二氧化碳捕集、利用与储存（CCUS）技术进展及趋势分析★

2024-03-20尹爱华康彦怀张雲玺刘晓祥

山西化工 2024年2期

尹爱华，梁雄，康彦怀，凌磊，张雲玺，刘晓祥

（兰州裕隆气体股份有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

二氧化碳捕集、利用与封存技术，作为一种新兴的二氧化碳减排技术，是应对全球气候变化、控制二氧化碳温室气体排放的关键技术之一。尤其是近年来我国指定双碳目标下的减排目标，对国内二氧化碳排放的统计、监测及考核办法有了明确规定，也充分体现出我国对应对气候变化、减少二氧化碳排放、加快企业绿色低碳转型发展的关切与决心。本文通过分析该项技术发展现状，针对其中的能耗问题对其未来发展趋势及商业化应用进行探讨。

1 CCUS 技术应用现状

二氧化碳捕集、利用与储存技术应用现状主要包括三个方面，即在驱油、煤层气驱替及地质封存领域的应用，在生产化工原料产品方面的利用以及在微藻制油方面的生物利用等。其中该项技术的封存利用流程如图1 所示。现阶段利用二氧化碳开展原油驱替技术已较为成熟，可有效提高原油产收率，同时可将捕集二氧化碳通过压缩液化回填废弃油气田枯井、含水岩层等，实现封存效果；在化工利用方面利用二氧化碳制成尿素、碳酸氢铵、合成气等化工原料产品，工艺技术也较为成熟；生物利用方面利用微藻光合作用进行固碳提取生物柴油，在国内已存在多项示范工程，因此总体来说，CCUS 技术有着广泛的发展应用前景，主要发展瓶颈就在于通过加大研发投入及先进技术应用，实现规模化利用、降低生产能耗。

图1 CCUS 技术应用工序流程

2 CCUS 技术存在的问题

2.1 技术发展能耗较高

在CCUS 技术进行二氧化碳捕集封存的各道工序（图1）中都需要损耗电、蒸汽能等间接进行二氧化碳排放，因此对减排量的计算也需要对这部分能耗进行统计计算，具体公式为：净减排量=直接减排量-间接能耗排放量。其中对间接能耗的排放量计算，按照各种利用及封存途径进行划分。

1）驱油及地质封存。二氧化碳驱油及地质封存技术中的主要能耗见表1 所示，主要来源于二氧化碳捕集、液化输送及注入三部分。

表1 某百万吨级二氧化碳驱油技术能耗统计

2）化工产品及微藻制油。化工产品生产能耗以尿素生产为例，捕集输送二氧化碳每吨消耗211 kW·h电能、1 t 蒸汽。同时生产每吨尿素的工艺流程中需要消耗液氨0.58 t、二氧化碳0.733 t，消耗电能138 kW·h、蒸汽1.321 t。通过如表1 方法对总能耗进行统计，二氧化碳制尿素化工原料生产能耗将达到1 09 kW·h电能、3.51 t 蒸汽损耗量。同理，利用二氧化碳进行微藻生物制油技术中的主要能耗见表2 所示[1]。

表2 二氧化碳微藻制油技术能耗统计

3）矿化技术。通过参考某项目生产硫基复合肥设计资料，对其中涉及到的生产能耗进行统计分析，最终可估算出每吨二氧化碳合计能耗电能3 859 kW·h、蒸汽17.8 t。因此结合上述计算公式对各项关键技术的减排效果进行统计，结果见表3 所示。可以看出，在驱油、地质封存以及化工产品制造技术领域，可以实现二氧化碳的净减排，而微藻制油、矿化技术领域，由于当前技术工艺的影响，会增加二氧化碳的排放量。

表3 CCUS 技术净减排量数据统计

2.2 地质封存存在潜在风险

在CCUS 技术进行驱油、煤层气驱替及地质封存应用中，会对实施地环境产生一定的影响，包括在二氧化碳增压注入过程中，若注入压力过高对诱发原生裂隙及断层等的移动，产生地震。同时二氧化碳输送管道渗漏的影响，会对周边环境中居民、生态环境造成严重破坏，包括对土壤生态系统的有机质平衡、地层pH 值等产生影响，甚至污染地下水源[2]。

3 CCUS 技术发展趋势分析

1）发展潜力大，被认定为是当前最具发展前景的减排技术。结合技术发展现状及经济效益分析，当前CCUS 技术的首选为驱油利用，其次是驱替煤层气和含水层存储技术。由于我国主体能源结构短期仍以煤炭资源为主，二氧化碳排放量仍会不断增加，二氧化碳减排任务依旧艰巨，现阶段主要的减排手段还是通过提高能效、新能源替代和捕集封存三种，其中各技术占比分布见表4 所示。可以看出，前两种手段后续发展劲头逐渐呈衰退态势，只有CCUS 技术以单个技术逐渐占据较高减排份额，发展前景较好。有相关机构对国内二氧化碳地质封存潜力进行过评估，具体结果见表5 所示。从先阶段实施情况来看，驱油、驱替煤层气均已存在成功运行案例，且具备一定经济效益，值得后续大规模商业化推广应用；而咸水层等地质封存技术，目前无明显经济效益，也可做为未来二氧化碳减排重要技术手段[3]。

表4 各减排手段占比情况分析

表5 二氧化碳地质封存潜力评估

2）二氧化碳微藻制油、化工及矿化利用。对二氧化碳的利用技术需要考虑能耗和成本问题，以微藻制油技术为例，将我国盐碱地、沙漠荒地等闲置土地大规模开展微藻制油建设，可为市场提供足量液体燃料；同时将二氧化碳作为原料制成尿素、碳酸氢铵、甲烷等化工原料及制品，或利用钙、镁矿石对二氧化碳进行矿化利用，均可实现对二氧化碳的大规模减排处理。同时上述技术具备较高的市场经济效益，唯一缺点在于能耗及成本问题，因此未来发展方向在于降低技术能耗，实现商业化大规模应用。

3）CCUS 技术与新能源的耦合应用。从两者耦合应用角度，减少CCUS 技术能耗的同时，促进新能源技术发展，风能、太阳能接入电网后会发生较大波动，将部分未能引入电网的电能用于CCUS 技术，即可降低该技术能耗，又能提高新能源利用率；同时将新能源产生的电能提去高温电解H2O、CO2制取CO+H2合成气，生产清洁液体燃料等，都是两者耦合应用的有效途径。

4）CCUS 技术的安全规范发展。通过指定完善的风险防范措施，对该项技术应用过程中的二氧化碳输送、封存及后续效果监测环节做好安全防护工作，提高安全防护技术水平。尤其是当前国内对二氧化碳管道输送安全技术研究较为匮乏，缺乏长距离管道输送标准规范，同时对地质封存的选址封存评估技术不够成熟完善，CCUS 技术的实施安全性还有待提高。同时对完成地质封存后，二氧化碳渗漏问题的补救方案措施，及预防渗漏的监测监控技术仍有着很大发展空间。