碳捕集利用與封存技術研究進展

謝斌， 盧大貴， 吳彩斌*，b

（江西理工大學，a. 資源與環境工程學院；b. 江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000）

化石能源利用過程是最大的CO2排放源，占全球溫室氣體排放總量的65%，是導致全球氣候變暖的主要原因。據統計，全球每年CO2排放量超過350億噸，如何減少CO2排放已成為當今國際社會的焦點[1-2]。目前大多數國家相繼提出了碳中和目標，如美國、歐盟、日本和加拿大等國家承諾到2050 年實現碳中和目標。中國政府也已認識到CO2排放引發的氣候、環境問題，開始加大節能減排力度，力爭于2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和[3-4]。

實現碳中和對推動全球CO2凈零排放具有重要意義。我國能源稟賦是“富煤、缺油、少氣”，對高碳發展路徑依存較大，實現“雙碳”目標需克服較大困難。目前有效控制CO2排放的措施主要包括：發展清潔能源技術、提高能源利用效率、提高碳匯吸收能力和發展CCUS技術[5]。CCUS技術在全球脫碳中起著重要作用，是未來減緩CO2排放的重要技術選擇[6]。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）指出，CCUS技術在未來將貢獻約20%的CO2減排量[7]，是實現碳中和的關鍵托底技術。若按我國每年碳排放量100億噸計，減排20%意味著可以消耗近20億噸碳量。但是，CCUS 技術在捕集、運輸、利用與封存等環節消耗大量能量，并排放額外的溫室氣體，這對CCUS 技術的實際減排能力和經濟效益有所削弱[8]。

1 CCUS技術概述

CCUS 技術是指將CO2從相關排放源中捕集并分離出來，直接加以利用或輸送到封存場地來實現CO2與大氣長期隔離[9-10]。CCUS 技術是眾多技術的集群，按流程可分為CO2捕集、CO2運輸、CO2利用與封存等關鍵環節[11]，如圖1所示。

圖1 CCUS技術示意Fig.1 Schematic diagram of CCUS technology

1.1 CO2捕集與分離

1）CO2捕集。CO2捕集是CCUS技術中的重要環節，同時也是整個流程中最大的成本和能耗來源。適合捕集的碳排放源包括發電廠、鋼鐵制造業、冶煉廠、化肥廠、水泥生產業等。當CO2體積分數低于15%為低濃度點源，30%左右為中濃度點源，高于60%為高濃度點源[7]。鋼鐵制造業作為能源密集型以及中國第三大碳排放源的行業，對中國實現節能減排的目標起著至關重要的作用[12]。目前，CO2捕集技術路線按捕集階段（相對于燃燒階段）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，正在開發中的CO2捕集方法還有化學鏈燃燒法、化學固定法、離子液體法等[14]。

燃燒前捕集實際上是將捕集到的氣體成分通過化學反應轉化成H2和CO2，捕集的CO2濃度相對較高，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。該技術具有純度高、捕集成本低（13～37 美元/噸CO2）的優點，但捕集設施占地大，設備成本高[17]。目前，此方法僅限于整體煤氣化聯合循環發電系統（IGCC）和部分化工過程[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（體積分數）的O2與CO2的混合氣體作為氧化劑代替空氣進行燃燒反應[19]，捕集流程如圖3 所示。該技術捕集的CO2濃度較高，可達90%～95%[20]，避免后續對CO2的分離操作，分離成本大大降低。富氧燃燒技術優勢主要體現在以下方面：可直接液化CO2、無需煙氣脫硫脫硝裝置。但缺點是采用空氣助燃技術成本巨大、制氧成本高、捕集流程設備投資成本大[21]。

圖3 富氧燃燒捕集技術路線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。該技術捕集系統靈活，適用范圍廣，并且對現有電站繼承性好[23]。但是，煙氣體積流量大，煙氣中的CO2易被N2稀釋，脫碳過程能耗較大，加大了捕集成本[24]。

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

CO2捕集技術主要取決于排放源類型、燃燒方式、燃燒溫度、氣體中CO2的濃度與分壓以及現有分離技術和成本[25]。但總的來說，共性問題都在于分離過程伴隨著大量能量消耗，使得捕集成本過高，約占整個總成本的50%～90%[26]。目前CO2捕集的平均成本超過30 美元/噸[27]?？紤]到我國現役電廠的發電方式、技術成熟度以及設備投資等問題，燃燒后捕集和富氧燃燒捕集更適宜我國現階段以至未來一段時間大規模采用[28-29]。因此，未來應突破現有CO2捕集技術，以期降低捕集和分離能耗。

2）CO2分離。CO2捕集本質上就是氣體的分離，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]。據調查，基于燃燒后捕集技術，其中吸收法占大多數（約60%），其次是膜法（14%）、礦化法（14%）、吸附法（12%）[32]。

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

在上述列舉CO2分離技術中，各有其優勢和局限性（見表1）。吸收法對低濃度CO2源具有吸收快、吸收效率高等特點，但仍面臨溶劑再生能耗高、熱穩定性差、腐蝕性高等巨大挑戰[33]。吸附法工藝設備簡單，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、投資成本較少等優勢，但由于缺少高效的膜材料，難以捕集到高純度CO2[35]。低溫分離法優點在于能夠產生高純液態CO2，并有效地避免了吸收劑腐蝕等問題，但設備投資龐大，能耗較高。綜合比較，化學吸收法因其吸收速率快、吸收容量大，已成為當前技術上最成熟、工業應用上最廣泛的CO2捕集分離的方法之一[36]。

表1 不同類型CO2分離技術比較Table 1 Comparison of different types of CO2 separation technologies

1.2 CO2運輸

CO2運輸是CO2利用和封存的重要紐帶，通常包括管道運輸、罐車運輸以及船舶運輸[37]。CO2的運輸狀態可以是氣體、液體、固體以及超臨界流體[38]。為了便于大規模運輸，通常需進行預處理，主要是因為潮濕的CO2易腐蝕碳錳鋼管道，所以在運輸之前需脫去水分[39]。

CO2運輸方式都有著各自的適用條件及優缺點，見表2。管道運輸連續性強、安全性高，適合大規模長距離的定向運輸，但靈活性差，初始投資大，還需解決輸送過程中存在的腐蝕與泄漏問題。罐車運輸相對靈活，適合小規模短距離運輸，但費用較高。船舶運輸是離岸封存的重要選擇，適合大規模遠距離的海上運輸，但連續性較差。針對管道運輸，國際上已有大量工程實踐。美國正在運行的管道運輸超過50條，管道長度超過7 200 km，總輸送量達到6.8億噸/年。我國CO2運輸主要以罐車運輸為主，目前尚無大輸量、長距離的CO2輸送管道。

表2 不同類型CO2運輸技術比較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手段將捕集的CO2資源化利用，生產較高經濟效益的產品和服務[40]。CO2利用與封存按工程技術手段可分為地質利用、化工利用、生物利用和地質封存4大類。

1 ）CO2利用。地質利用是指將CO2注入地下，利用地下礦物或地質條件生產或強化有用產品以達到減少CO2排放的過程。主要包括強化石油開采（CO2-EOR）、強化煤層氣開采（CO2-ECBM）、強化天然氣開采（CO2-EGR）、強化咸水開采（CO2-EWR）、強化頁巖氣開采（CO2-ESGR）、鈾礦浸出增采（CO2-EUL）等[41]。CO2-EOR 是當前CCUS 的主力技術，封存潛力大，還能增加原油產量。研究表明，將超臨界CO2注入油層可以擴大原油體積，增加原油流動性，降低原油黏度30%～80%，有效提高原油采收率7%～20%[42]。

化工利用是指通過化學轉化將CO2和共反應物轉化成目標產物，實現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、合成有機高分子材料、鋼渣礦化利用、低品位礦加工聯合礦化等[43]。

生物利用是指以生物轉化為主要手段，將CO2用于生物質合成，實現CO2資源化利用。主要包括微藻固定CO2轉化為食品和飼料添加劑、化學品、生物燃料以及CO2氣肥利用等。

2） CO2封存。地質封存是永久封存CO2的主要方式，是指通過工程技術手段將超臨界CO2注入深部地質儲層中，使其與大氣保持長時間隔絕。根據封存地點的差異，可分為陸地封存和海洋封存；根據地質封存體的差異，可分為深部咸水層封存、枯竭油氣藏封存等[44]。相比來說，地質封存潛力較大，且有較好的安全性，能保證CO2長期封存于儲層中。據統計，全球陸地上理論封存容量為6～42 萬億噸，海底理論封存容量為2～13 萬億噸[6]。我國理論地質封存潛力約為1.21～4.13 萬億噸[44]。

2 CCUS技術發展現狀

國外CCUS 項目起步較早，規模較大，據全球碳捕集與封存研究院（GCCSI）數據統計，全球共有超過400個CCUS示范項目，年捕集能力約為4 000萬噸，年封存量達到1.493 億噸。在歐美等發達國家，CCUS 擁有較為成熟的服務模式，未來低成本、商業化和集群化規模部署將成為CCUS 的發展趨勢。而這也將助力我國實現碳達峰碳中和目標。

我國大部分CCUS 相關項目在2000 年后開始逐步實施，主要圍繞煤化工行業展開，其次為火電行業、天然氣以及甲醇、水泥、化肥等工廠[45]。近年來，我國在CCUS領域迎頭趕上，在技術方向均取得突破性進展，部分技術已具備商業化應用潛質，正在積極準備建立完整的全流程CCUS產業集群[6]。在CO2捕集方面，已開發出可商業化應用的胺吸收劑[46]。在CO2運輸方面，開展了低壓CO2運輸工程應用[47]。在CO2利用方面，展開理論和關鍵技術研究，開展CO2-EOR工業實驗[48]。在CO2封存方面，全面開展全國地質儲存潛力和風險評價。

結合文獻[49-52]對國內CCUS 項目的梳理，總結了國內主要工業試點和示范項目具體情況，如表3 所列，年捕集能力達到300 萬噸[53]。相比國外，我國示范項目多以石油、煤化工、電力行業小規模的捕集驅油示范為主，總體上還處于研發和早期技術示范階段，缺少大型的多種技術組合的全流程工業化示范[54]。值得一提的是，中國首個百萬噸級“齊魯石化——勝利油田項目”于2022 年1 月在淄博竣工[55]，是目前中國最大的CCUS 全產業鏈示范基地和標桿工程，預計在未來15 年內可累計注入近千萬噸CO2，同時實現增油超過200 萬噸。

表3 中國主要CCUS項目一覽表Table 3 List of major CCUS projects in China

3 挑戰與對策

盡管我國CCUS技術不斷在發展和完善，但相比CO2高排放量及減排需求，CCUS 技術減排貢獻力度仍然偏低，CCUS產業發展也面臨著多方面的因素制約。一是經濟制約，高成本是制約CCUS商業化發展的關鍵挑戰，僅CO2捕集成本就占CCUS總成本的2/3以上，另還需考慮運輸及封存成本。二是技術制約，CCUS在技術上處于研發和早期示范階段，且規模較小，缺少大型的多種技術組合的全流程工業化示范。三是政策制約，目前針對CCUS技術尚未出臺專項法律法規和標準體系。四是環境風險，不能完全杜絕在運輸、利用及封存環節的CO2泄漏問題。

在CCUS 產業鏈流程中，碳捕集是難點，碳利用是重點。未來，若需加速推廣應用CCUS 技術，則必須對現有CCUS 技術面臨的挑戰做出針對性應對之舉。在技術成本層面，改進碳捕集分離技術，尤其是低濃度CO2點源捕集技術，開發新型或再生能耗小的吸收劑，綜合利用捕集過程中產生的廢熱，可降低捕集成本。在環境風險層面，注重CO2管道泄漏研究，制定有效的環境監測、風險防控方案，并選用安全可靠的封存場地。在政策層面，盡快完善政策支持和建立專項法律法規，加大政府支持力度，強化財政激勵措施。另外，規劃布局CCUS 技術基礎設施建設，構建CCUS技術體系和產業集群。

4 結語與展望

CCUS技術具有降低整體減排成本，增加減排靈活性的潛力，是當前CO2減排階段的重要技術手段。未來應加快發展多能互補耦合利用模式，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催化加氫轉化是CCUS 的重要發展方向，可有效緩解溫室效應；其三是CCUS與生物質能耦合的負排放技術，即生物質能碳捕集與封存（BECCS），可有效降低實現碳中和目標的邊際減排成本。隨著CCUS技術趨于成熟，通過CCUS技術助力CO2減排的比例將會不斷提高，將進一步推動我國相關低碳產業發展和壯大，助力我國在低碳技術領域占據國際制高點，保障我國“雙碳”目標的實施和實現。