二氧化碳捕集、利用與儲存（CCUS）技術(shù)進(jìn)展及趨勢分析★

尹愛華，梁 雄，康彥懷，凌 磊，張雲(yún)璽，劉曉祥

（蘭州裕隆氣體股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)，作為一種新興的二氧化碳減排技術(shù)，是應(yīng)對全球氣候變化、控制二氧化碳溫室氣體排放的關(guān)鍵技術(shù)之一。尤其是近年來我國指定雙碳目標(biāo)下的減排目標(biāo)，對國內(nèi)二氧化碳排放的統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測及考核辦法有了明確規(guī)定，也充分體現(xiàn)出我國對應(yīng)對氣候變化、減少二氧化碳排放、加快企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)切與決心。本文通過分析該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對其中的能耗問題對其未來發(fā)展趨勢及商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 CCUS 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

二氧化碳捕集、利用與儲存技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀主要包括三個方面，即在驅(qū)油、煤層氣驅(qū)替及地質(zhì)封存領(lǐng)域的應(yīng)用，在生產(chǎn)化工原料產(chǎn)品方面的利用以及在微藻制油方面的生物利用等。其中該項(xiàng)技術(shù)的封存利用流程如圖1 所示?，F(xiàn)階段利用二氧化碳開展原油驅(qū)替技術(shù)已較為成熟，可有效提高原油產(chǎn)收率，同時(shí)可將捕集二氧化碳通過壓縮液化回填廢棄油氣田枯井、含水巖層等，實(shí)現(xiàn)封存效果；在化工利用方面利用二氧化碳制成尿素、碳酸氫銨、合成氣等化工原料產(chǎn)品，工藝技術(shù)也較為成熟；生物利用方面利用微藻光合作用進(jìn)行固碳提取生物柴油，在國內(nèi)已存在多項(xiàng)示范工程，因此總體來說，CCUS 技術(shù)有著廣泛的發(fā)展應(yīng)用前景，主要發(fā)展瓶頸就在于通過加大研發(fā)投入及先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化利用、降低生產(chǎn)能耗。

圖1 CCUS 技術(shù)應(yīng)用工序流程

2 CCUS 技術(shù)存在的問題

2.1 技術(shù)發(fā)展能耗較高

在CCUS 技術(shù)進(jìn)行二氧化碳捕集封存的各道工序（圖1）中都需要損耗電、蒸汽能等間接進(jìn)行二氧化碳排放，因此對減排量的計(jì)算也需要對這部分能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，具體公式為：凈減排量=直接減排量-間接能耗排放量。其中對間接能耗的排放量計(jì)算，按照各種利用及封存途徑進(jìn)行劃分。

1）驅(qū)油及地質(zhì)封存。二氧化碳驅(qū)油及地質(zhì)封存技術(shù)中的主要能耗見表1 所示，主要來源于二氧化碳捕集、液化輸送及注入三部分。

表1 某百萬噸級二氧化碳驅(qū)油技術(shù)能耗統(tǒng)計(jì)

2）化工產(chǎn)品及微藻制油?；ぎa(chǎn)品生產(chǎn)能耗以尿素生產(chǎn)為例，捕集輸送二氧化碳每噸消耗211 kW·h電能、1 t 蒸汽。同時(shí)生產(chǎn)每噸尿素的工藝流程中需要消耗液氨0.58 t、二氧化碳0.733 t，消耗電能138 kW·h、蒸汽1.321 t。通過如表1 方法對總能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，二氧化碳制尿素化工原料生產(chǎn)能耗將達(dá)到1 09 kW·h電能、3.51 t 蒸汽損耗量。同理，利用二氧化碳進(jìn)行微藻生物制油技術(shù)中的主要能耗見表2 所示[1]。

表2 二氧化碳微藻制油技術(shù)能耗統(tǒng)計(jì)

3）礦化技術(shù)。通過參考某項(xiàng)目生產(chǎn)硫基復(fù)合肥設(shè)計(jì)資料，對其中涉及到的生產(chǎn)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終可估算出每噸二氧化碳合計(jì)能耗電能3 859 kW·h、蒸汽17.8 t。因此結(jié)合上述計(jì)算公式對各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的減排效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3 所示。可以看出，在驅(qū)油、地質(zhì)封存以及化工產(chǎn)品制造技術(shù)領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的凈減排，而微藻制油、礦化技術(shù)領(lǐng)域，由于當(dāng)前技術(shù)工藝的影響，會增加二氧化碳的排放量。

表3 CCUS 技術(shù)凈減排量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2 地質(zhì)封存存在潛在風(fēng)險(xiǎn)

在CCUS 技術(shù)進(jìn)行驅(qū)油、煤層氣驅(qū)替及地質(zhì)封存應(yīng)用中，會對實(shí)施地環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，包括在二氧化碳增壓注入過程中，若注入壓力過高對誘發(fā)原生裂隙及斷層等的移動，產(chǎn)生地震。同時(shí)二氧化碳輸送管道滲漏的影響，會對周邊環(huán)境中居民、生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，包括對土壤生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)平衡、地層pH 值等產(chǎn)生影響，甚至污染地下水源[2]。

3 CCUS 技術(shù)發(fā)展趨勢分析

1）發(fā)展?jié)摿Υ螅徽J(rèn)定為是當(dāng)前最具發(fā)展前景的減排技術(shù)。結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)效益分析，當(dāng)前CCUS 技術(shù)的首選為驅(qū)油利用，其次是驅(qū)替煤層氣和含水層存儲技術(shù)。由于我國主體能源結(jié)構(gòu)短期仍以煤炭資源為主，二氧化碳排放量仍會不斷增加，二氧化碳減排任務(wù)依舊艱巨，現(xiàn)階段主要的減排手段還是通過提高能效、新能源替代和捕集封存三種，其中各技術(shù)占比分布見表4 所示?？梢钥闯觯皟煞N手段后續(xù)發(fā)展勁頭逐漸呈衰退態(tài)勢，只有CCUS 技術(shù)以單個技術(shù)逐漸占據(jù)較高減排份額，發(fā)展前景較好。有相關(guān)機(jī)構(gòu)對國內(nèi)二氧化碳地質(zhì)封存潛力進(jìn)行過評估，具體結(jié)果見表5 所示。從先階段實(shí)施情況來看，驅(qū)油、驅(qū)替煤層氣均已存在成功運(yùn)行案例，且具備一定經(jīng)濟(jì)效益，值得后續(xù)大規(guī)模商業(yè)化推廣應(yīng)用；而咸水層等地質(zhì)封存技術(shù)，目前無明顯經(jīng)濟(jì)效益，也可做為未來二氧化碳減排重要技術(shù)手段[3]。

表4 各減排手段占比情況分析

表5 二氧化碳地質(zhì)封存潛力評估

2）二氧化碳微藻制油、化工及礦化利用。對二氧化碳的利用技術(shù)需要考慮能耗和成本問題，以微藻制油技術(shù)為例，將我國鹽堿地、沙漠荒地等閑置土地大規(guī)模開展微藻制油建設(shè)，可為市場提供足量液體燃料；同時(shí)將二氧化碳作為原料制成尿素、碳酸氫銨、甲烷等化工原料及制品，或利用鈣、鎂礦石對二氧化碳進(jìn)行礦化利用，均可實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的大規(guī)模減排處理。同時(shí)上述技術(shù)具備較高的市場經(jīng)濟(jì)效益，唯一缺點(diǎn)在于能耗及成本問題，因此未來發(fā)展方向在于降低技術(shù)能耗，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。

3）CCUS 技術(shù)與新能源的耦合應(yīng)用。從兩者耦合應(yīng)用角度，減少CCUS 技術(shù)能耗的同時(shí)，促進(jìn)新能源技術(shù)發(fā)展，風(fēng)能、太陽能接入電網(wǎng)后會發(fā)生較大波動，將部分未能引入電網(wǎng)的電能用于CCUS 技術(shù)，即可降低該技術(shù)能耗，又能提高新能源利用率；同時(shí)將新能源產(chǎn)生的電能提去高溫電解H2O、CO2制取CO+H2合成氣，生產(chǎn)清潔液體燃料等，都是兩者耦合應(yīng)用的有效途徑。

4）CCUS 技術(shù)的安全規(guī)范發(fā)展。通過指定完善的風(fēng)險(xiǎn)防范措施，對該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用過程中的二氧化碳輸送、封存及后續(xù)效果監(jiān)測環(huán)節(jié)做好安全防護(hù)工作，提高安全防護(hù)技術(shù)水平。尤其是當(dāng)前國內(nèi)對二氧化碳管道輸送安全技術(shù)研究較為匱乏，缺乏長距離管道輸送標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)對地質(zhì)封存的選址封存評估技術(shù)不夠成熟完善，CCUS 技術(shù)的實(shí)施安全性還有待提高。同時(shí)對完成地質(zhì)封存后，二氧化碳滲漏問題的補(bǔ)救方案措施，及預(yù)防滲漏的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)仍有著很大發(fā)展空間。

4 結(jié)語

當(dāng)前CCUS 技術(shù)的主要發(fā)展瓶頸在于成本及能耗問題，通過分析CCUS 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出凈減排量計(jì)算公式，并對地質(zhì)利用封存、化工利用及生物利用技術(shù)中的能耗問題和發(fā)展前景進(jìn)行分析。通過研發(fā)新技術(shù)降低生產(chǎn)能耗、新能源耦合利用等措施實(shí)現(xiàn)減排效果，同時(shí)注重封存過程中的潛在環(huán)境危害，提高安全防護(hù)技術(shù)水平。