碳中和目标下碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的发展

2021-12-16梁锋

能源化工 2021年5期

关键词：发展

梁锋

(1. 中石化南京化工研究院有限公司，江苏南京 210048； 2. 全国气体净化信息站，江苏南京 210048)

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表讲话，承诺“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”[1]。2020年12月12日，国家主席习近平在气候雄心峰会上进一步宣布：“到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。”[2]。为了实现这一庄严承诺，2020年12月召开的中央经济工作会议首次将“做好碳达峰、碳中和工作”列为2021年八大重点任务之一。2021年3月，十三届全国人大四次会议通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中也强调，“落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标，制定2030年前碳排放达峰行动方案。”

我国碳中和目标的提出，彰显了我国绿色低碳发展的决心，对应对全球气候变化和中国未来社会经济发展具有重大影响。为了实现这一目标，达到绿色低碳转型，必须通过源头减量、能源替代、节能提效、回收利用、工艺改造及碳捕集、利用和存封(carbon capture，utilization and storage，CCUS)等碳减排路线实现。其中，CCUS技术是CO2深度减排、应对气候变化的重要途径之一。

1 实现碳中和目标的关键

碳中和目标的提出给CCUS技术的发展提供了新的动力，同时也提出了新的要求，如何在新的目标下发展CCUS技术成为当下业界热议的话题和研究方向。

1.1 CCUS技术发展新形势

CCUS技术一直是近年来国际领域应对气候变化的热点问题。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)评估报告指出，如果没有CCUS技术，减排成本将会成倍增加，估计增幅平均高达138%。无论是政府还是能源企业，亦或是可持续发展以及人与自然和谐共生，CCUS技术作为低碳发展的重要途径，将在世界能源领域扮演重要角色。

国际能源署(IEA)在《通过碳捕获、利用与封存(CCUS)实现工业变革》(Transforming Industry through CCUS)(2019年)提出，在清洁技术情景(与《巴黎协定》路径一致)下，2060年工业部门的CCUS累计量将达到280亿t，能源加工和转换部门CCUS累计量为310亿t，电力部门CCUS累计量为560亿t。CCUS将实现38%的化工行业减排，15%的水泥和钢业行业减排。国际上许多政府、组织、企业等都在积极推动CCUS在全球的发展与布局，为CCUS技术的发展提供强有力的政策支持。

大规模实施碳捕获、利用与封存，是目前唯一可在未来十年乃至可预见的将来应用于现有最难减排的主要重工业设施、实现显著并直接减排或避免排放的解决方案。在所有低碳能源解决方案中，CCUS技术将在我国的能源转型中发挥越来越关键的作用[3]。

1.2 CCUS发展新需求

2060碳中和目标对科技提出了新的需求，CCUS技术是实现碳中和目标技术组合的重要构成部分，未来潜力巨大，但目前还存在技术挑战，我国CCUS技术已有较好基础，但与国际差距仍较大，应持续加强CCUS技术研发与示范，完善系统配套支持体系。

现阶段我国CCUS技术类型齐全，发展迅速，但面临着尚未形成规模化、产业化发展，高成本制约CCUS 技术大规模推广，融资渠道不畅通，缺乏成熟的商业模式，公众认知度、接受度有待提高等诸多挑战。

碳中和是一个长期的、需要全社会努力的结果，需要注意CCUS产业化中全生命周期的减碳问题和经济性问题，要尽快找准定位，抓住早期机会，实现一些专项技术的示范功能，尽快加快技术的应用进程。

2 CCUS技术发展现状

2.1 CCUS技术主要过程和技术环节

CCUS技术的主要过程和技术环节[4]见表1。

表1 CCUS技术的主要过程和技术环节

2.2 主要CO2捕集工艺

开发高效节能的CO2捕集工艺已成为CCUS的核心问题和关键技术。主要的CO2捕集工艺见表2。

表2 主要CO2捕集工艺

2.3 CCUS示范项目

国内CO2捕集示范项目主要分布在华东、华北地区，项目类型包括燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集，目前已经拥有了具有自主知识产权的CO2捕集技术。具有代表性的CO2捕集示范工程项目见表3。

表3 国内已运营的万吨级CCUS示范项目

从现阶段来看，燃烧前、燃烧后的CO2捕集技术已接近或达到商业化应用阶段，燃烧前以物理吸收-低温甲醇洗法为主，燃烧后以化学吸收-胺法为主，富氧燃烧尚未达到正常的示范运行。截至2020年，国内共有21个捕集项目在运行，CO2捕集量约180万t/a。

2.4 CCUS技术应用成本

在CCUS技术的碳捕集、输送、利用与封存环节中，捕集是能耗和成本最高的环节。二氧化碳排放源可以划分为两类：一类是高浓度源(如煤化工、炼化厂、天然气净化厂等)，另一类是低浓度源(如燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂等)。高浓度源的捕集成本大大低于低浓度源。据统计，目前CCUS示范工程投资额都在数亿元人民币，而且在现有技术条件下，引入碳捕集后每吨二氧化碳将额外增加140～600元的运行成本。如华能集团上海石洞口捕集示范项目的发电成本就从约0.26元/kWh提高到0.5元/kWh。

续表2

续表3

仍有待提升的CCUS技术水平是制约其发展的又一障碍。在我国，CCUS试验示范还处于起步阶段，缺乏大规模、全流程示范经验，特别是在现有CCUS技术条件下，企业实施CCUS将使一次能耗增加10%～20%，效率损失大。因此整体的CCUS应用成本还处于较高水平。

3 CCUS技术发展机遇

在碳中和的目标下，CCUS技术的发展，在政策导向、技术积累、应用市场等维度面临着诸多机遇。从政策层面上来说，CCUS技术被列入了国家发改委、国家能源局共同发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》，有关二氧化碳的捕集、运输、利用、埋存等方面的环境评价体系正在逐步完善；从技术层面上来说，我国掌握了碳捕集装备的制造、强化采油、利用等技术，基本形成相应产业链，积累了一定的技术经验。目前，国内已有一批由大型企业主导实施的相关项目正在进行；从应用市场上来看，我国拥有广阔的发展前景。初步预计，全球CCUS产业规模可达数万亿美元，其中2060年中国CCUS投资规模将达到3.5万亿元人民币。

3.1 美国CCUS发展路径

近期，美国国家石油委员会(NPC)发布了受美国能源部委托完成的《迎接双重挑战：碳捕集、利用和封存规模化部署路线图》[5]报告，提出了在25年内实现大规模部署CCUS技术的发展路线。通过启动阶段(未来5～7年，投资500亿美元，CCUS规模达6 000万t/a)、扩张阶段(未来15年，投资1 750亿美元，CCUS规模达1.5亿t/a)和规模化应用阶段(未来25年，投资6 800亿美元，CCUS规模达5亿t/a)3个阶段，实现CCUS技术在美国的大规模应用。其研发重点为3大部分，具体如下。

3.1.1 碳捕集技术

改进碳捕集技术以用于燃煤烟气、天然气烟气和工业CO2排放源；推进开发用于气体分离的溶剂、吸附剂、膜和低温工艺，以及开发新型的具备碳捕集功能的能量循环系统；制定成本和性能基准并进行公开评估；降低碳捕集的总体成本以及资本、运营和维护成本；提升碳捕集系统的运行灵活性以适应加速循环；评估碳捕集技术以确定最具技术性和经济性的选择；探索复合碳捕集系统的应用。

3.1.2 碳封存技术

提高场址表征和封存方法的效率；通过CO2羽流固定机理研究及加快速度来增加对孔隙空间的利用；改进耦合模型以优化和预测CO2流动和输运，以及地质力学和地球化学反应；降低监测成本并开发新的监测技术；量化和管理诱发地震的风险；研究采用替代砂岩和碳酸盐岩储层实现年储量百万吨级的可行性，包括超镁铁质岩石(玄武岩)和低渗透性岩石(页岩)；进行社会科学研究，以提高相关参与度，并向大众通报地质构造中碳封存的需求、机会、风险和利益。

3.1.3 碳利用技术

3.1.3.1 热化学转化

继续提高催化材料的选择性、活性和稳定性，包括理论和试验表征。对于已证明在较低温度范围(如373～573 K)内具有活性、选择性、耐水性的低成本催化剂，应关注催化剂性能的长期稳定性以及防止失活的解决方案。CO2转化技术的其他关键挑战是提高对产物的选择性以及催化剂对副产物(如水和原料中的杂质)的稳定性。此外还需进行更多实验室研究和计算研究，以及中试规模的研究和开发。同时，研究开发更有效、更低成本的方法来使用可再生能源电解水制氢，对于短期内提高CO2加氢转化的环境和经济可行性也极为重要。

3.1.3.2 电化学和光化学转化

该领域的主要研究包括：开发新型催化剂以提高选择性、活性和稳定性；具有高耐用性和离子电导率的聚合物膜；新型电解池设计和制造。电化学和光化学转化途径面临着相似的挑战，但在光收集、装置设计等方面有所不同。催化剂、膜系统和电解槽的规模扩大，以及高CO2溶解度的新型电解质开发也是重要的研发领域，后者具有巨大的潜力将CO2的捕集和转化结合到一个过程中。开发结合电化学和光化学系统以及热化学和生物化学转化途径的复合系统，对于技术的变革发展非常重要。

3.1.3.3 碳化与水泥

研究主要关注如下方面：集成反应路径；化学(配体)和生物催化剂(碳酸酐酶)的使用；有价值产品(碳酸盐)和副产物(金属和稀土元素)的创新分离技术等。此外，还应对各种碳化原料进行建模和试验研究，以及对所生产材料的特性和性能进行测试。在较大规模的研发中，应研究用于过程强化的能源和材料集成。

3.1.3.4 生物转化

应开发利用自然阳光的藻类技术以小批量生产高价值保健食品，还可将当前正在商业化的人造光生物光反应器技术用于具备可再生能源电力和高效LED光源的系统，以生产营养保健品、蛋白质和化学药品。上述2种途径都应研究光转换效率、选择性以及相关反应器系统，以提高产量和降低成本。气体发酵应关注气相至液相中的有效传质和产物分离，应在实验室规模和试点规模的项目中进行研究。结合不同转化途径的复合系统将是一个重要方向，如通过化学途径将CO2转化为C1化合物更容易，而通过生物学途径将C1转化至C2+化合物更容易，因此可考虑综合上述2种途径的复合系统。此外，还应研究将波动性可再生能源整合到生物转化系统中。

美国NPC上述部署扩展到其研究所描述的规模将需要更有效地集成现有的技术，同时开发新的技术来提供新的CCUS路径，并降低CCUS解决方案的成本。

3.2 中国CCUS发展路径

中国十分重视CCUS技术，2016年国务院印发的《“十三五”控制温室气体排放工作方案》明确提出：“要推进工业领域碳捕集、利用和封存试点示范”。在CCUS技术研发、试验示范和商业化探索方面已开展了大量工作，初步形成了政府引导、市场主导、企业参与、示范先行的工作格局，呈现了技术路径多样，项目种类齐全，部署发展有序的良好局面。

科学技术部社会发展科技司、中国21世纪议程管理中心发布了《中国碳捕集、利用与封存技术发展路线图(2019)》[6]，全面评估中国CCUS技术发展现状和潜力以及面临的问题与挑战的基础上，综合考虑经济发展、能源转型、排放达峰等约束因素，提出我国需分阶段有序推进低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技术研发示范和产业集群的发展目标，从统筹战略布局、实现技术创新、探索财税支持和加强国际合作等方面对研发示范优先行动提出相关政策建议。

生态环境部环境规划院气候变化与环境政策研究中心2020年发布了《中国碳捕集、利用与封存技术发展路线图(2019)》，报告指出相对中国的二氧化碳排放量和减排需求，当前CCUS的减排贡献仍然很低(年封存量约为年排放量的万分之一)，难以满足中国低碳发展的迫切需求。为此，建议尽快建立较为全面的CCUS 发展政策环境，推动中国CCUS 健康发展，主要包括：①建立、健全CCUS法规和标准体系；②出台鼓励和补贴政策，探索市场化激励机制，完善投融资环境；③建立跨部门、跨行业协调机制，分阶段、分行业、分重点逐步推进CCUS 技术的商业化进程。

2021年《中国石油和化学工业碳达峰与碳中和宣言》明确提出：加快部署二氧化碳捕集驱油和封存项目、二氧化碳用作原料生产化工产品项目。积极开发碳汇项目，发挥生态补偿机制作用，践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念。加大科技研发力度，瞄准新一代清洁高效可循环生产工艺、节能减碳及二氧化碳循环利用技术、化石能源清洁开发转化与利用技术等，增加科技创新投入，着力突破一批核心和关键技术，提高绿色低碳标准。

未来中国CCUS发展研究重点有以下几点：①加强CO2捕集的基础研究，深化新型捕集技术，开展新型捕集材料(新型活化剂混合胺、离子液体、膜、吸附剂)、捕集分离设备、工艺优化集成等的研究，尽快实现新领域的技术突破；②在成本最大的制氧技术上寻求技术突破以外，发展符合中国国情的富氧燃烧技术；③发展与新能源耦合的负排放技术，驱动技术成本显著下降；④提前储备和部署生物质耦合CCUS技术(BECCS)和直接空气捕集(DAC)等负排放技术；⑤充分借鉴美国CCUS发展经验，在工程方面对国外先进示范项目进行调研和梳理，强化过程开发，对国内示范项目进行及时的总结和完善，积累全产业链的工程经验和技术数据，为我国 CCUS 技术标准体系建设打下坚实的基础。

3.3 捕集技术示范预测

由于捕集部分占整个CCUS费用的2/3甚至更高[7]，因此国际上主要以“提高捕集效率及规模，降低捕集成本”为重点研发方向。国内主流CO2捕集方法在研制新型捕集溶剂及材料、改进捕集节能工艺流程、开发高效吸收解吸传质传热设备等方面，已跃升为现阶段研究CO2捕集技术中的重中之重。未来CO2捕集技术及示范预测见表4。