碳捕集利用與封存技術(shù)研究進(jìn)展

謝斌， 盧大貴， 吳彩斌*，b

（江西理工大學(xué)，a. 資源與環(huán)境工程學(xué)院；b. 江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

化石能源利用過(guò)程是最大的CO2排放源，占全球溫室氣體排放總量的65%，是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年CO2排放量超過(guò)350億噸，如何減少CO2排放已成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)的焦點(diǎn)[1-2]。目前大多數(shù)國(guó)家相繼提出了碳中和目標(biāo)，如美國(guó)、歐盟、日本和加拿大等國(guó)家承諾到2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。中國(guó)政府也已認(rèn)識(shí)到CO2排放引發(fā)的氣候、環(huán)境問(wèn)題，開(kāi)始加大節(jié)能減排力度，力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3-4]。

實(shí)現(xiàn)碳中和對(duì)推動(dòng)全球CO2凈零排放具有重要意義。我國(guó)能源稟賦是“富煤、缺油、少氣”，對(duì)高碳發(fā)展路徑依存較大，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)需克服較大困難。目前有效控制CO2排放的措施主要包括：發(fā)展清潔能源技術(shù)、提高能源利用效率、提高碳匯吸收能力和發(fā)展CCUS技術(shù)[5]。CCUS技術(shù)在全球脫碳中起著重要作用，是未來(lái)減緩CO2排放的重要技術(shù)選擇[6]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）指出，CCUS技術(shù)在未來(lái)將貢獻(xiàn)約20%的CO2減排量[7]，是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵托底技術(shù)。若按我國(guó)每年碳排放量100億噸計(jì)，減排20%意味著可以消耗近20億噸碳量。但是，CCUS 技術(shù)在捕集、運(yùn)輸、利用與封存等環(huán)節(jié)消耗大量能量，并排放額外的溫室氣體，這對(duì)CCUS 技術(shù)的實(shí)際減排能力和經(jīng)濟(jì)效益有所削弱[8]。

1 CCUS技術(shù)概述

CCUS 技術(shù)是指將CO2從相關(guān)排放源中捕集并分離出來(lái)，直接加以利用或輸送到封存場(chǎng)地來(lái)實(shí)現(xiàn)CO2與大氣長(zhǎng)期隔離[9-10]。CCUS 技術(shù)是眾多技術(shù)的集群，按流程可分為CO2捕集、CO2運(yùn)輸、CO2利用與封存等關(guān)鍵環(huán)節(jié)[11]，如圖1所示。

圖1 CCUS技術(shù)示意Fig.1 Schematic diagram of CCUS technology

1.1 CO2捕集與分離

1）CO2捕集。CO2捕集是CCUS技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是整個(gè)流程中最大的成本和能耗來(lái)源。適合捕集的碳排放源包括發(fā)電廠、鋼鐵制造業(yè)、冶煉廠、化肥廠、水泥生產(chǎn)業(yè)等。當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)低于15%為低濃度點(diǎn)源，30%左右為中濃度點(diǎn)源，高于60%為高濃度點(diǎn)源[7]。鋼鐵制造業(yè)作為能源密集型以及中國(guó)第三大碳排放源的行業(yè)，對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)起著至關(guān)重要的作用[12]。目前，CO2捕集技術(shù)路線按捕集階段（相對(duì)于燃燒階段）主要分為3 種：燃燒前捕集、富氧燃燒捕集和燃燒后捕集[13]。此外，正在開(kāi)發(fā)中的CO2捕集方法還有化學(xué)鏈燃燒法、化學(xué)固定法、離子液體法等[14]。

燃燒前捕集實(shí)際上是將捕集到的氣體成分通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H2和CO2，捕集的CO2濃度相對(duì)較高，約為15%～60%[15-16]。燃燒前捕集流程如圖2 所示，典型的燃燒前捕集流程分為合成氣制取、水煤氣變換、H2/CO2分離。該技術(shù)具有純度高、捕集成本低（13～37 美元/噸CO2）的優(yōu)點(diǎn)，但捕集設(shè)施占地大，設(shè)備成本高[17]。目前，此方法僅限于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）和部分化工過(guò)程[18]，在降低捕集能耗方面具有較大潛力。

圖2 燃燒前捕集技術(shù)路線Fig.2 Roadmap for pre-combustion capture technology

富氧燃燒捕集是指用高濃度（體積分?jǐn)?shù)）的O2與CO2的混合氣體作為氧化劑代替空氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)[19]，捕集流程如圖3 所示。該技術(shù)捕集的CO2濃度較高，可達(dá)90%～95%[20]，避免后續(xù)對(duì)CO2的分離操作，分離成本大大降低。富氧燃燒技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：可直接液化CO2、無(wú)需煙氣脫硫脫硝裝置。但缺點(diǎn)是采用空氣助燃技術(shù)成本巨大、制氧成本高、捕集流程設(shè)備投資成本大[21]。

圖3 富氧燃燒捕集技術(shù)路線Fig.3 Oxy-fuel capture technology roadmap

燃燒后捕集是先將煙氣凈化，然后在煙氣通道中安裝CO2分離捕集裝置[22]，捕集流程如圖4 所示。該技術(shù)捕集系統(tǒng)靈活，適用范圍廣，并且對(duì)現(xiàn)有電站繼承性好[23]。但是，煙氣體積流量大，煙氣中的CO2易被N2稀釋?zhuān)撎歼^(guò)程能耗較大，加大了捕集成本[24]。

圖4 燃燒后捕集技術(shù)路線Fig.4 Post-combustion capture technical roadmap

CO2捕集技術(shù)主要取決于排放源類(lèi)型、燃燒方式、燃燒溫度、氣體中CO2的濃度與分壓以及現(xiàn)有分離技術(shù)和成本[25]。但總的來(lái)說(shuō)，共性問(wèn)題都在于分離過(guò)程伴隨著大量能量消耗，使得捕集成本過(guò)高，約占整個(gè)總成本的50%～90%[26]。目前CO2捕集的平均成本超過(guò)30 美元/噸[27]。考慮到我國(guó)現(xiàn)役電廠的發(fā)電方式、技術(shù)成熟度以及設(shè)備投資等問(wèn)題，燃燒后捕集和富氧燃燒捕集更適宜我國(guó)現(xiàn)階段以至未來(lái)一段時(shí)間大規(guī)模采用[28-29]。因此，未來(lái)應(yīng)突破現(xiàn)有CO2捕集技術(shù)，以期降低捕集和分離能耗。

2）CO2分離。CO2捕集本質(zhì)上就是氣體的分離，其中燃燒前主要是從CO2/H2混合物中分離CO2，富氧燃燒涉及的O2/N2分離以及燃燒后的CO2/N2混合物的分離[30]。如圖5 所示，CO2分離技術(shù)按不同分離原理可分為吸收法、吸附法、膜法、低溫分離法等[31]。據(jù)調(diào)查，基于燃燒后捕集技術(shù)，其中吸收法占大多數(shù)（約60%），其次是膜法（14%）、礦化法（14%）、吸附法（12%）[32]。

圖5 CO2捕集與分離技術(shù)示意Fig.5 Schematic diagram of CO2 capture and separation technology

在上述列舉CO2分離技術(shù)中，各有其優(yōu)勢(shì)和局限性（見(jiàn)表1）。吸收法對(duì)低濃度CO2源具有吸收快、吸收效率高等特點(diǎn)，但仍面臨溶劑再生能耗高、熱穩(wěn)定性差、腐蝕性高等巨大挑戰(zhàn)[33]。吸附法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗較低，但選擇性吸附劑少且CO2解吸能耗高[34]。膜法脫除CO2相比于其他分離方法具有占地面積小、耗能低、投資成本較少等優(yōu)勢(shì)，但由于缺少高效的膜材料，難以捕集到高純度CO2[35]。低溫分離法優(yōu)點(diǎn)在于能夠產(chǎn)生高純液態(tài)CO2，并有效地避免了吸收劑腐蝕等問(wèn)題，但設(shè)備投資龐大，能耗較高。綜合比較，化學(xué)吸收法因其吸收速率快、吸收容量大，已成為當(dāng)前技術(shù)上最成熟、工業(yè)應(yīng)用上最廣泛的CO2捕集分離的方法之一[36]。

表1 不同類(lèi)型CO2分離技術(shù)比較Table 1 Comparison of different types of CO2 separation technologies

1.2 CO2運(yùn)輸

CO2運(yùn)輸是CO2利用和封存的重要紐帶，通常包括管道運(yùn)輸、罐車(chē)運(yùn)輸以及船舶運(yùn)輸[37]。CO2的運(yùn)輸狀態(tài)可以是氣體、液體、固體以及超臨界流體[38]。為了便于大規(guī)模運(yùn)輸，通常需進(jìn)行預(yù)處理，主要是因?yàn)槌睗竦腃O2易腐蝕碳錳鋼管道，所以在運(yùn)輸之前需脫去水分[39]。

CO2運(yùn)輸方式都有著各自的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表2。管道運(yùn)輸連續(xù)性強(qiáng)、安全性高，適合大規(guī)模長(zhǎng)距離的定向運(yùn)輸，但靈活性差，初始投資大，還需解決輸送過(guò)程中存在的腐蝕與泄漏問(wèn)題。罐車(chē)運(yùn)輸相對(duì)靈活，適合小規(guī)模短距離運(yùn)輸，但費(fèi)用較高。船舶運(yùn)輸是離岸封存的重要選擇，適合大規(guī)模遠(yuǎn)距離的海上運(yùn)輸，但連續(xù)性較差。針對(duì)管道運(yùn)輸，國(guó)際上已有大量工程實(shí)踐。美國(guó)正在運(yùn)行的管道運(yùn)輸超過(guò)50條，管道長(zhǎng)度超過(guò)7 200 km，總輸送量達(dá)到6.8億噸/年。我國(guó)CO2運(yùn)輸主要以罐車(chē)運(yùn)輸為主，目前尚無(wú)大輸量、長(zhǎng)距離的CO2輸送管道。

表2 不同類(lèi)型CO2運(yùn)輸技術(shù)比較Table 2 Comparison of different types of CO2 transport technologies

1.3 CO2利用與封存

CO2利用與封存是指利用工程技術(shù)手段將捕集的CO2資源化利用，生產(chǎn)較高經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品和服務(wù)[40]。CO2利用與封存按工程技術(shù)手段可分為地質(zhì)利用、化工利用、生物利用和地質(zhì)封存4大類(lèi)。

1 ）CO2利用。地質(zhì)利用是指將CO2注入地下，利用地下礦物或地質(zhì)條件生產(chǎn)或強(qiáng)化有用產(chǎn)品以達(dá)到減少CO2排放的過(guò)程。主要包括強(qiáng)化石油開(kāi)采（CO2-EOR）、強(qiáng)化煤層氣開(kāi)采（CO2-ECBM）、強(qiáng)化天然氣開(kāi)采（CO2-EGR）、強(qiáng)化咸水開(kāi)采（CO2-EWR）、強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)采（CO2-ESGR）、鈾礦浸出增采（CO2-EUL）等[41]。CO2-EOR 是當(dāng)前CCUS 的主力技術(shù)，封存潛力大，還能增加原油產(chǎn)量。研究表明，將超臨界CO2注入油層可以擴(kuò)大原油體積，增加原油流動(dòng)性，降低原油黏度30%～80%，有效提高原油采收率7%～20%[42]。

化工利用是指通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化將CO2和共反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)CO2的再利用[41]。主要包括重整制備合成氣、制備液體燃料、合成甲醇、合成有機(jī)高分子材料、鋼渣礦化利用、低品位礦加工聯(lián)合礦化等[43]。

生物利用是指以生物轉(zhuǎn)化為主要手段，將CO2用于生物質(zhì)合成，實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用。主要包括微藻固定CO2轉(zhuǎn)化為食品和飼料添加劑、化學(xué)品、生物燃料以及CO2氣肥利用等。

2） CO2封存。地質(zhì)封存是永久封存CO2的主要方式，是指通過(guò)工程技術(shù)手段將超臨界CO2注入深部地質(zhì)儲(chǔ)層中，使其與大氣保持長(zhǎng)時(shí)間隔絕。根據(jù)封存地點(diǎn)的差異，可分為陸地封存和海洋封存；根據(jù)地質(zhì)封存體的差異，可分為深部咸水層封存、枯竭油氣藏封存等[44]。相比來(lái)說(shuō)，地質(zhì)封存潛力較大，且有較好的安全性，能保證CO2長(zhǎng)期封存于儲(chǔ)層中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球陸地上理論封存容量為6～42 萬(wàn)億噸，海底理論封存容量為2～13 萬(wàn)億噸[6]。我國(guó)理論地質(zhì)封存潛力約為1.21～4.13 萬(wàn)億噸[44]。

2 CCUS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外CCUS 項(xiàng)目起步較早，規(guī)模較大，據(jù)全球碳捕集與封存研究院（GCCSI）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球共有超過(guò)400個(gè)CCUS示范項(xiàng)目，年捕集能力約為4 000萬(wàn)噸，年封存量達(dá)到1.493 億噸。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，CCUS 擁有較為成熟的服務(wù)模式，未來(lái)低成本、商業(yè)化和集群化規(guī)模部署將成為CCUS 的發(fā)展趨勢(shì)。而這也將助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。

我國(guó)大部分CCUS 相關(guān)項(xiàng)目在2000 年后開(kāi)始逐步實(shí)施，主要圍繞煤化工行業(yè)展開(kāi)，其次為火電行業(yè)、天然氣以及甲醇、水泥、化肥等工廠[45]。近年來(lái)，我國(guó)在CCUS領(lǐng)域迎頭趕上，在技術(shù)方向均取得突破性進(jìn)展，部分技術(shù)已具備商業(yè)化應(yīng)用潛質(zhì)，正在積極準(zhǔn)備建立完整的全流程CCUS產(chǎn)業(yè)集群[6]。在CO2捕集方面，已開(kāi)發(fā)出可商業(yè)化應(yīng)用的胺吸收劑[46]。在CO2運(yùn)輸方面，開(kāi)展了低壓CO2運(yùn)輸工程應(yīng)用[47]。在CO2利用方面，展開(kāi)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，開(kāi)展CO2-EOR工業(yè)實(shí)驗(yàn)[48]。在CO2封存方面，全面開(kāi)展全國(guó)地質(zhì)儲(chǔ)存潛力和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

結(jié)合文獻(xiàn)[49-52]對(duì)國(guó)內(nèi)CCUS 項(xiàng)目的梳理，總結(jié)了國(guó)內(nèi)主要工業(yè)試點(diǎn)和示范項(xiàng)目具體情況，如表3 所列，年捕集能力達(dá)到300 萬(wàn)噸[53]。相比國(guó)外，我國(guó)示范項(xiàng)目多以石油、煤化工、電力行業(yè)小規(guī)模的捕集驅(qū)油示范為主，總體上還處于研發(fā)和早期技術(shù)示范階段，缺少大型的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范[54]。值得一提的是，中國(guó)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)“齊魯石化——?jiǎng)倮吞镯?xiàng)目”于2022 年1 月在淄博竣工[55]，是目前中國(guó)最大的CCUS 全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉痘睾蜆?biāo)桿工程，預(yù)計(jì)在未來(lái)15 年內(nèi)可累計(jì)注入近千萬(wàn)噸CO2，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增油超過(guò)200 萬(wàn)噸。

表3 中國(guó)主要CCUS項(xiàng)目一覽表Table 3 List of major CCUS projects in China

3 挑戰(zhàn)與對(duì)策

盡管我國(guó)CCUS技術(shù)不斷在發(fā)展和完善，但相比CO2高排放量及減排需求，CCUS 技術(shù)減排貢獻(xiàn)力度仍然偏低，CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展也面臨著多方面的因素制約。一是經(jīng)濟(jì)制約，高成本是制約CCUS商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，僅CO2捕集成本就占CCUS總成本的2/3以上，另還需考慮運(yùn)輸及封存成本。二是技術(shù)制約，CCUS在技術(shù)上處于研發(fā)和早期示范階段，且規(guī)模較小，缺少大型的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范。三是政策制約，目前針對(duì)CCUS技術(shù)尚未出臺(tái)專(zhuān)項(xiàng)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系。四是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，不能完全杜絕在運(yùn)輸、利用及封存環(huán)節(jié)的CO2泄漏問(wèn)題。

在CCUS 產(chǎn)業(yè)鏈流程中，碳捕集是難點(diǎn)，碳利用是重點(diǎn)。未來(lái)，若需加速推廣應(yīng)用CCUS 技術(shù)，則必須對(duì)現(xiàn)有CCUS 技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)做出針對(duì)性應(yīng)對(duì)之舉。在技術(shù)成本層面，改進(jìn)碳捕集分離技術(shù)，尤其是低濃度CO2點(diǎn)源捕集技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型或再生能耗小的吸收劑，綜合利用捕集過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱，可降低捕集成本。在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)層面，注重CO2管道泄漏研究，制定有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)防控方案，并選用安全可靠的封存場(chǎng)地。在政策層面，盡快完善政策支持和建立專(zhuān)項(xiàng)法律法規(guī)，加大政府支持力度，強(qiáng)化財(cái)政激勵(lì)措施。另外，規(guī)劃布局CCUS 技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建CCUS技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)集群。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

CCUS技術(shù)具有降低整體減排成本，增加減排靈活性的潛力，是當(dāng)前CO2減排階段的重要技術(shù)手段。未來(lái)應(yīng)加快發(fā)展多能互補(bǔ)耦合利用模式，為低碳清潔能源提供新思路。其一是CCUS 與可再生能源耦合，采用可再生能源為CCUS 工藝過(guò)程供能，可有效降低可再生能源的局限性；其二是氫能與CO2耦合，CO2催化加氫轉(zhuǎn)化是CCUS 的重要發(fā)展方向，可有效緩解溫室效應(yīng)；其三是CCUS與生物質(zhì)能耦合的負(fù)排放技術(shù)，即生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS），可有效降低實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的邊際減排成本。隨著CCUS技術(shù)趨于成熟，通過(guò)CCUS技術(shù)助力CO2減排的比例將會(huì)不斷提高，將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)相關(guān)低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展和壯大，助力我國(guó)在低碳技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)國(guó)際制高點(diǎn)，保障我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施和實(shí)現(xiàn)。