学林探赜（第3辑）

第二十四章 我国碳捕集、利用与封存技术研究

　　⊙杨锦琦

　　据测算，“十二五”期间，我国在节能减排方面投资将达2.3万亿元人民币，可再生能源投资将达1.8万亿元，高效节能技术与装备市场占有率将由目前的5%提高到30%，而碳捕集、利用与封存（CCUS）技术是一项具有大规模二氧化碳减排潜力的技术，能实现化石能源的低碳利用，有利于控制温室气体排放，应对全球气候变化起着重要的作用。据联合国气候变化政府间专家委员会（IPCC）估算，全球CO2地质封存潜力至少为2000亿吨，预计到2020年全球CO2捕集潜力为6-49亿吨/年。

　　一、碳捕集、利用与封存技术的基本原理及技术特点

　　二氧化碳捕集、利用与封存技术（CCUS）主要包括捕集、运输、封存与利用4个环节，科学技术支撑使二氧化碳“上天为害”为“入地为宝”。

　　1.捕获

　　目前国内外CO2捕集主要有3条技术路线：燃烧前分离、燃烧后分离和富氧燃烧。碳捕获是一个资本密集的过程，捕获成本约占CCS系统总成本的75%。利用当前的捕获技术进行CO2捕获的成本约为40～60美元/吨，而可接受的捕获成本仅为20美元/吨。

　　燃烧前分离此技术适合煤气化联合发电厂（简称IGCC）；从长远看，IGCC电厂采用燃烧前捕集会有优势，因为IGCC电厂有更高的浓度和气压，收集CO2能耗会降低；但是大规模地进行燃烧前CO2捕集，要先建IGCC电厂，本身投资很高，目前国内工业化应用还不实际。

　　燃烧后分离这种技术较成熟，适合于燃煤电厂，但目前能耗高、成本高；如果实现设备国产化、通过优化改进现有工艺技术等办法，成本和能耗是有降低潜力的；国内要实现电厂的减排，在20年内这种技术应该是最适合的。

　　富氧燃烧属于改造技术，结合了燃烧前和燃烧后技术；用富氧空气作为氧化剂能够提高燃烧后气体的CO2浓度，捕集起来更容易；但是所面临的问题是制氧的能耗较高，另外还要对锅炉进行改造。

　　2.运输

　　CCS捕获的CO2来自排放源，捕获技术不同，产生的CO2纯度不同，对运输管道的影响也不同。考虑到CCS需要埋存大量的CO2，较为适合的运输方法是管道运输和船舶运输；CO2的状态应以流体状为最佳。之前设计的油气管道并不足以满足CCS中CO2运输的要求。目前对捕获的含杂质的CO2的管道设计以及运输安全的研究仍不够成熟。

　　管道运输将气态CO2施加8兆帕以上的压力进行压缩，旨在避免二相流和提升CO2的密度，以便于运输和降低成本。管道运输适合大运量，运输方向相对固定；主要适合陆上地质封存和大规模EOR，但对于防腐保温的要求很高。

　　船舶运输将液态CO2装在绝缘罐中，温度及压力远低于环境气温。目前已有小型CO2运输船舶，大规模的CO2运输船尚未投运，但技术基本成熟，挪威、日本等国正在设计大型CO2运输船。船舶运输也适合大运量，但运输方向相对灵活，且从经济上考虑更有优势，主要适合海底封存和大规模海洋EOR。

　　3.封存

　　碳封存是指将捕获、压缩后的CO2运输到指定地点进行长期封存的过程。CO2的储存技术包括海洋储存、地质储存和化学封存等。现在主要研究的大规模CCS工程主要是指CO2的地质封存和海洋封存。

　　4.利用

　　合成可降解塑料和油田驱油技术是二氧化碳的资源化利用技术比较成熟的技术，并且具有广阔的产业化应用前景。二氧化碳的资源化利用技术主要包括以下几个方面：合成可降解塑料；油田驱油；合成高纯一氧化碳；烟丝膨化；化肥生产；超临界二氧化碳萃取；饮料添加剂；食品保鲜和储存；焊接保护气；灭火器；粉煤输送；改善盐碱水质；培养海藻等。

　　二、欧美主要发达国家CCUS发展部署及政策

　　1.制定CCS技术路线图

　　美国、欧盟、加拿大、英国、日本、澳大利亚等国家，通过颁布CCS技术发展路线图、战略规划，明确近期、中期、远期的技术方向和研发重点，设立跨部门的协调工作机制等措施加强国家层面的技术政策的指导和宏观协调。

　　美国美国能源部发布的CCS技术研发示范路线，就是重点研究、开发和示范燃煤发电系统提供先进CCS技术。加强对新领域的理解，巩固技术基础，从而形成研究、发展与示范的发展路线。随着美国提出加快开发和部署商业化的洁净煤技术，CCS技术将成为美国抢占世界清洁能源发展领先地位的重要环节。

　　欧盟通过“欧洲零排放化石燃料发电站技术平台”的战略研究议程以及战略能源计划技术路线图对CCS的技术开发、部署、研究、实施、投资等进行了详细的规划。尽管欧盟在总体目标上都已经达成共识，但由于欧盟各国政治结构和相关利益的错综复杂，CCS技术的实施将面临多方面的挑战，从欧盟层面上的协调组织与规划是推动CCS技术部署的有效途径。

　　加拿大CCS技术发展路线图（CCSTRM）分为四个阶段。路线图深度在分析加拿大目前CCS所面临的挑战和机遇的基础上，对加拿大开发CCS技术方面的需求，以及开发CCS的所需开发要时间表进行了详细评述。另外，加拿大的技术路线图明确了六个关键的目标，制定了CCS的未来目标、行动、产出和预期成果等。

　　澳大利亚澳大利亚CO2捕集与封存技术发展路线图分为四个阶段：第一阶段是建立基础，用5年时间对这项工作进行科学的评估，对该技术的性能和知识积累做贡献；第二阶段是形成技术体系，在5-10年内形成该技术的研发方面最完善的体系；第三阶段是示范阶段，在10-20年里进行对CO2捕集和封存技术的工程示范活动；第四阶段是应用阶段，在20-30年里使CO2捕集和封存技术获得广泛应用。

　　日本日本的CCS研究基本与欧洲及北美国家同步。日本CCS发展路线图主要为：2008年——2010年开展地质封存中试研究；2010年——2020年开展大规模系统示范；2020开始实施CCS技术，包括利用CO2提高石油采收率，封存到咸水层，注入枯竭天然气田以及煤层，还有发展运输技术等。

　　韩国韩国的CCS技术刚起步，总体规划是从世界CCS的商业化活动调研分析开始，以及技术验证入手，从而实现CCS技术的商业化与工业化，对CCS技术进行部署，制定CCS技术的扩张和出口政策，对CCS技术管理做了具体的规定；同时建立CCS评估标准，以及商业化指导方针。以民间投资和政府拨款相结合为主要发展方式，提高公众意识，从而促进国际合作与人力资源的发展。

　　2.加大资金投入

　　进一步加大政府的投入，引导私有投资加快开展全流程CCS项目的示范将推动CCS技术商业化作为应对金融危机、促进国内经济复苏的手段。

　　美国《美国复苏与再投资法案》中34亿美元拨款与CCUS相关，其中，18亿用于支持包括“未来发电2.0计划”在内的CCS项目。

　　欧盟“欧洲能源福兴计划”批准了首批6个全流程CCS示范项目，资助共计10亿欧元。

　　挪威投入数十亿挪威克朗建立蒙斯塔德碳捕集技术中心，做了一个很大的中试规模的捕集技术研发平台，而且计划在捕集的研发平台上再把运输和封存这两个流程的研发平台加上。

　　英国投入10亿英镑支持境内4个全流程CCS示范项目。加拿大政府和阿尔伯塔省政府分别投入10亿加元和15亿加元支持3个CCS项目，从驱油、化肥到运输。

　　3.建立CCS合作平台

　　建立跨行业、跨领域的合作平台，有利于加快科技成果的转化，积极开展项目示范活动，促进知识和经验的共享，从而促进CCS技术商业化。全球CCS合作平台的形式多种多样，例如美国建立了包括43个州在内美国区域性碳封存合作倡议；加拿大建立了4个省共350多个组织的7个区域性碳封存合作倡议；日本则建立了由发电、石油、工程等行业共37家公司联合成立的日本碳捕集与封存有限公司，作为推动CCS发展的执行实体。比较有代表性的是欧盟“零排放合作平台”，具体内容，全球第一个CCS示范项目网络平台——“CCS项目网络”是欧盟委员会推出的，就是要获欧洲能源复兴计划资助的6个CCS项目通过该网络平台共享知识成果和示范经验。

　　4.建立CCS技术标准、法律法规、管理制度

　　发达国家除了在技术方面开展CCS“硬技术”研发和示范以外，同时也对技术标准、法律法规、管理制度和规范以及公众接受度等进行技术应用“软环境”建设。

　　美国2011年修订实施《安全饮水法》（Safe Drinking WaterAct），针对封存二氧化碳的灌注井，规定设立广泛的场所，进行监测和监控规定，以防范外泄；《清洁能源与安全法案》中，专门设置一章规范碳捕集与封存，促进碳捕集与封存专案的发展与商业化，要求CCS项目必须满足清洁空气法和清洁水法，对所有项目都必须进行风险评价等；《安全碳存储技术行动条例》，要求二氧化碳存储设施密切监控汇报有关数据。强调确保资金用于设施维护和应对突发事故。

　　澳大利亚已通过2006年外海石油法的修正案，澄清地产通行权与使用权、审核机制、二氧化碳输送、财务考量、场址选择步骤、风险识别与监测等问题。澳大利亚还专门出台了《二氧化碳捕集与封存指南（2009）》，对CCS环境影响评价提出了相对具体可行的评价范围、措施等。

　　三、我国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术发展现状

　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“主要行业二氧化碳、甲烷等温室气体的排放控制与处置利用技术”列入环境领域优先主题，“开发高效、清洁和二氧化碳近零排放的化石能源开发利用技术”是先进能源技术发展的方向；我国CCUS 技术虽然起步较晚，但是发展态势快，我国成功地开展了CO2捕集研发与示范活动，并且在CO2资源化利用研发等技术环节有自主知识产权的技术，形成了自身的技术特点。

　　中国电力投资集团1万吨/年碳捕集工业示范项目建设1万吨/年的CO2捕集工业示范项目燃烧后捕集中国电力投资集团投资建设的重庆合川双槐电厂CO2捕集工业示范项目于2010年1月正式投运。这套装置每年可处理5000万Nm3烟气，从中捕集获得1万吨浓度在99.5%以上的CO2，CO2捕集率达到95%以上。在此基础上，中电投集团完成了15万吨/年的碳捕集装置方案研究和工程设计，开展了《中国应对气候变化科技专项行动》和《国家“十二五”应对气候变化科技发展专项规划》都明确了“二氧化碳捕集、利用与封存技术”是未来要支持的重点，同时也是技术领域集中攻关和示范的重点。截至2011年，我国已经建成13个CCUS试验示范项目，其中二期扩建大项目2个和规划项目6个，江苏、浙江、上海、天津、北京、陕西、吉林、内蒙古、重庆等地是项目主要分布区域。2012年大规模完整CCUS项目全球有9个，其中有5个在我国。从整体技术水平看，我国与发达国家基本处于同一阵营，只是核心研发技术仍然存在一定差距，一些关键技术都已经达到世界先进水平，有些关键技术甚至超过世界先进水平。

　　四、我国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术发展方向

　　2013年3月11日科学技术部发布了《“十二五”国家碳捕集利用与封存科技发展专项规划》，提出五大优先发展方向：大规模、低能耗CO2分离与捕集技术，安全高效CO2输送工程技术，大规模、低成本CO2利用技术，安全可靠的CO2封存技术，大规模CO2捕集、利用与封存技术集成与示范。

　　五、我国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术对策建议

　　为进一步推动我国CCUS 技术的研发与示范，应加强国家层面的技术政策指导和宏观协调、引导资源有效配置；推动建设行业间的CCUS 技术合作平台。

　　1.制定CCUS的整体发展战略

　　研究制定我国发展CCUS的整体战略，统筹技术研发、工业示范、大规模推广的发展节奏，有计划地开展技术和政策储备，降低我国CCUS发展面临的风险。研究CCUS技术发展的路线图，提出CCUS技术的发展目标和主要技术任务，进一步完善该技术的阶段发展目标、技术可行性分析和应用前景预测。

　　2.加快相关政策法规的研究

　　碳捕集、利用与封存的技术研发示范在我国的规范管理仍处于起步阶段，进一步发展需要解决的法律问题，借鉴欧盟委员会及其成员国对工业政策、环境影响、财政的相关规定，研究我国相关的政策法规体系。

　　3.构建CCUS 技术合作平台

　　CCUS 技术是不同行业技术间的系统集成和优化，并开展跨行业的全流程示范，构建CCUS 技术合作平台，集不同行业的技术优势开拓合作共赢的局面，促进行业间技术集成。

　　4.加大政府资金投入

　　加大政府资金投入力度，政府加大对新项目直接投资力度，对现已建有的项目追加投资，设立碳捕集、利用与封存专项资金等方式加大政府资金投入。

　　5.加强CCUS国际合作

　　加强CCUS 领域国际科技交流与合作，服务国内研发与示范。有针对性、务实地推进现有CCUS 领域双边和多边合作，鼓励示范项目企业间的经验交流，充分利用国际资源和经验服务国内研发与示范。

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