周期評價(jià)模型Fig.3 Typical CCUSsealing solid carbon full lifecycle evaluation model

由圖3可見，CCUS全生命周期評價(jià)（圖3）從建設(shè)期、運(yùn)營期、關(guān)閉前各時(shí)期角度出發(fā)，涵蓋CO2捕集、輸送、驅(qū)油封存等多個(gè)環(huán)節(jié)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，即可以客觀全面體現(xiàn)總體碳減排量和減排貢獻(xiàn)度、碳減排經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及內(nèi)在關(guān)聯(lián)，指導(dǎo)技術(shù)和模式優(yōu)化，又有利于打破行業(yè)壁壘，為不同時(shí)期固碳技術(shù)的合理選擇和決策評價(jià)提供量化依據(jù)，建立系統(tǒng)最優(yōu)理念，從而以較低代價(jià)實(shí)現(xiàn)固碳目標(biāo)，推動(dòng)CCUS技術(shù)長期向好發(fā)展。

4 展望

中國作為世界范圍內(nèi)最大的碳排放國，積極著手應(yīng)對碳減排和環(huán)境保護(hù)問題勢在必行。面對低碳轉(zhuǎn)型浪潮，國內(nèi)石油化工、熱力電力等企業(yè)需要做好自身能力建設(shè)，開展碳核算，制定科學(xué)有效的減排目標(biāo)，工藝、技術(shù)兩手抓推動(dòng)轉(zhuǎn)型升級，實(shí)施節(jié)能減排行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。與此同時(shí)，國家重點(diǎn)院校、科研機(jī)構(gòu)應(yīng)與企業(yè)進(jìn)行深度合作，采用理論、路徑、實(shí)踐三管齊下的教育方式，迅速培養(yǎng)出一批兼具碳中和管理思維和能力的專業(yè)技術(shù)人員，打造圍繞碳中和目標(biāo)的核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)，為推動(dòng)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。此外，我國可以效仿美英等國，因地制宜地出臺相應(yīng)的碳中和管理和幫扶政策，有效的內(nèi)外協(xié)同推進(jìn)目標(biāo)實(shí)施。通過國家、企業(yè)、高校、科研院所等多方面的分工協(xié)作和相互配合，相信我國一定能夠如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的宏偉目標(biāo)。