CCUS技术进展和应用情况

＊武永光

（晋能控股装备制造集团华昱能源化工山西有限责任公司技术中心 山西 048017）

气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，将带来更高的降水量、更频繁的极端天气和生态平衡的不可逆破坏，对生命系统形成威胁。我国作为“世界工厂”，产业链日渐完善，国产制造加工能力与日俱增的同时，碳排放量加速攀升。

在这一背景下，《巴黎协定》对全球应对气候变化行动作出安排，确保将温升控制在2℃，力争1.5℃的目标，近200个缔约方签署。2020年9月，第75届联合国大会，习总书记提出：中国力争在2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

二氧化碳捕集封存（Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS），是指将二氧化碳从工业生产、能源利用或大气中分离出来，并加以利用或注入地层以实现永久减排的过程。在碳达峰碳中和背景下，结合我国实际抓好CCUS技术研发和推广应用工作，是加快我国传统高耗能高排放行业改造提升的必由之路，是深化能源革命综合改革试点的重要内容，是确保如期实现“3060”目标的关键举措，是全方位推进高质量发展的有力支撑。

1.我国碳排放基本情况

2020年，我国能源消费总量为49.8亿吨标准煤，能源相关的二氧化碳排放量约99亿吨，占全球总排放量的30.9%，比美国（13.9%）、印度（7.2%）和俄罗斯（4.5%）的总和还要多，居全球第一。2020年我国单位GDP能耗为3.4吨标准煤/万美元，单位GDP碳排放量为6.7吨二氧化碳/万美元，均远高于世界平均水平及美国、日本、德国、法国、英国等发达国家（具体见图1）。

图1 世界主要国家单位GDP能耗和碳排放量

从能源消费结构来看，我国能源消费仍以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，特别是煤炭消费比重占一半以上。21世纪来，我国能源消费结构持续优化，近10年煤炭年消费量基本维持在28亿吨标煤左右；煤炭消费占比持续降低，已由2000年的68.5%降至2020年的56.8%；清洁能源（天然气+非化石能源）消费占比持续上升，由2000年的9.5%增至2020年的24.3%。2020年我国能源消费总量49.8亿吨标煤，其中煤炭、石油、天然气、非化石能源占比分别56.8%、18.9%、8.6%、15.7%。（具体见图2和图3）工业是我国能源消费和碳排放大户。其中电力、钢铁、水泥、铝冶炼、石化化工、煤化工6个行业和交通、建筑2个领域的碳排放合计超过90%（具体见图4）。

图2 2000年我国能源消费结构

图3 2020年我国能源消费结构

图4 我国工业领域碳排放占比统计

2.CCUS技术进展

CCUS技术主要包括碳捕集、碳封存和碳利用技术，具体进展如下。

（1）碳捕集技术，是指将二氧化碳从工业生产、能源利用或大气中分离出来并提纯、压缩的过程，是CCUS的前置基础环节。

从捕集工艺看，主要包括燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧捕集。其中，燃烧后捕集目前最为成熟，可用于大部分火电厂。国家能源集团陕西榆林15万吨碳捕集项目，是目前我国规模最大的燃煤电厂燃烧后捕集与封存全流程示范项目，可实现90%以上的捕集率和99%以上的捕集浓度。燃烧前捕集系统相对复杂，可配套整体煤气化联合循环（IGCC）技术使用，国内示范项目包括华能天津IGCC项目等。富氧燃烧技术产生的二氧化碳浓度高（约90%～95%），更易于捕获，可用于新建燃煤电厂和部分改造后的火电厂，制约因素是制氧技术投资和能耗太高，目前尚未实现商业应用。从捕集方法看，主要包括化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、低温精馏法等。其中，化学吸收法是目前广泛应用并被认为是最有市场前景的捕集方法，具体应用中主要采用胺类溶液。其他方法各有优缺点，实际应用中相对较少，一些关键技术也有待进一步突破。从捕集成本看，大致处于200～400元/吨的区间，烟气浓度是其中一个重要影响因素，煤化工、炼化厂、天然气净化厂等高浓度源捕集成本明显低于燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂等低浓度源。捕集环节能耗较高也是当前一个重要问题。目前燃烧后捕集技术的能耗约为3.0吉焦/吨，大约相当于每捕集1t二氧化碳，需要消耗0.1t标煤。未来通过技术进步，捕集成本和能耗有望持续下降。

（2）碳封存技术，是指将捕集的二氧化碳注入深部地质储存，使其与大气永久隔绝，从而实现减排的过程。

封存方式主要有深部盐水层、无商业开采价值的深部煤层与油田、枯竭天然气田封存等，深度一般需在800m以深，目前全流程成本约为250元/吨。其中，海洋盐水层封存技术已经成熟，且已有大量工程示范。1996年，全球首个大型商业碳封存项目在挪威投运，每年将100万吨从天然气中分离出的二氧化碳，注入到距离海岸大约250km、海床800m以深的盐水层。2016年，澳大利亚Gorgon项目投运，该项目是全球最大单体液化天然气项目的配套，每年将350万吨二氧化碳从天然气中分离出来，注入到巴罗岛的盐水层中。

陆地盐水层封存技术也已比较成熟，但工程应用受地质条件影响较大。比如国家能源集团鄂尔多斯10万吨碳捕集封存项目，2010年建成以来累计将30多万吨二氧化碳注入地下盐水层。但为了保障地质封存的可行性和安全性，防止可能诱发的断层活化及地震事件、二氧化碳逃逸导致淡水含水层污染、泄漏危害附近人类健康和局部生态系统等潜在环境风险，该项目前期作了大量地质勘测、采样和分析，对3个大层进行了不同形式的压裂改造。注入后为了确保地质安全，共安装了1套浅井原位监测、7套浅井取样监测设施、1套涡度仪监测系统和3套近地表二氧化碳浓度固定监测仪进行持续监测。这些都大幅推高了项目成本。此外，二氧化碳驱油技术可同步实现封存和利用，目前已有大量工程应用并能形成一定经济效益。比如2015年投运的中石化中原油田CCUS项目，将炼油过程中分离出来的二氧化碳注入接近废弃的油田，使原油出采率提高15%左右，目前已实现百万吨规模的封存和利用。

（3）碳利用技术，是指将捕集的二氧化碳通过多种方式加以资源化利用，从而实现减排的过程。利用方式可分为转化和非转化两类。转化是将二氧化碳通过矿化、生物、化学品等方式，转化为其他有使用价值的物质，从而实现减排。非转化是将二氧化碳作为一种资源直接利用，比如制成干冰、碳酸饮料添加、作为温室气体等，这种方式只是变相减排，并未实现根本减排。但现阶段的情况是，无论是转化还是非转化、或是任何一种具体利用方式，都存在经济性和规模性不足的问题，一些具有较大发展潜力的利用方式，在技术层面普遍缺少根本性突破。整体上看，目前利用环节对减排的贡献十分有限。

山西清洁碳经济产业研究院，已成功将二氧化碳转化为碳纳米管，但能耗和成本都比较高，距离商业化还有距离。此外，2021年全国碳纳米管市场规模总共仅10万吨，即使未来快速增长，对于消纳二氧化碳的作用也是极为有限。上海华能石洞口电厂项目，每年捕集能力12万吨，主要用于附近造船厂的焊接和食品行业。这种方式实际并未实现减排，而且由于需求小、价格低等问题，捕集后的二氧化碳无法充分消纳，近年来一直是间歇式运营。国内科研院所虽然已经在二氧化碳加氢合成甲醇、矿化、尿素甲醇直接/间接制备碳酸二甲酯以及煤层气低碳烃耦合重整制备合成气技术等资源化利用方面进行了大量的研究，但基本都未达到工业试验的条件。荷兰和日本的温室气体利用项目，虽然通过将较大规模的工业产生的二氧化碳送到园林，作为温室气体来强化植物生长，但这种方式基本没有经济性，且并未实现真正意义上的减排。

（4）主要行业CCUS技术进展。从行业应用看，石油行业最为成熟，核心原因是可通过二氧化碳驱油技术，同步实现规模化封存和商业化利用。火电行业碳排放量大，对CCUS技术需求很强，但目前缺少封存或利用的有效方式；钢铁、水泥、化工等行业有一些示范项目，但普遍规模偏小。

①火电行业CCUS技术进展。火电行业是我国目前主要电力来源和碳排放源，减排挑战严峻、任务艰巨。2020年，我国火电行业碳排放约47亿吨，占全国99亿吨排放总量的47.5%。短期内火电主体地位难以改变，CCUS技术已成为火电行业深度减排的必要途径。从运行经济性看，目前捕集技术比较成熟，成本可降至每吨260元，关键问题是缺少封存和利用的有效方式。如燃煤电厂附近有油田，驱油开采比较可行。国家能源集团陕西榆林15万吨示范项目，就是将电厂捕集的二氧化碳大部分用于附近油田驱油，少量用于制建材、制甲醇及食品加工。如果单纯做封存，一是受地质条件影响较大，附近不一定有合适封存环境；二是无论前期勘测和后期监测，都需要较大成本。如果单纯做利用，一是目前利用技术普遍不够成熟，缺乏经济性；二是利用规模普遍偏小，与燃煤电厂每年10万吨以上的捕集能力不匹配。从改造经济性看，结合今后技术进步情况，火电机组加装碳捕集装置的投资回收期需10年以上。按照火电机组40年服役期限看，在役30年左右的老机组基本不具备改造的经济性。同时还应充分考虑捕集环节的耗能问题。据测算，如果把燃烧产生的二氧化碳全部捕集，将增加能耗约100g/kWh，我省火电机组平均能耗将由目前320g左右推高到400g以上，能耗强度相应增加25%左右。

②石油行业CCUS技术进展。二氧化碳驱油技术是一项已应用几十年的成熟技术，也是当前实践效果最好的减排技术。需要说明的是，石油行业本身不产生二氧化碳，用于驱油开采的二氧化碳，大多来自油田周边的石化、火电、天然气处理等其他工业生产。

目前全球所有大型CCUS项目中，二氧化碳驱油项目占到70%。2019年，美国通过驱油开采封存的二氧化碳量约2400万吨。我国在2010年到2017年期间通过驱油项目累计注入二氧化碳超过150万吨，累计原油增产超过50万吨。从经济性分析，美国驱油技术比较成熟，成本相对较低，再加上相关免税补贴政策，可实现捕集封存成本与驱油利用收益的基本平衡。当原油价格高于每桶70美元时，甚至可产生一定利润。我国驱油技术与美国有一定差距，相关补贴政策还不健全，目前仍处于工程示范阶段，尚未实现大规模商业应用。

③其他行业CCUS技术进展。钢铁、煤化工、焦化、化肥、水泥等，这些行业与火电行业情况大致相似，捕集技术都已经比较成熟，但都缺少封存和利用的有效方式，捕集环节的成本和能耗也存在偏高的问题。

（5）CCUS技术进展小结。从技术环节看，碳捕集技术已经比较成熟，但成本和能耗仍然偏高；碳封存技术已有较多示范项目，但应用范围受地质条件影响较大；碳利用技术普遍缺少根本性突破，尤其是经济性和规模性不足。表1对CCUS各环节进行了对比。

表1 CCUS各环节主要情况对比

续表

3.总结

CCUS技术的发展和应用是一个多重因素影响下的复杂问题。归纳起来可分为技术研发、政策体系、规模应用3个方面，技术研发是核心动力，政策体系是重要保障，规模应用是根本目的。

（1）技术研发方面。依托现有相关研究机构和技术基础，在碳捕集、利用和封存方面进一步加强技术攻关，同步探索CCUS技术与新能源产业的技术结合途径。

（2）政策体系方面。鉴于CCUS技术研发和规模应用还有待发展，前期以正面激励为主，对参与CCUS研发示范的机构和企业，在财税、金融、土地等方面给予支持。到一定阶段后，逐步完善市场化机制，在碳排放控制方面建立严格约束措施，倒逼企业通过CCUS等方式实现减排。

（3）规模应用方面。鉴于现阶段碳利用技术的规模性和经济性普遍较差，短期内也很难突破，建议应审慎稳妥推进碳利用领域的项目建设，可以先布局一些小规模中试项目，待试验成功后再考虑工业示范的可能性。

当前及今后一个阶段，应深入推进能源革命综合改革试点，大力实施传统高耗能高排放行业节能降碳行动，加快优化能源结构和产业结构，稳妥推进CCUS技术及应用的前瞻布局、分步实施和有序发展。