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隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，二氧化碳的大量排放導(dǎo)致氣候變暖。如何有效解決碳排放問題已成為全球的研究熱點(diǎn)，二氧化碳捕集封存(Carbon Capture Utilization and Storage,CCUS)技術(shù)的應(yīng)用可有效改善碳排放問題。目前，全球許多國家和地區(qū)已建有不同規(guī)模的CCUS項(xiàng)目，對(duì)CCUS技術(shù)和項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。分析結(jié)果表明，CCUS項(xiàng)目在解決碳排放問題上有著較好的工業(yè)前景。

碳減排不僅關(guān)乎國家政策的規(guī)劃承諾，更與我們賴以生存的地球環(huán)境息息相關(guān)。早在20世紀(jì)70年代，國外就已經(jīng)開始對(duì)碳捕集進(jìn)行相關(guān)研究。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì))關(guān)于全球變暖1.5℃的特別報(bào)告指出，CCUS (Carbon Capture Utilization and Storage，二氧化碳捕集封存)技術(shù)可有效改善全球氣候的變化，并且明確指出CCUS技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)2050年碳零排放意義重大。2019年，二十國集團(tuán)(G20)能源與環(huán)境部長級(jí)會(huì)議首次將CCUS技術(shù)納入議題。

國外科研工作者對(duì)碳捕集已經(jīng)開展大量的研究，Lee等通過固體吸收劑捕獲二氧化碳(CO2)，以減少來自不同燃燒過程源的CO2排放，所用的吸附劑通過加熱或減壓的方式回收利用，作為捕獲CO2成熟的技術(shù)，分離效率可達(dá)到90%。Dutcher等通過胺基技術(shù)捕集CO2，由于反應(yīng)的高度可逆性，可有效應(yīng)用于工程項(xiàng)目。

我國對(duì)CCUS技術(shù)的研究起步較晚，自2006年開始才陸續(xù)出臺(tái)關(guān)于CCUS技術(shù)的政策。“十一五”期間每年平均出臺(tái)3項(xiàng)政策，“十二五”期間平均每年出臺(tái)3～4項(xiàng)政策?！吨袊鴳?yīng)對(duì)氣候變化國家方案》《中國應(yīng)對(duì)氣候變化科技專項(xiàng)行動(dòng)》《中國應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)》白皮書等都將CCUS技術(shù)作為重點(diǎn)研究的技術(shù)之一?！?ldquo;十三五”控制溫室氣體排放工作方案》提出，到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2015年下降18%，碳排放總量得到有效控制。2015年，巴黎氣候大會(huì)上，中國承諾將于2030年左右使CO2排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)，2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中CO2的排放源很多，如水泥、鋼鐵、電力、煤化工及煉化廠等都是CO2排放大戶。針對(duì)CO2排放問題，各個(gè)行業(yè)均進(jìn)行了CO2的捕集、利用和封存方面的研究探索，每個(gè)行業(yè)又根據(jù)自身行業(yè)特點(diǎn)，形成了多種CO2捕集、利用和封存的技術(shù)方法。

2 CCUS技術(shù)概述

2.1 碳捕集技術(shù)

CO2捕集的方法按照對(duì)燃料、氧化劑和燃燒產(chǎn)物采用的措施，可以分為燃燒前捕集、純氧燃燒和燃燒后捕集3種，如圖1所示。

燃燒前捕集是相對(duì)成本較低、效率較高的一種方法。此方法將化石燃料氣化成合成氣(主要成分為H2和CO)，然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為CO2，再通過溶劑吸收等方法將H2和CO2分離開對(duì)CO2進(jìn)行收集。但此技術(shù)局限于基于煤氣化聯(lián)合發(fā)電裝置(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)，因此以此技術(shù)投產(chǎn)的項(xiàng)目較少，燃燒前捕集CO2的成本大約為20美元/t CO2，尚需要更多的項(xiàng)目來進(jìn)行驗(yàn)證。

富氧燃燒技術(shù)采用純氧或者富氧將化石燃料進(jìn)行燃燒，燃燒后的主要產(chǎn)物為CO2、水和一些惰性組分。水蒸氣冷凝后，通過低溫閃蒸提純CO2，提純后的CO2濃度可達(dá)80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。

由于燃燒前捕集和富氧燃燒需要合適的材料和操作環(huán)境來滿足高溫要求，因此這兩種技術(shù)的研究與開發(fā)和示范性項(xiàng)目較少。相比較而言，燃燒后捕集技術(shù)是當(dāng)前煉廠應(yīng)用較為廣泛且成熟的技術(shù)，該技術(shù)具有較高的選擇性和捕集率。常用的方法如化學(xué)吸收法、膜分離法、物理吸附法等?；瘜W(xué)吸附法被認(rèn)為是當(dāng)前*有市場(chǎng)前景的吸附方法，在化學(xué)吸附中，胺類溶液以其吸收效果好的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。以當(dāng)前的技術(shù)，燃燒后捕集CO2的成本大約是40美元/t CO2。

2.2 碳利用和封存技術(shù)

從國內(nèi)外項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)看，地下封存、驅(qū)油和食品級(jí)利用，是當(dāng)前較主流的方向。圖2展示了主要的碳利用和封存技術(shù)。

2.2.1 碳利用

CCUS-EOR (Enhanced oil recovery，強(qiáng)化采油)技術(shù)可以通過CO2把煤化工或天然氣化工產(chǎn)生的碳源和油田聯(lián)系起來，有較好的收益，如圖3所示，該技術(shù)通過把捕集來的CO2注入到油田中，使即將枯竭的油田再次采出石油的同時(shí)，也將CO2永久地貯存在地下。CO2驅(qū)油的主要原理是降低原油粘度、增加原油內(nèi)能，從而提高原油流動(dòng)性并增加油層壓力。CO2制化肥和食品級(jí)CO2商業(yè)利用也是目前較成熟的碳利用項(xiàng)目。

國外近年來碳利用有很多新興的利用方向，如荷蘭和日本均有較大規(guī)模的將工業(yè)產(chǎn)生的CO2送到園林，作為溫室氣體來強(qiáng)化植物生長的項(xiàng)目。包括溫室氣體利用技術(shù)在內(nèi)，國外處于示范項(xiàng)目階段碳利用技術(shù)有CO2制化肥、油田驅(qū)油、食品級(jí)應(yīng)用等;正處于發(fā)展階段的有CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2加氫制甲醇、海藻培育、動(dòng)力循環(huán)等;尚處于理論研究階段的方向有CO2制碳纖維和乙酸等。

國內(nèi)新興的碳利用方向主要有CO2加氫制甲醇、CO2加氫制異構(gòu)烷烴、CO2加氫制芳烴、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大連化物所、中科院上海研究院、大連理工大學(xué)等，對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行了研究，但大多都處在催化劑研究的理論研究階段或中試階段。

2.2.2 碳封存

CO2捕集后，可以通過泵送到地下、海底長期儲(chǔ)存，或直接通過強(qiáng)化自然生物學(xué)作用把CO2儲(chǔ)存在植物、土地和地下沉積物中。當(dāng)前的碳封存技術(shù)主要分為以下2種:

第*種是將CO2高壓液化注入海洋底?；贑O2的理化性質(zhì)，在海平面2.5 km以下，CO2主要以液態(tài)的形式存在。由于密度大于海水密度，將這一區(qū)域作為海洋碳封存的安全區(qū)域，如圖4 (a)所示。

第二種是將CO2進(jìn)行地質(zhì)封存。在地下0.8～1.0 km這一高度區(qū)域內(nèi)，超臨界狀態(tài)的CO2具有流體性質(zhì)?；贑O2的理化性質(zhì)改變，可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)碳封存，如圖4(b)所示。

3 CCUS項(xiàng)目主要進(jìn)展

3.1 國外CCUS項(xiàng)目進(jìn)展

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，國外很早就展開了CO2捕集項(xiàng)目的相關(guān)研究。表1將國際大型CCS/CCUS項(xiàng)目做了總結(jié)。

國外*早報(bào)道的大型CCUS項(xiàng)目是1972年美國建成的Terrell項(xiàng)目，CO2捕集能力達(dá)40萬～50萬t/a;隨后，美國俄克拉荷馬州Enid項(xiàng)目于1982年建成，通過化肥廠產(chǎn)生的CO2進(jìn)行油田驅(qū)油，CO2捕集能力達(dá)70萬t/a。1/3國土面積在北極圈內(nèi)的挪威，也是*先開展CO2捕集項(xiàng)目研究的國家之一，1996年，挪威Sleipner項(xiàng)目的建成是世界上首個(gè)將CO2注入到地下(鹽水層)的項(xiàng)目，年封存CO2量近百萬噸。

進(jìn)入本世紀(jì)以來，由于工業(yè)化步伐的加快以及全球變暖趨勢(shì)的加劇，CO2捕集項(xiàng)目受到越來越多國家的重視。美國、加拿大、澳大利亞、日本及阿聯(lián)酋等國家加速推進(jìn)CO2捕集項(xiàng)目的工業(yè)化。

2000年，美國與加拿大合作，在Weyburn油田注入Great Plain Synfuels Plant和Sask Power電廠的CO2，提高瀕臨枯竭油田采油率的同時(shí)，累計(jì)封存CO2達(dá)2600多萬t。

2014年，加拿大Sask Power公司的Boundary Dam Power項(xiàng)目成為全球第*個(gè)成功應(yīng)用于發(fā)電廠CO2捕集項(xiàng)目。該項(xiàng)目將150 MW燃煤發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的CO2捕集后，一部分封存地下，一部分用于美國Weyburn油田驅(qū)油，CO2捕集能力達(dá)100萬t/a。2019年全年，該項(xiàng)目捕集CO2達(dá)61.6萬t。

2015年，加拿大Quest項(xiàng)目將合成原油制氫過程中產(chǎn)生的CO2成功注入咸水層封存，每年CO2捕集能力達(dá)100萬t/a。該項(xiàng)目是油砂行業(yè)第*個(gè)CCS項(xiàng)目，每年減少碳排放可達(dá)100萬t。截止到2019年，Quest項(xiàng)目已經(jīng)累計(jì)捕集CO2達(dá)400萬t，以更低的成本提前完成預(yù)定目標(biāo)。目前，Quest項(xiàng)目是全球*大捕集CO2并成功注入到地下的項(xiàng)目。

2016年，澳大利亞西部的Gorgon項(xiàng)目是全球*大的單體LNG項(xiàng)目Gorgon天然氣項(xiàng)目的配套，該項(xiàng)目通過液化技術(shù)將CO2從天然氣中分離出來，將分離出來的CO2注入到巴羅島的鹽水層中，注入量可達(dá)350萬t/a。

3.2 國內(nèi)已建/在建的CCUS項(xiàng)目進(jìn)展

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，國內(nèi)也開啟了CO2捕集項(xiàng)目的研究。相比國外，中國的CCUS項(xiàng)目起步較晚，且尚無百萬噸級(jí)規(guī)模的捕集項(xiàng)目。目前，國內(nèi)以捕集量為10萬t級(jí)規(guī)模的項(xiàng)目為主。國內(nèi)CCS/CCUS項(xiàng)目如表2所示。

2007年，中國石油吉林油田和中石化華東分公司草舍油田開啟了國內(nèi)CO2捕集項(xiàng)目的新篇章。經(jīng)過長期實(shí)踐，中國石油吉林油田于2007年首先實(shí)現(xiàn)CCUS-EOR技術(shù)的工業(yè)化，建立五類CO2驅(qū)油與埋存示范區(qū)，年埋存CO2能力可達(dá)35萬t;同年，中石化華東分公司草舍油田建成了CO2年注入量4萬t的先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目，后期建成了CO2回收裝置，年處理量可達(dá)2萬t。

隨后，基于日趨成熟的CO2捕集技術(shù)，中石化勝利油田、中國神華、延長石油及中石化中原油田加速推進(jìn)CO2捕集項(xiàng)目的工業(yè)化。

2010年，中石化勝利油田建成了國內(nèi)首個(gè)燃煤電廠的CCUS示范項(xiàng)目，以燃煤電廠煙氣CO2為源頭，采用燃燒-捕集技術(shù)，將捕集的CO2注入到油田中進(jìn)行驅(qū)油，CO2捕集能力達(dá)3萬～4萬t/a;2011年，神華鄂爾多斯10萬t/a的CCS示范項(xiàng)目落成，采用甲醇吸收法捕集煤氣化制氫項(xiàng)目尾氣中的CO2，后向鹽水層中注入CO2，該項(xiàng)目是國內(nèi)第*個(gè)鹽水層地質(zhì)封存實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;2012年，延長石油建成了5萬t/a的CO2捕集利用項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用煤化工產(chǎn)生的CO2，經(jīng)過低溫甲醇洗技術(shù)提純加壓液化后注入油田中，降低了原油粘度，提高了原油采收率并實(shí)現(xiàn)了CO2永久封存;2015年，中石化中原油田煉廠尾氣CCUS項(xiàng)目建成，項(xiàng)目將已經(jīng)接近廢棄的油田，通過CO2驅(qū)油將油田采出率提高15%，目前已有百萬噸CO2注入到了地下。

除了傳統(tǒng)CO2捕集技術(shù)，國內(nèi)還開展了CO2新型再利用技術(shù)，應(yīng)用于食品、精細(xì)化工等行業(yè)。

2009年，上海石洞口第二電廠碳捕集項(xiàng)目建成，捕集規(guī)模為10萬t/a，捕集后的CO2主要用于食品行業(yè);2011年，經(jīng)連云港清潔煤能源動(dòng)力系統(tǒng)研究，將IGCC產(chǎn)生的CO2捕集后一部分用于尿素和純堿工業(yè)，一部分注入到鹽水層進(jìn)行封存;2012年，天津北塘國電集團(tuán)CO2捕集示范項(xiàng)目采用燃燒后捕集技術(shù)，年捕集量為2萬t，捕集后的CO2用于食品行業(yè)。

此外，微藻固碳技術(shù)在世界范圍內(nèi)仍處于發(fā)展階段，2010年，新奧集團(tuán)在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗利用微藻固碳技術(shù)，將煤制甲醇/二甲醚裝置的尾氣吸收后，一部分用作生物柴油，一部分用作生產(chǎn)飼料，處理量達(dá)2萬t/a。

除已建項(xiàng)目，國內(nèi)將加速建設(shè)CO2捕集項(xiàng)目，如齊魯石化在建CCUS-EOR項(xiàng)目(2020年)，CO2捕集能力4萬t/a。在一些雙邊協(xié)議中，中美將在中國開展一些大型CCUS項(xiàng)目，如中美氣候變化合作延長石油CCUS示范項(xiàng)目等。

工業(yè)是現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源泉，在帶來了經(jīng)濟(jì)效益和工作機(jī)會(huì)的同時(shí)，也帶來了許多問題。工業(yè)消耗了全球1/3的能源，卻產(chǎn)生了全球1/3的溫室氣體。在實(shí)現(xiàn)近零排放目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)全球溫控1.5℃路線圖的進(jìn)程中，CCUS技術(shù)將起到至關(guān)重要的作用。IEA預(yù)估利用CCUS技術(shù)，從2017年到2060年可以減少280億t的CO2排放。

下一代碳捕集技術(shù)將會(huì)在材料的創(chuàng)新、工藝或設(shè)備的改進(jìn)上取得突破，這些新進(jìn)展將使得投資運(yùn)營成本降低的同時(shí)提高捕集效率。如Ion Engineering公司的非水溶液、MTR公司的膜分離體系、三菱重工的KS-21溶劑、Lind-BASF的貧富溶液吸收再生循環(huán)技術(shù)等，都已經(jīng)在FEED(Front and End Engineering Design，前端工程設(shè)計(jì))工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐。隨著工業(yè)的進(jìn)步，下一代捕集技術(shù)將助推CCUS技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

未來幾十年，對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，碳利用將起到重要作用?？v觀國內(nèi)外成熟的工程項(xiàng)目，地下封存、驅(qū)油和食品級(jí)利用是當(dāng)前較主流的方向。其中，驅(qū)油技術(shù)可以通過CO2把煤化工或天然氣化工產(chǎn)生的碳源和油田聯(lián)系起來，有較好的收益，有較好的應(yīng)用前景。而未來，與氫能利用相結(jié)合的CCUS項(xiàng)目將會(huì)越來越多。

目前全球98%的氫能來自不可再生化石能源，與CCUS技術(shù)相結(jié)合的氣體重整(主要是甲烷蒸汽重整)和煤氣化技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低碳?xì)淠艿哪繕?biāo)。歐盟和一些國家已經(jīng)直接將CCUS作為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國、荷蘭、日本、澳大利亞、新西蘭以及中國也都在氫能政策中提到了CCUS的重要性。