碳捕集、利用和封存(CCUS)技术发展现状及应用展望

阳平坚,彭 栓,2,王 静,王 强,任 妮,宋维宁(.中国环境科学研究院环境管理研究中心,北京 0002；2.天津大学环境学院,天津 00；.上海伊世特科技管理有限公司,上海 20000；.中南大学化学化工学院,湖南 长沙008；.辽宁科技大学应用技术学院,辽宁 鞍山 0；6.山西清洁碳研究院,山西 大同 07008)

二氧化碳捕集和封存技术(CCS)是指把CO2从工业或相关能源的源分离出来,输送到一个封存地点,并长期与大气隔绝的过程.为应对日益严峻的全球气候变化形势,《巴黎协定》提出将全球温升较前工业化时期控制在2℃以内,并努力限制在1.5℃以内.国际能源署(IEA)指出[1],要在本世纪末实现温升低于2℃的气候目标,CCS 技术需贡献14%的CO2减排量.政府间气候变化专门委员会(IPCC)在《全球升温1.5℃特别报告》[2]中提出,去碳(carbon removal)是实现净零排放以及补偿超过1.5℃所需的净负排放的必须措施,在有限超过或未超过1.5℃的大多数情景下,都涉及到CCS 技术的大量运用[3].因此,CCS技术对于实现全球气候目标具有重要意义.作为CO2深度减排的重要途径,不同CCS 方式的捕集和封存潜力、实施难度和社会经济效益差别很大[4-5].纵观世界各国在运行CCS 项目,其存在的主要问题在于运行成本过高,不具备经济可持续性.随着CCS技术的发展以及认识的不断深化,我国于2006年在北京香山会议首次提出CO2捕集、利用与封存技术(CCUS),在碳捕集和封存之间引入了CO2资源化利用,通过化学转化利用将CO2封存在化工产品当中[6].优化组合不同的CO2转化利用途径可以生成多种化学产品或半成品,其中高附加值产品的收益可用于补偿CCUS 项目运行的高昂成本,低附加值产品能固定封存大量CO2,因此更具有现实操作性.经过多年发展,CCUS 技术已在全球范围内开始了应用和推广[7].

2020年9月,中国在联合国大会上向世界宣布了2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和的目标.要达成该目标,未来气候经济下的能源系统在保证高效稳定、灵活便捷的基础上,还需满足绿色低碳的要求,这就要求必须改变现有以煤炭为主的高碳能源和电力结构,转向清洁能源为主的多元化、低碳能源结构[8].然而,目前我国化石能源在一次能源消费中的占比高达82.7%,煤电仍是保障我国电力安全和供应的主力,占全社会发电量的58.4%,使得我国CO2排放水平居高不下.即使我国2060年实现碳中和目标,非化石能源电力比例达到80%以上,仍有相当比例的调峰应急电力生产需依赖化石能源.单纯依赖提高能效、清洁能源替代等路径,我国无法顺利实现温室气体净零排放目标,深度脱碳过程必须依靠CCUS 才能实现[9].因此,CCUS 技术是我国应对气候变化必不可少的技术手段,具有特殊的战略意义.

1 CCUS 技术

1.1 CO2 捕集技术

1.1.1 传统碳捕集技术 根据碳捕集与燃烧过程的先后顺序,传统碳捕集方式可分为燃烧前捕集、富氧燃烧捕集(也可视为燃烧中捕集)和燃烧后捕集(图1).

图1 不同碳捕集方式的技术路线Fig.1 Technical routes for different carbon capture methods

燃烧前捕集是利用煤气化和重整反应,在燃烧前将燃料中的含碳组分分离出来,转化为以H2、CO和CO2为主的水煤气,再分离出CO2,剩下的H2则用于清洁燃料.该技术具有捕集的CO2浓度较高,分离难度低,能耗低的特点,但其可靠性有待提高.目前此技术的应用也只局限于以煤气化为核心的整体煤气化联合循环电站[10-11].

富氧燃烧[12]捕集是通过分离空气制取纯氧,再将纯氧作为氧化剂通入燃烧系统同时辅助烟气循环.该技术捕集的CO2浓度可达90%以上,只需简单冷凝便可实现CO2的完全分离,但额外增加了制氧系统能耗,提高了系统总投资.

燃烧后捕集是从工厂烟气中捕集分离CO2的技术,是目前最成熟且应用最广泛的碳捕集技术,可从电厂、锅炉、水泥窑和工业炉等排放的烟气中分离CO2[13].目前常用的燃烧后碳捕集技术分为三类:化学吸收、膜分离和固体吸附技术.化学吸收技术中的SkyMine®工艺、胺吸收工艺和冷氨工艺等在水泥和电力行业得到广泛应用[14].然而,有机溶剂普遍存在吸附剂挥发、腐蚀严重、再生能耗高等不足[15],限制了推广.为解决这一问题,许多新型吸附剂和碳捕集技术相继被开发出来.基于传统有机胺溶剂开发的相变吸收剂被认为可以大幅减少解吸能耗,成为研究热点[16-18];离子液捕集CO2是一项新兴技术,虽然仍处于早期产业化阶段,但其具有高吸收能力、低蒸汽压、可回收、无腐蚀和低成本等优点,是未来碳捕集的一种更有效方法[19].汪志和团队的1700t[20]和江苏绿碳科技团队的1280t[21]火电厂烟气CO2捕集是目前国内已知的千吨级离子液碳捕集示范项目,新疆正在建设50 万t 离子液CO2捕集项目.膜分离技术是基于不同压力梯度和气体分子的不同扩散系数来实现的,适用于处理CO2分压较高的烟气.固体吸附技术基于气体或液体与固体吸附剂上活性点之间的分子间引力实现对目标组分的捕集分离,包括固定床和循环流化床吸附技术.

1.1.2 直接空气碳捕集技术 1999年,Lackner 教授第一次提出从空气中去除CO2的技术,即直接空气碳捕集(DAC)[22].不同于CCUS 技术针对工业固定源排放的碳捕集,DAC 可对小型化石燃料燃烧装置以及交通工具等分布源排放的CO2进行捕集.该技术一般采取物理吸附和化学吸附方法,但大气中CO2浓度体积分数仅为0.042%,采用DAC 技术捕集、浓缩CO2的能耗较高.该技术的关键在于开发高效低成本的吸附材料,包括液体和固体吸附剂,其中固体吸附剂具有较好的动力学性能,能够有效避免溶剂的损失、减少热耗,应用更广[23].近年来,电振荡吸附剂[24]、金属有机框架材料(MOFs)[25]、多孔氢键有机骨架材料(HOFs)[26]成为研究热点.其中MOFs 材料的化学构建模块、孔隙大小和形状、顺序程度可调节,比表面积高达6600m2/g,在CO2捕集和转化利用方面得到了广泛研究[27].目前,国内在实验室中制备了具有良好抗水性的 MOFs 材料HKUST-1,308K,100kPa下吸附量为2.5mmol/g,与现有的吸附剂相比性能优越,近期预计可制备出吸附量达7mmol/g 的MOFs.

在成本方面,HOFs 生产成本过高,尚未实现产业化,而MOFs 材料更具成本效益.Sinha 等[28]研发了DAC 技术的两种MOFs,MIL-101(Cr)-PEI-800 和mmen-Mg2(dobpdc),最低能耗和成本估算分别为3.3GJ/t CO2(915kW·h/t CO2)和540～1008 元/t CO2,以及2.6GJ/t CO2,(713kW·h/t CO2)和432～1368 元/t CO2,国际先进水平为2.2GJ/t CO2(611kW·h/t CO2).澳大利亚Airthena 公司开发了一套基于MOF 材料的移动式DAC 中试装置,MOFs 聚合物纳米复合材料作为吸附剂涂覆在加热板表面,涂层厚度为30～200mm,由至少50wt%的MOF 与黏合剂复合而成.再生能耗为1600kW·h/t CO2,得到的CO2产品浓度为80%左右,装置运行成本为252～2520 元/t CO2[29].

加拿大卡尔加里大学开发出一种对CO2具有高吸附容量和选择性以及较低的焓再生值CALF-20[30],即便在蒸汽、湿酸性气体,甚至长时间暴露于天然气燃烧产生的直接烟气中,CALF-20 都具有杰出的耐久性和稳定性(>45 万次循环).在合成成本方面,大多数MOFs 需要非质子溶剂(如二甲基甲酰胺或二乙基甲酰胺)或含有昂贵的有机黏接剂.而CALF-20 以水和甲醇为溶剂,合成成本约9.2 万元/t,45 万次循环单次成本为0.2 元/t.该成果已以专利形式授权给加拿大Svante Inc.,通过与巴斯夫的合作,开始大规模量产 CALF-20,时空产率达 550kg/(m3⋅d).笔者团队正在产业化开发的 MOFs,包括HKUST-1,Mg-MOF-74 和ZIF-8 等,目标是将其材料成本控制在5～10 万元/t,循环次数在万次以上.

1.2 CO2 输运技术

捕集后的CO2需转移至合适的封存地或利用地,因此CO2输运是CCUS 技术不可缺少的中间环节.CO2输运方式有管道运输和各种交通工具运输.目前我国罐车运输和船舶运输已进入商业应用阶段[31],低压CO2输运也逐渐被广泛使用,而高压、低温和超临界CO2输运还处于研究阶段[32-33].不同CO2输运方式各具优势与不足(表1),需从运输容量、距离、成本、市场因素和运输沿线交通布局等方面综合考虑,以确定最佳CO2输运方案.

表1 CO2 输运方式比较Table 1 Comparison of CO2 transport modes

1.3 CO2 资源化利用

1.3.1 CO2资源化利用途径 CO2资源化利用可分为物理利用、化工利用、生物利用和矿化利用.CO2可直接用于制冷、发泡材料、啤酒和碳酸饮料制造行业[34],也可作为原料制备附加值较高的化工产品,如纯碱、白炭黑、金属碳酸盐、碳酸氢铵肥等无机化工产品[35]和低碳烃、合成气、醇类、醚类、有机酸类、高分子聚合物等有机化工产品[36].近来,通过电化学将CO2转化为碳纳米管、石墨烯等高附加值的碳纳米材料成为新兴的绿色CO2利用途径[37-38].此外,CO2生物利用技术也具有良好的应用前景,如微藻固碳和CO2气肥技术在生物肥料、食品和饲料添加剂以及温室大棚种植方面发挥着重要作用[39].CO2矿化利用是指利用富含钙、镁的大宗固体废弃物(如炼钢废渣、水泥窑灰、粉煤灰等)矿化CO2联产无机碳酸盐等化工产品,在实现CO2减排的同时生产具有一定价值的无机化工产物,是一种非常有前景的大规模固定、利用CO2的途径.当前,我国已在钢渣、磷石膏矿化利用技术方面取得重要进展[40-41].

1.3.2 化石能源固碳利用新途径 化石燃料既提供能源,又为化学工业、材料制造等提供原料,因此称其为化石材料更全面和准确.然而,目前化石材料的能源和材料利用是分离的,如火电厂仅利用煤和天然气的能源部分,材料部分以CO2的形式排放;而石油、天然气和煤化工仅利用其材料部分,未同时利用其能源.化石材料能源和材料同时综合利用的一条创新路径是通过燃烧前碳捕集与转化利用相结合,将化石材料能源利用过程中所产生的CO2直接转化为三聚氰酸[42-43].

过程中释放的热量(和H2)作为清洁能源利用,实现化石材料能源和材料成分的同时高效利用.该路径不仅减排了大气污染物,不排放CO2,而且提高了化石材料总的利用效率,综合经济效益更高.三聚氰酸也可继续开发得到低成本、低碳排放、低内能的三类高固碳材料,为我国实现碳中和目标提供一条经济可行的能源和材料利用路线.

特别是,甲烷(天然气)发电联产制三聚氰酸技术,相比于甲烷直接和氧气燃烧发电,该技术能释放甲烷直接燃烧66.11%的能量,同时联产三聚氰酸.朱维群等[43]进行了500kg/h三聚氰酸的中试,能源利用率达40%,材料利用率达100%,经济效益是只发电的10 倍.该过程具有规模化生产的可能,值得大力推广.

1.4 CO2 封存技术

碳封存技术是将捕集的CO2进行安全储存,不与大气接触,主要包括地质封存和深海封存.目前研究最多的是CO2地质封存利用技术,将CO2注入地质体内的同时利用地下矿物或地质条件生产有价值的产品,这不仅提高了CO2利用率,还具有较高的安全性和可行性.表2总结了当前的CO2地质封存利用技术,其中,CO2强化石油开采(CO2-EOR)技术最为成熟,兼具CO2封存和经济收益,是目前唯一达到了商业化应用水平的有效方法[6].

表2 CO2 地质封存利用技术比较Table 2 Comparison of CO2 geological storage and utilization technologies

1.5 BECCS 技术

生物质能碳捕集与封存技术(BECCS)是一类特殊的CCUS 技术.区别于传统CCUS 技术捕集化石燃料燃烧产生的CO2,BECCS 技术是将生物质能燃烧或转化过程中的CO2进行捕集和转化,全过程实现负排放.在碳排放难以完全消除的行业,未来BECCS 将发挥重要作用.IEA《2050年净零排放:全球能源行业路线图》[47]报告中预测,到2050年BECCS 捕集的碳排放将达到1.3Gt.

当前,BECCS 中生物质能生产的多种技术路线已被确立,而 CCS 技术基本处于示范阶段.BECCS 尽管被认为是极具前景的负碳技术,但是其推广应用仍面临诸多挑战,包括规模和土地可获得性等[48],尤其是大规模生物能源生产可能对粮食安全、土地退化、生物多样性和水供应产生不利影响[49].

2 CCUS 技术的应用现状及面临挑战

2.1 CCUS 技术示范工程进展

截至2023年3月,全球CCUS 工业示范项目中,碳捕集、输运、利用和封存能力超过10 万t CO2/a的项目(或捕集能力达1000t CO2/年的DAC 设施)共计573 个,预计2030年全球的碳捕集能力将达到320.9MtCO2/a[50],当前距离这一目标尚存在较大差距.如图2a所示,全球计划中的CCUS 项目为499 个,占比87.09%,而实际运行和投建的项目数分别为47和23,仅占12.22%.

图2 (a)全球CCUS 项目状态,(b)运行、(c)计划和(d)在建项目的技术类型分布及(e)CCUS 项目的行业分布Fig.2 (a)The status of global CCUS projects,and distributions by technology type of(b)projects in operation,(c)planned projects,and(d)projects under construction;and(e)sectoral distributions of CCUS projects

从技术环节分布来看,实际运行、在建和计划的项目中碳捕集和全链类的项目占比均较高.实际运行的项目中全链类CCUS 项目为33 项(图2b),占比70.21%.可见,当前全球已非常注重CCUS 全链条技术环节的集成,对此美国、英国、荷兰、挪威、阿联酋等国家建设的CCUS 产业集群做出重要贡献[51];计划的项目中(图2c),碳捕集和全链类占比分别为44.69%(223)和19.64%(98);当前正在建设的CCUS项目中(图2d),碳捕集和全链类项目分别为10 项(43.48%)和8 项(34.78%).

从行业分布来看(图2e),电力供热行业CCUS 项目占比最高(14%),该行业是化石能源消费及碳排放的主要部门,也是全球实现碳减排目标的关键,已率先部署CCUS 项目.CO2制氢/氨气和生产生物燃料能够实现废物的资源化利用,成为近来的研究热点[36,52-53].CO2转化为化工产品和生物能源,可抵消CCUS 项目的设备和运行成本,有利于CCUS 技术的发展和推广.然而,当前水泥和钢铁行业拥有的CCUS 工业示范项目仅占6%.因工艺要求和燃煤为主的高温热处理特点,水泥和钢铁行业短期难以通过大规模节约燃煤、提高清洁替代燃料占比等方式实现碳减排目标.采用CCUS 技术来平稳能源结构,是该行业实现规模减碳的可行路径.

从国家分布来看(图3),美国、英国和加拿大的CCUS 项目数在全球处在绝对的领先地位,这得益于强有力的政策支持和基础条件.我国以20 个CCUS 项目排名第7,与其他发达国家相比存在较大差距.目前我国有6 个实际运行能力达10 万t CO2/年的项目,数量仅次于美国和加拿大,每年可捕集2.15Mt CO2.中国石化建设的齐鲁石化-胜利油田CCUS 项目,是我国规模最大的CCUS 全流程项目,也是石化零碳产业链构建示范项目,标志着我国CCUS 技术和工程示范进入新阶段.尽管近年来我国在CCUS 技术应用和工程示范方面均取得显著进展,但相较于国际先进水平,我国CCUS 技术工程示范项目在整体规模、集成程度、离岸封存、工业应用等方面尚存在较大差距[51].

图3 各国CCUS 项目数排名Fig.3 Ranking of CCUS projects in various countries

2.2 我国CCUS 技术面临的挑战

目前,我国的CCUS 技术总体上还处于研发和示范的初级阶段,面临着经济、技术、环境和政策等多方面的难题[54-55],要实现规模化发展还存在诸多挑战.

2.2.1 经济成本 高昂的投资运营成本是CCUS技术应用的最大阻力.目前,单个CCUS 项目的建设投资额达数千万甚至上亿元,如全球最大的CCUS项目Petra Nova Carbon Capture,光建设耗资就超过10 亿美元.由于经济性因素,该项目于2021年1月29日停运,这警示今后CCUS 项目必须考虑经济上的可持续性[56].CCS 环节也会产生高额成本,当前我国的CCUS 项目净减排成本为120～730 元/t CO2[51].例如,华能上海石洞口第二电厂碳捕集项目的投资成本约为1 亿元,安装燃烧后碳捕集装置后,电价由0.26 元/(kW·h)增至0.5 元/(kW·h)[57].总体而言,我国CCUS 项目面临的高能耗、高成本的问题更严重,实际运行项目的企业收益率只能维持在2%甚至以下,打消了企业开展CCUS 示范项目的积极性.

2.2.2 关键技术 研究表明,我国要实现碳中和目标,需CCUS 项目贡献5～29 亿t CO2减排量[58].尽管在各技术环节均有工程示范,但相较全球先进水平,我国CCUS 技术仍难以大规模推广.未来需加强关键技术突破,包括低能耗低成本碳捕集、负排放、超临界CO2管道输送、离岸封存、CO2生物利用等技术[58].这需要大量的前期资金投入,否则我国CCUS技术无法获得进步,未来在国际技术战略竞争中不利,也直接影响我国碳中和目标实现.

2.2.3 环境影响 目前CCUS 项目主要的环境风险来自CO2封存利用环节.在地质封存利用方面,难以预见和不可控制的地质运动(如地震)和CO2对地层的腐蚀导致CO2泄露,形成灾难性的窒息区域和陡增的温室效应,从而引发土壤、地下水、大气等一系列环境问题,并对动植物及人类产生致命威胁[59].据测算,中国近海海域CO2地质封存量中值约7000亿t[60],未来我国海洋也可能成为重要的CO2封存地.然而,深海泄露的CO2会与周围的沉积物、海水发生反应,改变H+、CO32-和HCO3-浓度,并有可能引起海洋pH 值和碳酸盐饱和状态的急剧波动,对海洋生态系统产生重大不利影响[61].因此,未来我国需注重CCUS 项目实施的环境风险评估,提升防范泄露的碳封存技术并加强监测管理.

2.2.4 政策支持 自2006年起,我国陆续发布了20 多项涉及CCUS 的国家政策,确立了CCUS 在应对气候变化领域的重要地位,积极推动 CCUS技术推广和示范项目建设,但尚未建立CCUS 的专项法律法规和标准体系.法律法规的不完善对企业来说意味着多重风险,直接削弱了企业参与CCUS 项目的积极性.同时,缺少有效的政策激励和具体的财税支持,是目前企业开展CCUS 研究和示范项目的主要障碍.此外,示范项目的选址、建设、运营和地质利用与封存场地关闭及关闭后的环境风险评估、监控等方面同样缺乏相关的法律法规和标准.

3 我国CCUS 技术应用展望

当前国内开展的碳捕集项目绝大多数为工业化集中捕集,燃烧前、燃烧后、富氧燃烧技术均有示范项目.碳封存项目以CO2-EOR 为主,但其收益严重依赖于石油价格,经济上可持续性较差,能创造附加值产品的碳利用项目很少,导致高成本、高能耗的碳捕集和封存项目与碳利用阶段存在脱节,难以产生经济效益,制约碳捕集项目发展.未来我国CCUS项目部署的重点任务,在于拓展CO2资源化利用途径,补齐“U”环节,促进CO2资源的商业化应用,建立相关的产业链集群.

3.1 CO2 利用的发展趋势

CO2资源化利用的主要发展趋势包括:CO2转化为高附加值碳基新材料[62]、CO2的化工利用[63]、人工生物合成[64]、油气行业[65]、富碳农业[66]、建筑行业[67]和环保行业应用[68]等七个方向.

3.1.1 CO2转化为高附加值碳基新材料 CO2转化制造碳纳米管和石墨烯等高附加值的碳基新材料,将成为我国煤电厂等实现碳中和的有效路径之一,它将为整体碳中和提供可持续的经济基础.碳纳米材料已经在锂电池导电浆料和导电塑料等产品中得到广泛应用,还能够用于太阳能导电银浆、防腐涂料和导热硅脂等.但是,目前高新材料需求有限.以碳纳米管为例,2021年全国的市场规模仅10 万t,即使未来快速增长,对于消纳CO2的作用也极为有限[69].因此,煤电等行业碳中和还需另寻出路.

3.1.2 化工利用 化工利用是CO2资源化利用的主要途径.如图4所示,CO2、煤、石油、天然气和生物质作为工业的五大基础原材料,构建全新的CO2经济产业链,不仅可用于生产甲醇、烯烃等基础化工品,还可用于生产各种中间体及上万种终端产品.当前,国内CO2化工利用研究和工程应用取得重要进展.例如,华中科技大学庞元杰教授团队以CO2为原料高效制备醋酸,能够连续820h 保持醋酸生成率80%以上,在选择性、能量转化效率、稳定性上打破了世界纪录[70];山西清洁碳研究院提纯工业烟气中的CO2,不仅将其转化为碳酸酯等化工产品,还利用超临界CO2制造轻质材料,用于飞机汽车内饰件、包装材料等节能环保产品.随着技术进步和成本降低,CO2资源化利用逐渐推广,化工行业有望加速实现绿色化.

图4 以CO2 为基础原材料的中间和终端产品生产流程Fig.4 Flow-chart of intermediate and end-products production process using CO2-based raw materials

光电催化还原是CO2化工利用的重要手段之一.光电催化还原法在温和条件下将CO2高效转化成高附加值化学品,发展前景良好[71].光电催化还原CO2技术商业化应用的关键在于开发性能优越的催化剂,即具备高活性、高选择性和长期耐久性以及生产有价值产品的能力[72].以往研究多利用Sn-SAC(单原子催化剂)、Sb-SAC、Sn 基和In 基双金属催化剂、多孔材料[73]、纳米材料催化还原CO2生产甲酸、甲醇和CO,Cu 基催化剂在光电催化CO2生产CH4、C2及C2+有机产品中表现优异[74].然而,催化剂的稳定性以及光电催化还原CO2过程中的低电流密度和功率利用阻碍了它们的工业应用.未来,可通过制备纳米材料,控制纳米催化剂的结构演变以及调节其反应微环境来提高光电催化转化CO2的效率,加速该技术的商业化应用.

3.1.3 人工生物合成 人工生物合成是极具前景的碳利用技术.其中,微藻具有光合效率高、生长速度快、环境适应性强、脂质生产率高和固碳能力强的优点,被认为是燃烧后CO2捕集和生物利用的一种很有前途的方法[75-76].固定的CO2可用于合成生物燃料,并得到食品、饲料、肥料等高附加值产品,使得经济效益和环境效应最大化.微藻固碳可在常温常压下实施[77],目前研究主要集中在高效固碳藻种选育、基因工程改造等方面,如利用CRISPR 技术进行生物转基因是研究前沿[78-79],可提高微藻固碳速率,甚至可实现藻油品质“定制化”.以CO2为原料实现重要化学品的工业生物制造符合我国“双碳”战略需求.尽管物理化学技术和自然光合生物可以转化利用CO2,但是能量利用效率低、物质转化速度慢,严重制约了CO2转化利用的发展.结合生物、物理与化学固碳优势,创建杂合固碳合成重要化学品的工业新路线,推动工业原料路线的战略转移,创新增加碳汇的技术路径,对培育战略性新兴产业,服务于全球可持续发展,具有重大战略意义.

当前,我国正积极部署“基于化学品合成的工业生物固碳新技术及过程强化”,围绕CO2到化学品的工业生物制造全过程,通过催化科学、合成生物学、人工智能和纳米材料等学科交叉,开展杂合固碳工程化、固碳元件智能设计与改造等关键技术研究,强化纳米生物酶碳捕集、电-酶催化转化、生物质耦合固碳等杂合固碳过程,建立可再生能源驱动的工业固碳新工艺,为CO2生物制造重要化学品提供高性能固碳元件,解决从CO2到重要化学品生物合成的技术瓶颈,实现从CO2到化学品合成路线的全生命周期负碳生产,为高效工业生物固碳及全球碳中和提供重要的科技支撑.

3.1.4 油气行业 现阶段我国以煤炭为主的能源消费结构短期难以改变[80],在油气行业合理利用CO2-EOR 技术,不仅实现了CO2封存,而且有效保障国家的能源开采效率以及化石能源供应.然而,当前CO2-EOR 主要应用案例集中在美国、加拿大和欧洲,这得益于这些国家的油气资源丰富,开采技术发达.反观我国“缺油少气”的现实条件,未来CO2-EOR技术的应用潜力比较有限.

3.1.5 其他行业 我国农业、建筑业和环保行业中CO2的转化利用,同样具有巨大潜力.

在农业方面,通过向温室内增施一定量的CO2,可提高农作物的产量和生产效率.我国拥有世界最大面积的种植大棚,通过CO2气肥技术发展富碳农业具有良好前景.

在建筑业方面,CO2矿化制备混凝土技术永久安全,固碳潜力巨大.该技术中CO2与水泥中的Ca2+和Mg2+反应生成CaCO3和MgCO3颗粒,将CO2永久固定到混凝土中的同时,还可以缩短混凝土初凝时间、提高抗压强度以及减少水泥用量.最近,日本大成建设研发的“T-eConcrete(R)/Carbon Recycle”技术[81],可将大量的CO2固定在混凝土中,固碳量70～170kg CO2/m3.2021年我国商品混凝土产量达32.93 亿m3[82],具有发展CO2矿化利用技术的良好基础.

在环保行业方面,可开展固碳减污协同处置.如推进工业固废矿化CO2联产化工产品,如粉煤灰、冶炼废渣和建材废渣的总量分别达5.5 亿,4.0 亿和0.5亿t,实际固碳比可分别达到3%～29%、16%～29%和10%～25%,有望实现CO2的大幅减排以及固废的资源化利用.目前,国内在钢渣强化碳酸化多联产技术、磷石膏加压碳酸化联产硫铵技术方面取得重要进展,已进入工业中试和工程示范阶段.

3.2 CO2 转化利用发展路径

3.2.1 CO2转化利用金字塔模型 合理选择CO2转化利用路径,完全转化捕集的CO2并产生相当比例的经济收益,是CCUS 技术成功实施,实现碳中和目标的关键.在此,根据多年对CCUS 技术、示范项目研究的经验,综合5 个维度(CO2转化量、转化能耗、转化投资、转化产值及转化利润)提出CCUS技术中CO2转化利用金字塔模型(图5).CO2驱油、矿化的产品经济价值不高,但需求量巨大、能耗较低,可实现大规模的CO2消纳;CO2化学和生物转化的产品兼具较高的附加值和较大的应用市场,能耗处于中等水平,但是投资相对较高;碳纳米材料等新材料具有最高附加值,但与其他转化利用途径相比,能耗较高、需求量较低.

图5 CO2 转化利用金字塔模型Fig.5 A pyramid model of CO2 conversion and utilization

未来,我国CCUS 项目实施过程中,应以CO2转化利用金字塔模型为基础,根据捕集的CO2特征,优化组合CO2转化利用路径,合理分配各路径比例,建立既能满足足量的CO2捕集利用封存,又具有经济可持续性的碳中和路径.

3.2.2 中国煤电行业CO2转化利用路径 IEA 指出,2021年全球电力行业的碳排放占比为35.51%[83],是当前及未来CCUS 技术项目部署的首要行业.而对于我国这种煤炭依赖型国家,煤电产生的碳排放占比更高,接近 50%[69],因而我国电力行业对于CCUS 项目部署具有更迫切的需求.在碳利用环节,目前我国主要采用CO2-EOR 技术,而鉴于我国“富煤、缺油、少气”的现实条件,大力推广CO2驱油技术并不适合,应寻找经济可承受的碳捕集利用方案,从而实现我国大规模的CO2转化利用.基于CO2转化利用金字塔模型,本文以60 万kW 煤电厂为例,提出一条CO2转化利用组合路径(图6),为CCUS 项目部署提供启示.

图6 中国煤电行业CO2 转化利用路径组合Fig.6 Combination of CO2 conversion and utilization paths in China’s coal power industry

其中CO2转化为碳纳米材料占比较低,仅为4.1%,但却具有最高的利润比例(56.2%),化学与生物转化CO2的比例均为20%,并且具有较高的利润比例.CO2捕集、转化为碳纳米材料、化学与生物转化的投资比例分别为9.3%、27.2%、31.4%和25.1%.混凝土矿化、农业气肥、干冰及液态CO2利用虽然利润比例较低,但实现了较高比例的CO2消纳,投资也低.据测算,在上述组合下,一座60 万kW 的煤电厂中CCUS 技术将捕集全部排放的CO2,并完全转化利用,同时能获得高额的碳基新材料产品收益,有望走出一条具有经济效益的可持续碳中和路径.

4 结论与建议

CCUS 技术是实现碳中和必不可少的措施,对经济社会高质量发展具有重要意义.本文总结了CCUS 各环节技术及国内外工程示范进展,分析了目前CCUS 技术应用面临的挑战,其中高能耗高成本是CCUS 技术发展的首要阻力.笔者认为仅靠碳捕集技术很难达到化石能源活动的碳中和目标,要加快CO2资源化利用布局,创新高附加值碳转化利用技术.因此,本文提出CO2转化利用金字塔模型,并以我国60 万kW 煤电厂为例优化组合CO2捕集利用路径,为煤电行业经济可持续的碳中和路径提供启示.

综合研究结果,对我国CCUS 技术发展提出以下建议:

(1)密切跟踪全球CCUS 先进技术,准确把握前沿技术方向,加速技术布局和装备研发.建议科技部、生态环境部、国家发改委等部委,通过多种方式储揽布局全球CCUS 技术,发挥“集中力量办大事”的体制优势,借鉴高铁和光伏等产业的发展经验,依托国内巨大市场,集中开展科技战略攻关,迅速降低成本,争取在较短时间内实现突破和赶超.对于参与世界CCUS 技术同台竞争的中国科研人员,要充分发挥好引领示范作用,确保人才和技术为我所用.

(2)出台系列扶持政策,成立国家碳捕集利用基金,支持重点企业开展污染物和CO2协同减排示范工程.建议生态环境部借鉴火电环保电价等成功经验,联合国家发改委和财政部等部委,尽快将CCUS纳入政策支持范围,支持力度不低于美国;同时成立国家碳中和技术创新基金,专门用于支持颠覆性的脱碳技术研发和项目建设.

(3)鼓励有条件的地方抓住CO2资源化利用契机,打造新格局下高质量发展典范.碳纳米管、石墨烯、碳基芯片等,是世界各国争相占领的科技高地,也是当前我国主要的卡脖子技术领域.建议工信部牵头联合国家发改委和主要金融机构等,支持有条件的地方,如温室气体排放量大,有志发展芯片产业,却在传统硅基技术无优势的地方,抓住CO2资源化契机,另辟蹊径,走出一条科技战略支撑高质量发展的新路子,在关键领域实现弯道超车.

(4)发挥国有制经济优势,激励电力、钢铁、化工、建材、通信、电子等领域骨干国企担当CCUS 突破先锋.建议国资委牵头,联合国家发改委、生态环境部等部委,制定合理的考核指标和措施,激励这些领域的国有骨干企业,整合上下游产业链,担当CCUS研发建设先锋,实现卡脖子技术突破、温室气体减排和自身高质量发展的多赢.