中國碳捕集、利用與封存技術發展與展望

賈子奕，劉卓，張力小，郝巖

（北京師范大學環境學院，北京 100875）

引言

人類活動所引發的溫室氣體過量排放是導致全球氣候變化的決定性因素。作為世界上最大的溫室氣體排放國家，我國在溫室氣體減排方面有著巨大的潛力與壓力。2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和?！薄半p碳”目標是我國的重大戰略決策，也是落實《巴黎協定》的積極舉措，其不僅體現了我國二氧化碳減排的決心，同時也展現出了中國積極參與應對全球氣候變化的大國擔當。

實現碳中和意味著社會經濟活動引起的碳排放與自然碳匯和負碳技術（Negative Emission Technologies，NETs）吸收的二氧化碳等溫室氣體的總量相等，因此NETs 是我國實現碳中和的重要關鍵性技術?，F有的NETs主要包括傳統的二氧化碳捕集、利用與封存，生物質能碳捕集與封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS）和直接空氣碳捕集與封存（Direct Air Carbon Capture with Storage，DACCS）等。

CCUS 技術是原有碳捕集和封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術發展的新趨勢，被認為是未來減少溫室氣體排放、解決全球氣候變化的重要手段。CCS 是指將CO2從煙氣當中分離出來，經富集、壓縮后，運輸至特定儲存地點封存的減排技術。CCS主要由三個環節構成，即碳的捕獲、運輸與儲存，該技術可以有效地減少火電、化工等工業源的CO2排放量，是實現低碳可持續發展的重要技術。而從經濟角度來看，使用CCS 技術對CO2進行捕集及封存會產生一定的經濟損失[1]，若能將封存的CO2作為資源加以利用，則可在提升環境效益的同時兼顧經濟效益。CCUS技術與CCS技術相比，增加了碳利用這一環節，將其用于食品加工、工業生產、驅油等領域，可降低減排過程所產生的經濟損失。隨著對碳捕集技術認識的不斷深入，目前在CCS 的基礎上增加“utilization”這一理念已獲得了國際上的普遍認同。

1 CCUS 主要技術環節

1.1 二氧化碳捕集技術

CO2捕集技術可分離并富集電力、鋼鐵、水泥等行業生產運行過程中所產生的CO2，根據分離過程的不同可分為燃燒后捕集、燃燒前捕集以及富氧燃燒捕集三種方式。CO2捕集是CCUS 系統中能耗與成本產生最高的環節，捕集部分的成本占總成本的三分之二甚至更多，提高捕集效率、降低捕集成本是目前碳捕集技術的主要研發方向[2]。

由于燃燒后捕集技術流程相對簡單、發展相對成熟，因此應用最為廣泛，可適用于大部分燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠等老舊工廠的低碳改造。目前，國內已建成數十套萬噸級燃燒后碳捕集裝置，國家能源集團國華錦界電廠15 萬t/a CO2捕集與封存全流程示范項目是目前國內已運行的燃煤電廠燃燒后捕集與封存項目中規模最大的。該項目于2019 年11 月開工建設，2021 年1 月完工，運行后生產出純度99.5%的工業級液態CO2產品，成功實現了燃煤電廠煙氣中CO2的大規模捕集。

燃燒前捕集技術相對復雜，主要適用于整體煤氣化聯合循環發電系統（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）以及部分化工過程。由于燃燒前捕集技術的系統小、能耗低、捕集效率高，近年來備受關注，發展迅速[3]。IGCC 是較為典型的可以進行燃燒前捕集的系統，其工藝流程主要包括變換系統、脫碳系統與脫硫系統[4]。目前，我國有兩套IGCC 設施，華能集團天津綠色煤電IGCC 煤氣化發電是中國第一座自主設計建造的IGCC 電廠，帶有CO2捕集的400MW 示范工程于2016 年建成，捕集能力為10 萬t/a。連云港清潔能源動力系統研究設施投運于2011 年，采用400MW 先進IGCC 超清潔發電，并已建設完成了3 萬t/a 的CO2捕集示范項目。

富氧燃燒技術是指將煤粉與鍋爐內高濃度的O2與CO2混合氣體燃燒，又稱空氣分離/煙氣再循環燃燒技術[5]。通過不斷地循環與富集，煙氣中CO2濃度不斷升高[6]，高濃度的CO2更易進行壓縮與分離處理。該方法具有成本低、易規?；葍烖c，但投資和運行成本較高。自1995 年開始，華中科技大學就進行了富氧燃燒的實驗室微型實驗，按照其發展規劃和放大路線（0.3MW→3MW→35MW→200MW→600MW），現階段已經完成了200MW 煤粉富氧燃燒大型示范可行性研究，開展了35MW 超臨界富氧燃燒系統的集成優化分析，同時建成了10 萬t/a CO2捕集裝置。

1.2 二氧化碳運輸

CO2運輸是指將捕集的CO2運送到利用或封存地的過程，有管道、船舶和罐車等方式，在大規模運輸過程中，流體態的CO2更便于運輸[7]。表1 對比了CO2輸送方式的優缺點，其中CO2陸地管道輸送是目前最具應用潛力和經濟性的運輸方式，且隨著管道運輸容量的增加，運輸成本逐漸下降[8]，現階段國際上已有大量CO2管道輸送的工程實踐。

表1 二氧化碳運輸方式比較

目前，我國的CO2陸路車載運輸和內陸船舶運輸技術已成熟，可達到商業化應用階段，主要應用于規模10 萬t/a 以下的CO2輸送。陸地管道運輸尚處于中試階段，現階段已完成100 萬t/a 輸送能力管道的初步設計。由于海底管道運輸成本高，且海上封存場地較少，該技術尚處于研究階段。

1.3 二氧化碳利用與封存

CO2的利用與封存可大致分為地質利用與封存、化工利用、生物利用等，是CCUS流程中的重要環節，是消納CO2的關鍵步驟。

CO2地質利用與封存是將CO2注入地下，強化能源開采過程，并將CO2儲存于地質結構中，實現與大氣長期隔絕的一種技術。目前，常用的有二氧化碳提高石油采收率（CO2Enhance Oil Recovery，CO2-EOR）、二氧化碳驅替煤層氣（CO2Enhance Coalbed Methane Recovery，CO2-ECBM）、二氧化碳咸水封存（CO2Saline Aquifer Storage）技術等。該技術使用時要充分考慮場地的適應性與安全性，并根據源匯匹配的原則，對CCUS 項目成本進行全流程分析，通過成本優化得到較優的源匯組合序列，以尋找成本最優的封存場地[9,10]。

CO2化工利用主要就是以CO2為化工原料，將CO2和共反應物轉化成目標產物的一種技術方法。CO2轉化成的產品可大致分為通過還原作用生成C-H鍵構成的燃料產品，以及通過羧化作用生成C-O、C-C、C-N 鍵構成的化工原料[11]。按照產品類型進行分類，可分為合成能源化學品、高附加值化學品及材料三大類。該方法可實現CO2的資源化利用，并進一步推動傳統產業的轉型升級。

CO2生物利用就是將CO2用于生物質合成，通過生物轉化的方式實現CO2的資源化利用。生物利用技術的產品包括食品飼料、生物肥料、化學品、生物燃料和氣肥等，其附加值較高，經濟效益較好。目前我國大多數的生物利用技術都處于研發或小規模示范階段，主要集中于微藻固定和氣肥利用兩方面，現已開展20t/a 微藻固定煤化工煙氣項目[12]。

2 我國CCUS 技術發展現狀

我國的CCUS 研究起步較晚，但近年來在國家政策支持及政府與企業的共同努力下，CCUS 技術不斷發展，試驗示范工程的建設正在穩步推進。

2.1 CCUS 技術研發與示范的引導及政策支持

在2006 年國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020 年）》中，我國首次提出開發高效、清潔和二氧化碳近零排放的化石能源開發利用技術。2007 年發布的《中國應對氣候變化科技專項行動》將“二氧化碳捕集、利用與封存技術”列為重點支持、集中攻關和示范的重點技術領域。此后，國務院、科技部等多個部委發布相關政策文件（表2），系統地評估了我國CCUS 技術發展現狀與潛力，以及CCUS 技術發展所面臨的問題與挑戰，提出CCUS 技術的發展目標。

表2 我國CCUS政策文件匯總

科技部通過實施973 計劃、863 計劃、科技支撐計劃和國家重點研發計劃等，促進CCUS技術的研發，建立了“燃煤煙氣CCUS 關鍵技術”“實現氧燃燒富集CO2的新理念與新方法”“CO2地質封存關鍵技術”等CCUS 全流程關鍵技術的研發與創新項目，開展了CCUS 全流程先導性實驗項目。通過項目推動技術進步與技術創新，不斷擴大規模、降低成本，注重成果轉化，持續推動CCUS 技術在中國的發展。并在推進國內CCUS 產業發展的同時，積極參與國際合作與技術交流，我國先后與國際能源署（IEA）、碳收集領導人論壇（CSLF）、全球碳捕集與封存研究院（GCCSI）等多個國際組織開展了廣泛合作，積極參與國際標準的制定，并與歐盟、美國、澳大利亞等國家和地區開展了多層次的雙、多邊科技合作，總結先進經驗，吸取經驗教訓。

2.2 中國CCUS 示范項目基本情況

我國現有處于不同實施階段的CCUS 項目約40個，涉及電廠、水泥廠等多種捕集源，多以小規模驅油捕集的示范項目為主[12]。全球碳捕集與封存研究院2020 年的報告顯示，目前世界大型商業碳捕集與封存項目（工業碳源捕集能力≥40 萬t/a；發電站碳源捕集能力≥80 萬t/a）有65 個，其中26 個正在運行[13]；中石化中原油田CCS 項目與中石油吉林油田CO2-EOR 項目是其中2 個正在運行的大型CCUS 項目。近幾年我國CCUS 示范工程快速發展，已實現15 萬t 級火電CCUS 示范工程的運行，目前正在建設50 萬t/a泰州電廠CCUS 項目，2022 年8 月中國首個百萬噸級“齊魯石化—勝利油田”CCUS 項目正式注氣運行。由此可見，我國捕集源與封存類型多樣化，且已具備建造大規模CCUS 設施的能力。

3 CCUS 技術發展的必要性

在不斷向“凈零排放”目標努力的過程中，CCUS 技術發揮了不可或缺的作用。IEA 的報告顯示，在未來的五十年內通過使用CCUS 技術改造現有的發電廠和工廠，可減排6000 億t CO2，相當于目前年排放量的17 倍[14]。該技術的大規模應用不僅可以大幅度降低能源系統的碳排放，還能幫助難減排行業實現深度脫碳。據預測，到2060 年我國仍有14 億t 左右CO2排放需要通過CCUS 技術進行消解。

3.1 解決能源系統碳排放問題

從能源系統的角度來看，我國能源消耗總量大，排入大氣中的CO2有80% 來自煤炭的燃燒[15]。能源生產消費格局具有“一次能源以煤炭為主，二次能源以煤電為主”的特征，并且在短期內以煤炭為主的能源結構不會發生改變。

燃煤電廠是目前我國電力供應的主力，也承擔著保障電力系統安全的重要角色?！吨袊茉创髷祿蟾妫?021）》顯示，2020 年我國發電量為77 790.6億kW·h，同比增長3.7%，其中火電發電量占比68.5%。長期以來我國電力裝機容量和發電量均居世界第一[9]，CO2總排放量的三分之一均來自電力行業[16]。與此同時，我國部分現役機組為近些年投入使用[17]，為避免火電資產提前停止使用所帶來的資源浪費，火電與CCUS 技術結合是具有競爭力的重要技術手段，是我國電力系統實現快速減排的首選方向。

根據電力行業發展規劃，未來我國電力結構中可再生能源的占比會顯著增加，風能、太陽能等非化石電力將成為主要的來源。但考慮到當前電力系統更具有靈活性與穩定性，未來能源系統中仍會保留部分煤電、氣電等化石能源，CCUS 是其達到凈零排放的必要技術。

3.2 針對難減行業進行碳減排

從行業上看，化工、鋼鐵和水泥三大重工業占工業能源使用量的一半以上，占工業直接CO2排放量的70%左右[14]。其中，鋼鐵行業大約產生了全球7%的CO2排放量，水泥制造過程中排放的CO2占全球固定源CO2排放總量的5%[18]。工業源CO2的排放往往伴隨著產品的生產過程，例如水泥生產中65%的碳排放都在石灰石轉化為生石灰的過程中[13]。這些工業過程伴隨有CO2排放的化學反應，卻是產品制造中不可或缺的一部分。因此，鋼鐵、水泥等難減行業依靠能源替代等方法無法實現完全脫碳，需要CCUS 技術進行末端處理加以去除。

我國鋼鐵產能巨大，2020 年我國粗鋼產量10.5億t，占全世界總產量的56%，排放CO2約19 億t，是我國僅次于電力的第二大碳排放行業。我國的水泥產能、品種和消費量也高居世界首位，2020 年水泥年產量達到23.77 億t，占世界年總產量的60%左右。根據我國的各行業CCUS 碳減排需求潛力的預測，到2060 年我國鋼鐵行業、水泥行業依靠CCUS 技術減排的需求量，可分別達到0.9億～1.1億t/a和1.9億～2.1億t/a[12]。使用CCUS 對難減排行業進行深度脫碳，是我國實現“雙碳”目標的重要技術方案。

4 CCUS 技術應用推廣面臨的挑戰

4.1 經濟成本

高經濟成本是制約CCUS 發展的主要因素，在我國CCUS 全流程成本可達到300～400 元/t CO2[12]，遠遠高于我國碳市場的交易均價40～60 元/t。對企業來說，在投資改進后只有環境效益的提升而無法獲得相應的經濟收益，這與其運行發展所追求的經濟利益相違背，嚴重影響了企業開展CCUS 應用項目的積極性。

技術進步是降低CCUS 成本的關鍵[19]，CCUS 技術成本主要集中于捕集環節，約占總成本的70%～80%。目前我國的第一代捕集技術已經基本成熟，第二代捕集技術還處于研究當中，其在能耗與成本方面與一代相比可降低30%以上[20]，能大幅度提升CCUS的技術經濟性?，F階段應平穩推進捕集技術向二代捕集技術的過度，以更低的成本推進CCUS 技術的經濟可持續發展。

4.2 環境影響與環境風險

CCUS 所帶來的環境影響與環境風險主要包括兩個方面：一方面是CCUS 工藝過程中產生的，如在捕集過程中吸收劑的逃逸、運輸或封存過程中CO2的泄漏等，會對周邊環境產生影響。另外雖然CO2是無毒的，但如果高濃度暴露在環境中對人體也具有危害性。特別是在復雜地形儲存CO2時，CO2濃度、地下水成分、接觸時間等因素都會影響存儲的穩定性，使其存在一定的環境風險[21]。另一方面，CCUS 的環境效益為溫室氣體的減排，但在該過程中還需投入額外的能源、化學品和基礎設施等，帶來新的污染物排放[22,23]。例如，吸收劑降解產生的固體廢物、額外增加的能耗所帶來的排放[24,25]等等，使得該技術的環境影響產生不確定性。

針對CCUS 環境影響與風險的不確定性，應充分理解該過程的作用機理，提升技術的可行性與風險評價的有效性；針對CCUS 進行全過程的環境監測、風險防控，建立標準體系和監管框架，以促進CCUS 的大規模應用。

4.3 市場與政策

CCUS 高成本的特點使企業不愿意開展相關的技術改造，目前國內大多數的示范項目都是通過高比例的政府支持資金實施的。我國缺少相應的政策獎勵機制以及碳稅資金支持，碳市場也處于起步階段，導致CCUS 商業化基礎薄弱。

另外，我國尚未建立CCUS 專項法律法規和標準體系，企業參與CCUS 項目具有一定的風險性。CCUS 是一個集成性技術，項目的實施需要多個部門的參與，涉及能源生產及消費的各個環節。如何明確責任、協調利益，直接影響到CCUS 的發展及企業響應的積極性。目前很少有跨行業、多部門聯合的CCUS 運營案例，未來仍需要建立完備的法律和政策框架體系，以保證CCUS 項目的有效運行。

5 CCUS 技術與重點行業結合的應用展望

只有將捕集的CO2真正的封存或利用，才能最終實現碳減排。如何合理地處理捕集到的高濃度CO2，在控制風險的同時充分考慮其經濟價值，是發展CCUS 技術的關鍵問題。要解決這個問題，首先應找到技術—經濟平衡點，實現成本抵消，保證CCUS技術的可持續發展。之后需進一步找到具有更高經濟效益的應用模式，使CCUS 能夠產生額外的經濟效益，減少政府補貼力度，實現政策扶持下的商業化運行模式。

5.1 油氣行業CO2 地質利用技術

利用CO2進行油氣開采是現階段應用最為廣泛的CO2利用技術。該技術具有較大的固碳潛力，可以在封存CO2的同時提高能源開采效率，并產生一定的經濟效益以降低CCUS 的技術成本。特別是CO2-EOR技術，目前已廣泛應用于美國、加拿大和部分歐洲國家。我國早期的CCUS 示范項目亦優先采用高濃度排放源與CO2-EOR 相結合的方式，現已有部分應用案例。并且我國的CO2-EOR 封存潛力較大，可達48億～101 億t[16]，主要集中于渤海灣盆地、松遼盆地等地區。在國家政策的扶持下，現已開展大量CO2地質封存技術的相關研究工作，并已具備實際應用的能力。但仍需要進一步完善風險預測、監控及控制等技術，在最大程度上減少CO2地質利用及封存所帶來的風險。

5.2 建筑行業CO2 礦化技術

CO2礦化是指用天然礦物的堿土金屬離子（Ca2+/Mg2+），將CO2轉化為穩定的無機碳酸鹽。礦化產物的穩定性好，可作為建筑行業的水泥基材料，用于建筑養護混凝土、強化再生骨料等，從而將氣態的CO2固定以達到封存的目的[26]。礦化處理可一定程度上縮短反應時間、減少水泥用量，經過處理的材料性能更好，耐久性更強[27]。與其他封存技術相比，該技術可避免CO2封存過程的泄漏風險，安全性較高，且其固碳潛力巨大，應用前景廣泛。

5.3 富碳農業CO2 氣肥技術

氣肥利用技術是將捕集提純的CO2作為氣肥注入溫室，調節人工密閉環境的條件，使作物的光合作用效率最高，進而形成一種富碳農業的生產模式。該技術可以有效減少CO2排放，并且在一定程度上減少化肥的使用，提高農作物的質量與產量。根據目前的研究成果，將碳捕集技術用于農業在技術上是可行的[28]，但因涉及工業、農業等多個領域，需要國家產業政策相配合，進一步探索運營模式。碳捕集技術與農業的結合，可由農業來承擔部分碳減排任務，是資源化利用CO2有效方法，也是促進我國工農業協同可持續發展的創新之路。

5.4 CO2 化工利用與高附加值化學品生產

碳是重要的化工生產元素，CCUS 中捕集的碳是重要的綠碳原料。CO2驅油、礦化等方式雖然可消納大量的CO2，但其產品經濟價值不高，無法完全抵消前期的經濟成本，因此高附加值的化工利用可推動CCUS 全流程的商業化運行?，F在已有關于CO2制備納米材料、塑料，光催化制備高附加值碳氫化合物[29]等利用CO2制備高附加值化學品的相關研究，但大部分還處在基礎研究階段，未進行大規模的應用示范。CO2化工利用制備高附加值化學品，是CCUS 經濟可持續化的重要推動力，也是實現CCUS 項目產生經濟收益的重要途徑。未來需進一步推動該領域的研究，擴展CO2的利用途徑，使用固碳潛力較大的方式消納捕集到的大部分CO2，另外小部分則用于創造一定的經濟價值，并在平衡經濟成本后產生一定的收益。

6 總結與展望

CCUS 技術是CO2減排的重要措施，我國正在積極地推動其發展。CCUS 技術是集捕集、運輸、利用與封存等各項技術于一體的全流程技術，從技術水平上來看，我國CCUS 各環節技術進展良好，部分技術已達到商業化水平，但是技術間發展不平衡，仍需要提高整體技術成熟度，使各環節平衡、有序地共同發展。此外，還需進一步開發低成本、低能耗的CCUS技術，提高技術的經濟可持續性。從我國實際運行的示范項目來看，目前CO2的捕集能力多在萬噸級到十萬噸級，缺乏技術可復制的大型示范項目。同時項目多以政府補貼為主，應尋找更合理的CCUS 商業化運行模式，推進大規模、全流程的CCUS 示范項目的建設。

在政府層面，應頒布有利于CCUS 發展的激勵政策，推進碳市場的建設與發展，以市場帶動技術的發展。激勵企業參與CCUS 的發展規劃，通過技術宣傳增強社會的認知和接受度，促進CCUS的大規模應用。目前，我國進入了以減污降碳、協同增效為重點的生態文明建設時期，CCUS 將作為推動產業結構、能源結構調整的有力工具，與多種技術手段結合以實現雙碳目標，為應對全球氣候變化貢獻中國力量。