二氧化碳捕集、利用及封存概述

    近年來我們經(jīng)常聽到”雙碳“、”碳達(dá)峰“、”碳中和“及”CCUS“，這里我們重點(diǎn)介紹一下什么是CCUS？

    什么是CCUS？

    CCUS是”Carbon Capture, Utilization and Storage“的英文縮寫，中文名稱是”二氧化碳捕集、利用及封存“的意思。

    二氧化碳（CO2）捕集利用與封存（CCUS）是指將CO2從工業(yè)過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實(shí)現(xiàn)CO2永久減排的過程。CCUS在二氧化碳捕集與封存（CCS）的基礎(chǔ)上增加了“利用 （Utilization）”，這一理念是隨著CCS技術(shù)的發(fā)展和對(duì)CCS技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深化，在中美兩國的大力倡導(dǎo)下形成的，目前已經(jīng)獲得了國際上的普遍認(rèn)同。CCUS按技術(shù)流程分為捕集、輸送、利用與封存等環(huán)節(jié)。

CCUS技術(shù)環(huán)節(jié)

    二氧化碳捕集是指將二氧化碳從工業(yè)生產(chǎn)、能源利用或大氣中分離出來的過程，主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒和化學(xué)鏈捕集。

    二氧化碳輸送是指將捕集的二氧化碳運(yùn)送到可利用或封存場(chǎng)地的過程。根據(jù)運(yùn)輸方式的不同，分為罐車運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸和管道運(yùn)輸，其中罐車運(yùn)輸包括汽車運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸兩種方式。

    二氧化碳利用是指通過工程技術(shù)手段將捕集的二氧化碳實(shí)現(xiàn)資源化利用的過程。根據(jù)工程技術(shù)手段的不同，可分為二氧化碳地質(zhì)利用、二氧化碳化工利用和二氧化碳生物利用等。其中，二氧化碳地質(zhì)利用是將二氧化碳注入地下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化能源生產(chǎn)、促進(jìn)資源開采的過程，如提高石油、天然氣采收率，開采地?zé)帷⑸畈肯蹋u）水、 鈾礦等多種類型資源。

    二氧化碳封存是指通過工程技術(shù)手段將捕集的二氧化碳注入深部地質(zhì)儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)二氧化碳與大氣長期隔絕的過程。按照封存位置不同，可分為陸地封存和海洋封存；按照地質(zhì)封存體的不同，可分為咸水層封存、枯竭油氣藏封存等。

    生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS）和直接空氣碳捕集與封存（DACCS）作為負(fù)碳技術(shù)受到了高度重視。BECCS是指將生物質(zhì)燃燒或轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行捕集、利用或封存的過程，DACCS則是直接從大氣中捕集二氧化碳，并將其利用或封存的過程。

CCUS技術(shù)及主要類型示意圖

    CCUS的定位

    截至2021年5月，溫室氣體排放占比超過65%、 國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）占比超過75%的全球131個(gè)國家宣布了碳中和目標(biāo)。中國和其他國家碳中和目標(biāo)的逐漸明確及碳減排工作的加快推進(jìn)，使得CCUS的定位和作用愈加凸顯。

    CCUS是目前實(shí)現(xiàn)化石能源低碳化利用的唯一技術(shù)選擇。中國能源系統(tǒng)規(guī)模龐大、需求多樣，從兼顧實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)和保障能源安全的角度考慮，未來應(yīng)積極構(gòu)建以高比例可再生能源為主導(dǎo)，核能、 化石能源等多元互補(bǔ)的清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。2019年，煤炭占中國能源消費(fèi)的比例高達(dá)58%，根據(jù)已有研究的預(yù)測(cè)，到2050年，化石能源仍將扮演重要角色，占中國能源消費(fèi)比例的10%~15%。CCUS將是實(shí)現(xiàn)該部分化石能源近零排放的唯一技術(shù)選擇。

    CCUS是碳中和目標(biāo)下保持電力系統(tǒng)靈活性的主要技術(shù)手段。碳中和目標(biāo)要求電力系統(tǒng)提前實(shí)現(xiàn)凈零排放，大幅提高非化石電力比例，必將導(dǎo)致電力系統(tǒng)在供給端和消費(fèi)端不確定性的顯著增大，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。充分考慮電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速減排并保證靈活性、可靠性等多重需求，火電加裝CCUS是具有競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)近零碳排放，提供穩(wěn)定清潔低碳電力，平衡可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，并在避免季節(jié)性或長期性的電力短缺方面發(fā)揮慣性支撐和頻率控制等重要作用。

    國際能源署（IEA）發(fā)布2020年鋼鐵行業(yè)技術(shù)路線圖，預(yù)計(jì)到2050年，鋼鐵行業(yè)通過采取工藝改進(jìn)、效率提升、能源和原料替代等常規(guī)減排方案后，仍將剩余34%的碳排放量，即使氫直接還原鐵（DRI）技術(shù)取得重大突破，剩余碳排放量也超過8%。水泥行業(yè)通過采取其他常規(guī)減排方案后，仍將剩余48%的碳排放量。CCUS是鋼鐵、水泥等難以減排行業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放為數(shù)不多的可行技術(shù)選擇之一。

    CCUS與新能源耦合的負(fù)排放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)保障。預(yù)計(jì)到2060年，中國仍有數(shù)億噸非 CO2溫室氣體及部分電力、工業(yè)排放的CO2難以實(shí)現(xiàn)減排，BECCS及其他負(fù)排放技術(shù)可中和該部分溫室氣體排放，推動(dòng)溫室氣體凈零排放，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供重要支撐。

    市場(chǎng)分析

    早在2020年，習(xí)近平主席就提出我國“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。至此，關(guān)于碳達(dá)峰、碳中和作出的一系列指示，為我國應(yīng)對(duì)氣候變化和綠色低碳發(fā)展明確了目標(biāo)與方向，為強(qiáng)化全球氣候行動(dòng)注入了強(qiáng)大的政治推動(dòng)力。

    二氧化碳捕集利用與封存技術(shù) (CCUS) 作為一種大規(guī)模的溫室氣體減排技術(shù)，近年來在生態(tài)環(huán)境部、科技部、發(fā)改委等部門的共同推動(dòng)下，CCUS相關(guān)政策逐步完善，科研技術(shù)能力和水平日益提升，試點(diǎn)示范項(xiàng)目 規(guī)模不斷壯大，整體競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。但總體上看，我國面向碳中和的綠色低碳技術(shù)體系還尚未建立，重大戰(zhàn)略技術(shù)發(fā)展應(yīng)用尚存缺口，現(xiàn)有減排技術(shù)體系與碳中和愿景的實(shí)際需求之間還存 在較大差距。有研究表明，CCUS將成為我國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)不可或缺的關(guān)鍵性技術(shù)之一，需要根據(jù)新的形勢(shì)對(duì)CCUS的戰(zhàn)略定位進(jìn)行重新思考和評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上加快推進(jìn)、超前部署。

CCUS生態(tài)示意圖

    我國在二氧化碳捕集已投運(yùn)和建設(shè)的項(xiàng)目中，火電廠占70％以上，碳捕捉應(yīng)用到火電行業(yè)的技術(shù)相對(duì)成熟。化工行業(yè)占20％左右，其他行業(yè)包括鋼廠，水泥廠甚至汽車制造行業(yè)等，占比大概10％。

    目前國內(nèi)已在19個(gè)省份投運(yùn)和建設(shè)CCUS示范項(xiàng)目，涉及電廠和水泥廠等純捕集項(xiàng)目以及CO2-EOR、CO2-ECBM、地浸采鈾、重整制備合成氣、微藻固定和咸水層封存等多樣化封存及利用項(xiàng)目。

    未來，預(yù)計(jì)在2030年中國各行業(yè)CCUS減排需求達(dá)0.2~4.08億噸，2060年將達(dá)10~18.2億噸。并且在一系列政策支持及技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到2050年產(chǎn)值規(guī)模將達(dá)3300億元，2025~2050年CAGR約11.9%。

    雖然我國CCUS仍處于發(fā)展早期，部分先進(jìn)技術(shù)尚處于研究階段，但隨著政策支持不斷增多以及示范工程建設(shè)加速推進(jìn)，中國CCUS相關(guān)技術(shù)將逐步成熟，帶動(dòng)CCUS各環(huán)節(jié)成本下降，新型膜分離、新型吸收、新型吸附等技術(shù)的成熟將推動(dòng)能耗和成本降低30%以上，這些技術(shù)有望在2035年前后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

    為了助力CCUS技術(shù)推廣和示范工程建設(shè)，我國政府也出臺(tái)了一系列政策促進(jìn)CCUS發(fā)展，其中包括支持內(nèi)資相關(guān)企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保護(hù)國內(nèi)企業(yè)在CCUS市場(chǎng)的經(jīng)營，推動(dòng)國內(nèi)CCUS重點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展。

    我國已有的CCUS項(xiàng)目覆蓋燃煤電廠、燃?xì)怆姀S、水泥窯、化工廠、天然氣處理等場(chǎng)景。其中規(guī)模最大的碳捕集項(xiàng)目位于新疆，每年可封存二氧化碳達(dá)到300萬噸，相當(dāng)于其他所有項(xiàng)目規(guī)模的總和，是我國第一個(gè)巨無霸級(jí)的CCUS項(xiàng)目。

    二氧化碳捕集

    二氧化碳捕集技術(shù)的核心任務(wù)是將液化天然氣、氫氣廠、鋼鐵廠、水泥廠、發(fā)電廠、以及石油煉化廠等“碳排放大戶”所產(chǎn)生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲(chǔ)存以避免其排放到大氣中的。如何解決在生產(chǎn)流程中將二氧化碳捕集起來，是問題的關(guān)鍵所在。目前，二氧化碳捕集一般采用以下幾種方式：

    1、燃燒后捕集（Post-combustion）

    燃燒后捕集是國內(nèi)主要采用的方法。通過溶液吸收法、固體吸收法、膜吸收法等對(duì)燃燒后排放的煙氣中捕捉其中的二氧化碳，較適用于火力發(fā)電。

    優(yōu)點(diǎn)：改造幅度小，設(shè)備緊湊。

    缺點(diǎn)：能耗高、成本高、效率低。

    2、燃燒前捕集（Pre-combustion）

    將氧氣或空氣通入IGCC系統(tǒng)中，使煤炭和生物質(zhì)燃料等原料高壓氣化，再經(jīng)過水煤氣變化產(chǎn)生二氧化碳和氫氣，此時(shí)氣壓與二氧化碳濃度都很高，很容易對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕捉。     優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)小、能耗低、效率高。

    缺點(diǎn)：投資成本高、可靠性待提高。

    3、富氧燃燒（Oxy-combustion）

    通過制氧技術(shù)，將空氣中的氮?dú)饷摮觯苯硬捎酶邼舛妊鯕馀c排放出的煙氣進(jìn)行燃燒，從而提高燃燒效率（約提高17%~35%），提高二氧化碳純度，降低一氧化碳等副產(chǎn)物產(chǎn)生。

    優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能環(huán)保

    缺點(diǎn)：對(duì)操作環(huán)境有要求、制氧環(huán)節(jié)難度大。

    4、溶液吸收法

    溶液吸收法也是國內(nèi)主要采用的方法。主要使用乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、二異丙醇胺、甲基丙醇胺等溶劑。

    優(yōu)點(diǎn)：吸收速度快、凈化度高、二氧化碳回收率高。

    缺點(diǎn)：溶劑再生耗能高、溶劑腐蝕性強(qiáng)。

    5、固體吸收法

    主要使用活性炭、分子篩、水滑石、籠狀水合物、硅酸鹽、碳酸鹽等物質(zhì)。

    優(yōu)點(diǎn)：吸收容量大、能耗較低、腐蝕性小。

    缺點(diǎn)：二氧化碳回收率低。

    6、膜吸收

    膜吸收法是將膜和化學(xué)吸收相結(jié)合，主要采用微孔膜的技術(shù)，隔離混合氣體與吸收液，依靠膜的另一側(cè)的吸收液的選擇性吸收達(dá)到分離混合氣體中二氧化碳的目的。

    優(yōu)點(diǎn)：能耗低、操作簡(jiǎn)單。

    缺點(diǎn)：投資高，工業(yè)化不成熟。

    我們以燃燒后捕集化學(xué)吸收法為例，其二氧化碳捕捉要經(jīng)過脫碳——吸收再生——壓縮干化——循環(huán)利用等環(huán)節(jié)，涉及到煙氣吸收塔、換熱器等設(shè)備。

燃燒后捕集流程

    二氧化碳的利用與封存

    捕集獲得的二氧化碳，我們需要怎么處理呢？一般采用兩種方式：利用和封存。

    二氧化碳利用

    1、驅(qū)油

    原理：開采原油時(shí)需要將原油從地底壓上來以提高采收率，以前通常是采取水壓或其它氣體操作，現(xiàn)在可以利用捕集來的二氧化碳進(jìn)行驅(qū)油。

    缺點(diǎn)：這種方法不能起到封存的作用，捕捉來的二氧化碳也會(huì)逃逸至大氣中。

    2、催化反應(yīng)

    原理：將捕集來的二氧化碳和氫氣通過催化還原成甲醇。

    缺點(diǎn)：成本高，獲取二氧化碳的成分不夠清潔，反應(yīng)的催化劑不夠高效。

    3、光合作用

    原理：將捕集來的二氧化碳注入植物大棚中，使其中的二氧化碳濃度達(dá)到高于幾倍大氣，強(qiáng)化植物光合作用，加快植物生長的同時(shí)消耗二氧化碳而生成氧氣。

    缺點(diǎn)：利用率極低。

    二氧化碳封存

    1、地質(zhì)封存

    原理：將捕集來的二氧化碳適宜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)深層（如成熟或已經(jīng)耗盡的氣油田地質(zhì)結(jié)構(gòu)、深層鹽堿含水層、廢棄的含煤層），壓力會(huì)將二氧化碳轉(zhuǎn)換成“超臨界流體”，使其不容易泄漏。

    缺點(diǎn)：適宜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)有限，注入方式不易。

    2、海洋封存

    原理：將捕集來的二氧化碳通過輪船、管道運(yùn)輸?shù)缴詈：５桌煤ＫM(jìn)行封存。    缺點(diǎn)：高濃度二氧化碳含量將會(huì)殺死海底生物、易導(dǎo)致海水酸化等。

    中國已具備大規(guī)模捕集利用與封存CO2的工程能力，正在積極籌備全流程CCUS產(chǎn)業(yè)集群。CCUS各技術(shù)環(huán)節(jié)均取得了顯著進(jìn)展，部分技術(shù)已經(jīng)具備商業(yè)化應(yīng)用潛力。

    捕集技術(shù)：CO2捕集技術(shù)成熟程度差異較大，目前燃燒前物理吸收法已經(jīng)處于商業(yè)應(yīng)用階段，燃燒后化學(xué)吸附法尚處于中試階段，其它大部分捕集技術(shù)處于工業(yè)示范階段。燃燒后捕集技術(shù)是目前最成熟的捕集技術(shù)，可用于大部分火電廠的脫碳改造，國華錦界電廠開展的15萬噸碳捕集與封存示范項(xiàng)目正在建設(shè)，是目前中國規(guī)模最大的燃煤電廠燃燒后碳捕集與封存全流程示范項(xiàng)目。

    燃燒前捕集系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）技術(shù)是典型的可進(jìn)行燃燒前碳捕集的系統(tǒng)。國內(nèi)的IGCC項(xiàng)目有華能天津IGCC項(xiàng)目以及連云港清潔能源動(dòng)力系統(tǒng)研究設(shè)施。富氧燃燒技術(shù)是最具潛力的燃煤電廠大規(guī)模碳 捕集技術(shù)之一，產(chǎn)生的CO2濃度較高（約 90%~95%），更易于捕獲。

    富氧燃燒技術(shù)發(fā)展迅速，可用于新建燃煤電廠和部分改造后的火電 廠。當(dāng)前第一代碳捕集技術(shù)（燃燒后捕集技術(shù)、燃燒前捕集技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)）發(fā)展?jié)u趨成熟，主要瓶頸為成本和能耗偏高、缺乏廣泛的大規(guī)模示范工程經(jīng)驗(yàn)；而第二代技術(shù)（如新型膜分離技術(shù)、新型吸收技術(shù)、新型吸附技術(shù)、增壓富氧燃燒技術(shù)等）仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)或小試階段，技術(shù)成熟后其能耗和成本會(huì)比成熟的第一代技術(shù)降低30%以上，2035 年前后有望大規(guī)模推廣應(yīng)用。

    輸送技術(shù)：在現(xiàn)有CO2輸送技術(shù)中，罐車運(yùn)輸和船舶運(yùn)輸技術(shù)已達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段，主要應(yīng)用于規(guī)模10 萬噸/年以下的CO2輸送。

    中國已有的CCUS示范項(xiàng)目規(guī)模較小，大多采用罐車輸送。華東油氣田和麗水氣田的部分CO2通過船舶運(yùn)輸。管道輸送尚處于中試階段，吉林油田和齊魯石化采用路上管道輸送CO2。海底管道運(yùn)輸?shù)某杀颈汝懮瞎艿栏?0%~70%，目前海底管道輸送CO2的技術(shù)缺乏經(jīng)驗(yàn)，在國內(nèi)尚處于研究階段。

    利用與封存技術(shù)：在CO2地質(zhì)利用及封存技術(shù)中，CO2地浸采鈾技術(shù)已經(jīng)達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段，EOR已處于工業(yè)示范階段，EWR已完成先導(dǎo)性試驗(yàn)研究，ECBM已完成中試階段研究，礦化利用已經(jīng)處于工業(yè)試驗(yàn)階段，CO2強(qiáng)化天然氣、強(qiáng)化頁巖氣開采技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究階段。

    中國CO2-EOR項(xiàng)目主要集中在東部、北部、西北部以及西部地區(qū)的油田附近及中國近海地區(qū)。國家能源集團(tuán)的鄂爾多斯10萬噸/年的CO2咸水層封存已于2015年完成30萬噸注入目標(biāo)，停止注入。國家能源集團(tuán)國華錦界電廠15萬噸/年燃燒后CO2捕集與封存全流程示范項(xiàng)目，擬將捕集的CO2進(jìn)行咸水層封存，目前尚在建設(shè)中。

長慶油田公司榆林定邊姬塬油田CO2-EOR試驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目

    2021年7月，中石化正式啟動(dòng)建設(shè)我國首個(gè)百萬噸級(jí)CCUS項(xiàng)目（齊魯石化——?jiǎng)倮吞顲CUS 項(xiàng)目），有望建成為國內(nèi)最大CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉痘亍Ｖ袊茖W(xué)院過程工程研究所在四川達(dá)州開展了5萬噸/年鋼渣礦化工業(yè)驗(yàn)證項(xiàng)目；浙江大學(xué)等在河南強(qiáng)耐新材股份有限公司開展了CO2深度礦化養(yǎng)護(hù)制建材萬噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)項(xiàng)目；四川大學(xué)聯(lián)合中石化等公司在低濃度尾氣CO2直接礦化磷石膏聯(lián)產(chǎn)硫基復(fù)合肥技術(shù)研發(fā)方面取得良好進(jìn)展。中國CO2化工利用技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較大進(jìn)展，電催化、光催化等新技術(shù)大量涌現(xiàn)。但在燃燒后CO2捕集系統(tǒng)與化工轉(zhuǎn)化利用裝置結(jié)合方面仍存在一些技術(shù)瓶頸尚未突破。生物利用主要集中在微藻固定和氣肥利用方面。

新疆克拉瑪依石油煉化廠變壓吸附（PSA）

    中國CCUS現(xiàn)狀

    中國已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目約為40個(gè)，捕集能力300萬噸/年。多以石油、煤化工、電力行業(yè)小規(guī)模的捕集驅(qū)油示范為主，缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范。2019年以來，主要進(jìn)展如下：

    捕集 ：國家能源集團(tuán)國華錦界電廠新建15萬噸/年燃燒后CO2捕集項(xiàng)目；中海油麗水36-1氣田開展CO2分離、液化及制取干冰項(xiàng)目，捕集規(guī)模5萬噸/年，產(chǎn)能25萬噸/年。

    地質(zhì)利用與封存：國華錦界電廠擬將捕集的CO2進(jìn)行咸水層封存，部分CO2-EOR項(xiàng)目規(guī)模擴(kuò)大。

    化工、生物利用：20萬噸/年微藻固定煤化工煙氣CO2生物利用項(xiàng)目；1萬噸/年CO2養(yǎng)護(hù)混凝土礦化利用項(xiàng)目；3000噸/年碳化法鋼渣化工利用項(xiàng)目。

中國CCUS項(xiàng)目分布

    中國已具備大規(guī)模捕集利用與封存CO2的工程能力，正在積極籌備全流程CCUS產(chǎn)業(yè)集群。國家能源集團(tuán)鄂爾多斯CCS示范項(xiàng)目已成功開展了10萬噸/年規(guī)模的CCS全流程示范。中石油吉林油田EOR項(xiàng)目是全球正在運(yùn)行的21個(gè)大型CCUS項(xiàng)目中唯一一個(gè)中國項(xiàng)目，也是亞洲最大的EOR項(xiàng)目，累計(jì)已注入CO2超過200萬噸。國家能源集團(tuán)國華錦界電廠15萬噸/年燃燒后CO2捕集與封存全流程示范項(xiàng)目已于2019年開始建設(shè)，建成后將成為中國最大的燃煤電廠CCUS示范項(xiàng)目。2021年7月，中石化正式啟動(dòng)建設(shè)我國首個(gè)百萬噸級(jí)CCUS項(xiàng)目（齊魯石化——?jiǎng)倮吞顲CUS項(xiàng)目）。

    中國CCUS技術(shù)項(xiàng)目遍布19個(gè)省份，捕集源的行業(yè)和封存利用的類型呈現(xiàn)多樣化分布。中國13個(gè)涉及電廠和水泥廠的純捕集示范項(xiàng)目總體CO2捕集規(guī)模達(dá)85.65萬噸/年，11個(gè)CO2地質(zhì)利用與封存項(xiàng)目規(guī)模達(dá)182.1萬噸/年，其中EOR的CO2利用規(guī)模約為154萬噸/年。中國 CO2捕集源覆蓋燃煤電廠的燃燒前、燃燒后和富氧燃燒捕集，燃?xì)怆姀S的燃燒后捕集，煤化工的CO2捕集以及水泥窯尾氣的燃燒后捕集等多種技術(shù)。CO2封存及利用涉及咸水層封存、EOR、驅(qū)替煤層氣（ECBM）、地浸采鈾、CO2礦化利用、CO2合成可降解聚合物、重整制備合成氣和微藻固定等多種方式。

安徽海螺水泥股份有限公司白馬山水泥廠二氧化碳捕集項(xiàng)目

    碳中和目標(biāo)下的中國CCUS減排需求

    火電行業(yè)是當(dāng)前中國CCUS示范的重點(diǎn)，預(yù)計(jì)到2025年，煤電CCUS減排量將達(dá)到600萬噸/年，2040年達(dá)到峰值，為2~5億噸/年，隨后保持不變；氣電CCUS的部署將逐漸展開，于2035年達(dá)到峰值后保持不變，當(dāng)年減排量為0.2~1億噸/年。燃煤電廠加裝CCUS可以捕獲90%的碳排放量，使其變?yōu)橐环N相對(duì)低碳的發(fā)電技術(shù)。在中國目前的裝機(jī)容量中，到2050年仍將有大約9億千瓦在運(yùn)行。

    CCUS技術(shù)的部署有助于充分利用 現(xiàn)有的煤電機(jī)組，適當(dāng)保留煤電產(chǎn)能，避免一部分煤電資產(chǎn)提前退役 而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。現(xiàn)役先進(jìn)煤電機(jī)組結(jié)合CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳化利用改造是釋放CCUS減排潛力的重要途徑。技術(shù)適用性標(biāo)準(zhǔn)和成本是影響現(xiàn)役煤電機(jī)組加裝CCUS的主要因素。技術(shù)適用性標(biāo)準(zhǔn)決定一個(gè)電廠是否可以成為改造的候選電廠，現(xiàn)階段燃煤電廠改造需要考慮的技術(shù)適用性標(biāo)準(zhǔn)包括CCUS實(shí)施年份、機(jī)組容量、剩余服役年限、機(jī)組負(fù)荷率、捕集率設(shè)定、谷值/峰值等。

    鋼鐵行業(yè)CCUS在2030年減排需求為0.02~0.05億噸/年，2060年減排需求為0.9~1.1億噸/年。中國鋼鐵生產(chǎn)工藝以排放量較高的高爐——轉(zhuǎn)爐法為主，電爐鋼產(chǎn)量?jī)H占10%左右。高爐——轉(zhuǎn)爐法煉鋼約89%的能源投入來自煤炭，導(dǎo)致中國噸鋼碳排放較高。CCUS技術(shù)可以應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)的許多方面，主要包括氫還原煉鐵技術(shù)中氫氣的產(chǎn)生以及煉鋼過程。此外，EOR也是中國鋼鐵行業(yè)碳捕集技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。

    中國鋼鐵廠的CO2主要為中等濃度，可采用燃燒前和燃燒后捕集技術(shù)進(jìn)行捕集。在整個(gè)煉鋼過程中，煉焦和高爐煉鐵過程的CO2排放量最大，這兩個(gè)過程的碳捕集潛力最大。中國鋼鐵行業(yè)最主流的碳捕集技術(shù)是從焦化和高爐的尾氣中進(jìn)行燃燒后CO2捕集。

    鋼鐵行業(yè)捕集的CO2除了進(jìn)行利用與封存以外，還可直接用于煉鋼過程。這些技術(shù)已于首鋼集團(tuán)測(cè)試成功，并被推廣到了天津鋼管公司和西寧特鋼集團(tuán)。充分應(yīng)用這些技術(shù)能夠減少總排放量 的5%~10%。

    水泥行業(yè)CCUS在2030年CO2減排需求為0.1~1.52億噸/年，2060年減排需求為1.9~2.1億噸/年。水泥行業(yè)石灰石分解產(chǎn)生的CO2排放約占水泥行業(yè)總排放量的60%，CCUS是水泥行業(yè)脫碳的必要技術(shù)手段。石化和化工行業(yè)是CO2的主要利用領(lǐng)域，通過化學(xué)反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)變成其他物質(zhì)，然后進(jìn)行資源再利用。

    中國石化和化工行業(yè)有很多高濃度CO2（高于70%）排放源（包括天然氣加工廠、煤化工廠、氨/化肥生產(chǎn)廠、乙烯生產(chǎn)廠、甲醇、 乙醇及二甲基乙醚生產(chǎn)廠等），相較于低濃度排放源，其捕集能耗低、投資成本與運(yùn)行維護(hù)成本低，有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，石化與化工領(lǐng)域高濃度排放源可為早期CCUS示范提供低成本機(jī)會(huì)。中國的早期CCUS示范項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用高濃度排放源與EOR相結(jié)合的方式，通過CO2-EOR產(chǎn)生收益，當(dāng)市場(chǎng)油價(jià)處于高位時(shí)，CO2-EOR收益不僅可完全抵消CCUS成 本，并為CCUS相關(guān)利益方創(chuàng)造額外經(jīng)濟(jì)利潤，即以負(fù)成本實(shí)現(xiàn)CO2減排。2030年石化和化工行業(yè)的CCUS減排需求約為5000萬噸，到2040年逐漸降低至零。

新疆油田二氧化碳罐車井口注入——項(xiàng)目初期

    中國CCUS成本評(píng)估

    中國CCUS示范項(xiàng)目整體規(guī)模較小，成本較高，CCUS的成本主要包括經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本。經(jīng)濟(jì)成本包括固定成本和運(yùn)行成本，環(huán)境成本包括環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與能耗排放。經(jīng)濟(jì)成本首要構(gòu)成是運(yùn)行成本，是CCUS技術(shù)在實(shí)際操作的全流程過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)所需要的成本投入。運(yùn)行成本主要涉及捕集、運(yùn)輸、封存、利用這四個(gè)主要環(huán)節(jié)。預(yù)計(jì)至2030年，CO2捕集成本為90~390元/噸，2060年為20~130元/噸；CO2管道運(yùn)輸是未來大規(guī)模示范項(xiàng)目的主要輸送方式，預(yù)計(jì)2030和2060年管道運(yùn)輸成本分別為0.7和0.4元/（噸·km）。2030 年CO2封存成本為40~50元/噸，2060年封存成本為20~25元/噸。

2025—2060年CCUS各環(huán)節(jié)技術(shù)成本

    以火電為例，安裝碳捕集裝置導(dǎo)致的成本增加為0.26~0.4元/kWh。總體而言，裝機(jī)容量大的電廠每度電成本、加裝捕集裝置后增加的發(fā)電成本、CO2凈減排成本和捕集成本更低。按冷卻裝置來分，對(duì)比空冷電廠，濕冷電廠CO2凈減排成本和捕集成本更低，但是耗水量更大，電廠安裝捕集裝置后冷卻系統(tǒng)總水耗量增加近49.6%，給當(dāng)?shù)赜绕涫侨彼貐^(qū)造成更嚴(yán)重的水資源壓力。

    在石化和化工行業(yè)中，CCUS運(yùn)行成本主要來自捕集和壓縮環(huán)節(jié)，更高的CO2產(chǎn)生濃度通常意味著更低的 CO2捕集和壓縮成本，因此，提高CO2產(chǎn)生濃度是降低CCUS運(yùn)行總成本有效方式。

    采用CCS和CCU工藝后，煤氣化成本分別增加10%和38%，但當(dāng)碳稅高于15美元/噸CO2時(shí)，采用CCS和 CCU的煤氣化工藝在生產(chǎn)成本上更具有優(yōu)勢(shì)。在延長石油CCUS綜合項(xiàng)目中，其CO2來自于煤制氣中的預(yù)燃燒過程（即煤 制氣中合成氣的生產(chǎn)過程）。因此，具有較高的純度和濃度，相較于其他CO2捕獲和運(yùn)輸項(xiàng)目，延長石油CCUS綜合項(xiàng)目的捕集和運(yùn)行成本下降了約26.4%，僅為26.5美元/噸二氧化碳，其中，捕集成本為17.52美元/噸CO2，運(yùn)輸成本為9.03美元/噸二氧化碳。

    經(jīng)濟(jì)成本的另一個(gè)構(gòu)成要素是固定成本。固定成本是CCUS技術(shù)的前期投資，如設(shè)備安裝、占地投資等。一家鋼鐵廠安裝年產(chǎn)能為10萬噸的CO2捕集和封存設(shè)施的成本約為2700萬美元。在寶鋼 （湛江）工廠啟動(dòng)一個(gè)CCUS項(xiàng)目，CO2年捕集能力為50萬噸（封存場(chǎng)地在北部灣盆地，距離工廠100km以內(nèi)），需要投資 5200萬美元。寶鋼（湛江）工廠進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)評(píng)估顯示，綜合固定成本和運(yùn)行成本，總減排成本為65美元/噸CO2，與日本54美元/噸CO2和澳大利亞60~193美元/噸二氧化碳的成本相似。

    環(huán)境成本主要由CCUS可能產(chǎn)生的環(huán)境影響和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)所致。一是CCUS技術(shù)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，CO2在捕集、運(yùn)輸、利用與封存等環(huán)節(jié)都可能會(huì)有泄漏發(fā)生，會(huì)給附近的生態(tài)環(huán)境、人身安全等造成一定的影響；二是CCUS技術(shù)額外增加能耗帶來的環(huán)境污染問題，大部分CCUS技術(shù)有額外增加能耗的特點(diǎn)，增加能耗就必然帶來污染物的排放問題。從封存的規(guī)模、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和監(jiān)管考慮，國外一般要求CO2地質(zhì)封存的安全期不低于200年。

    能耗主要集中在捕集階段，對(duì)成本以及環(huán)境的影響十分顯著。如醇胺吸收劑是目前從燃煤煙氣中捕集CO2應(yīng)用最廣泛的吸收劑，但是基于醇胺吸收劑的化學(xué)吸收法在商業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用中仍存在明顯的限制，其中最主要的原因之一是運(yùn)行能耗過高，可達(dá)4.0~6.0MJ/kg二氧化碳。

中國石油吉林油田注入與驅(qū)油

    山東山藍(lán)環(huán)境集團(tuán)有限公司已將二氧化碳捕集、利用及封存納入發(fā)展核心，通過技術(shù)的不斷成熟，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)出一份力。