學林探賾（第3輯）

第二十四章 我國碳捕集、利用與封存技術研究

　　⊙楊錦琦

　　據測算，“十二五”期間，我國在節能減排方麵投資將達2.3萬億元人民幣，可再生能源投資將達1.8萬億元，高效節能技術與裝備市場占有率將由目前的5%提高到30%，而碳捕集、利用與封存（CCUS）技術是一項具有大規模二氧化碳減排潛力的技術，能實現化石能源的低碳利用，有利於控製溫室氣體排放，應對全球氣候變化起著重要的作用。據聯合國氣候變化政府間專家委員會（IPCC）估算，全球CO2地質封存潛力至少為2000億噸，預計到2020年全球CO2捕集潛力為6-49億噸/年。

　　一、碳捕集、利用與封存技術的基本原理及技術特點

　　二氧化碳捕集、利用與封存技術（CCUS）主要包括捕集、運輸、封存與利用4個環節，科學技術支撐使二氧化碳“上天為害”為“入地為寶”。

　　1.捕獲

　　目前國內外CO2捕集主要有3條技術路線：燃燒前分離、燃燒後分離和富氧燃燒。碳捕獲是一個資本密集的過程，捕獲成本約占CCS係統總成本的75%。利用當前的捕獲技術進行CO2捕獲的成本約為40～60美元/噸，而可接受的捕獲成本僅為20美元/噸。

　　燃燒前分離此技術適合煤氣化聯合發電廠（簡稱IGCC）；從長遠看，IGCC電廠采用燃燒前捕集會有優勢，因為IGCC電廠有更高的濃度和氣壓，收集CO2能耗會降低；但是大規模地進行燃燒前CO2捕集，要先建IGCC電廠，本身投資很高，目前國內工業化應用還不實際。

　　燃燒後分離這種技術較成熟，適合於燃煤電廠，但目前能耗高、成本高；如果實現設備國產化、通過優化改進現有工藝技術等辦法，成本和能耗是有降低潛力的；國內要實現電廠的減排，在20年內這種技術應該是最適合的。

　　富氧燃燒屬於改造技術，結合了燃燒前和燃燒後技術；用富氧空氣作為氧化劑能夠提高燃燒後氣體的CO2濃度，捕集起來更容易；但是所麵臨的問題是製氧的能耗較高，另外還要對鍋爐進行改造。

　　2.運輸

　　CCS捕獲的CO2來自排放源，捕獲技術不同，產生的CO2純度不同，對運輸管道的影響也不同。考慮到CCS需要埋存大量的CO2，較為適合的運輸方法是管道運輸和船舶運輸；CO2的狀態應以流體狀為最佳。之前設計的油氣管道並不足以滿足CCS中CO2運輸的要求。目前對捕獲的含雜質的CO2的管道設計以及運輸安全的研究仍不夠成熟。

　　管道運輸將氣態CO2施加8兆帕以上的壓力進行壓縮，旨在避免二相流和提升CO2的密度，以便於運輸和降低成本。管道運輸適合大運量，運輸方向相對固定；主要適合陸上地質封存和大規模EOR，但對於防腐保溫的要求很高。

　　船舶運輸將液態CO2裝在絕緣罐中，溫度及壓力遠低於環境氣溫。目前已有小型CO2運輸船舶，大規模的CO2運輸船尚未投運，但技術基本成熟，挪威、日本等國正在設計大型CO2運輸船。船舶運輸也適合大運量，但運輸方向相對靈活，且從經濟上考慮更有優勢，主要適合海底封存和大規模海洋EOR。

　　3.封存

　　碳封存是指將捕獲、壓縮後的CO2運輸到指定地點進行長期封存的過程。CO2的儲存技術包括海洋儲存、地質儲存和化學封存等。現在主要研究的大規模CCS工程主要是指CO2的地質封存和海洋封存。

　　4.利用

　　合成可降解塑料和油田驅油技術是二氧化碳的資源化利用技術比較成熟的技術，並且具有廣闊的產業化應用前景。二氧化碳的資源化利用技術主要包括以下幾個方麵：合成可降解塑料；油田驅油；合成高純一氧化碳；煙絲膨化；化肥生產；超臨界二氧化碳萃取；飲料添加劑；食品保鮮和儲存；焊接保護氣；滅火器；粉煤輸送；改善鹽堿水質；培養海藻等。

　　二、歐美主要發達國家CCUS發展部署及政策

　　1.製定CCS技術路線圖

　　美國、歐盟、加拿大、英國、日本、澳大利亞等國家，通過頒布CCS技術發展路線圖、戰略規劃，明確近期、中期、遠期的技術方向和研發重點，設立跨部門的協調工作機製等措施加強國家層麵的技術政策的指導和宏觀協調。

　　美國美國能源部發布的CCS技術研發示範路線，就是重點研究、開發和示範燃煤發電係統提供先進CCS技術。加強對新領域的理解，鞏固技術基礎，從而形成研究、發展與示範的發展路線。隨著美國提出加快開發和部署商業化的潔淨煤技術，CCS技術將成為美國搶占世界清潔能源發展領先地位的重要環節。

　　歐盟通過“歐洲零排放化石燃料發電站技術平台”的戰略研究議程以及戰略能源計劃技術路線圖對CCS的技術開發、部署、研究、實施、投資等進行了詳細的規劃。盡管歐盟在總體目標上都已經達成共識，但由於歐盟各國政治結構和相關利益的錯綜複雜，CCS技術的實施將麵臨多方麵的挑戰，從歐盟層麵上的協調組織與規劃是推動CCS技術部署的有效途徑。

　　加拿大CCS技術發展路線圖（CCSTRM）分為四個階段。路線圖深度在分析加拿大目前CCS所麵臨的挑戰和機遇的基礎上，對加拿大開發CCS技術方麵的需求，以及開發CCS的所需開發要時間表進行了詳細評述。另外，加拿大的技術路線圖明確了六個關鍵的目標，製定了CCS的未來目標、行動、產出和預期成果等。

　　澳大利亞澳大利亞CO2捕集與封存技術發展路線圖分為四個階段：第一階段是建立基礎，用5年時間對這項工作進行科學的評估，對該技術的性能和知識積累做貢獻；第二階段是形成技術體係，在5-10年內形成該技術的研發方麵最完善的體係；第三階段是示範階段，在10-20年裏進行對CO2捕集和封存技術的工程示範活動；第四階段是應用階段，在20-30年裏使CO2捕集和封存技術獲得廣泛應用。

　　日本日本的CCS研究基本與歐洲及北美國家同步。日本CCS發展路線圖主要為：2008年——2010年開展地質封存中試研究；2010年——2020年開展大規模係統示範；2020開始實施CCS技術，包括利用CO2提高石油采收率，封存到鹹水層，注入枯竭天然氣田以及煤層，還有發展運輸技術等。

　　韓國韓國的CCS技術剛起步，總體規劃是從世界CCS的商業化活動調研分析開始，以及技術驗證入手，從而實現CCS技術的商業化與工業化，對CCS技術進行部署，製定CCS技術的擴張和出口政策，對CCS技術管理做了具體的規定；同時建立CCS評估標準，以及商業化指導方針。以民間投資和政府撥款相結合為主要發展方式，提高公眾意識，從而促進國際合作與人力資源的發展。

　　2.加大資金投入

　　進一步加大政府的投入，引導私有投資加快開展全流程CCS項目的示範將推動CCS技術商業化作為應對金融危機、促進國內經濟複蘇的手段。

　　美國《美國複蘇與再投資法案》中34億美元撥款與CCUS相關，其中，18億用於支持包括“未來發電2.0計劃”在內的CCS項目。

　　歐盟“歐洲能源福興計劃”批準了首批6個全流程CCS示範項目，資助共計10億歐元。

　　挪威投入數十億挪威克朗建立蒙斯塔德碳捕集技術中心，做了一個很大的中試規模的捕集技術研發平台，而且計劃在捕集的研發平台上再把運輸和封存這兩個流程的研發平台加上。

　　英國投入10億英鎊支持境內4個全流程CCS示範項目。加拿大政府和阿爾伯塔省政府分別投入10億加元和15億加元支持3個CCS項目，從驅油、化肥到運輸。

　　3.建立CCS合作平台

　　建立跨行業、跨領域的合作平台，有利於加快科技成果的轉化，積極開展項目示範活動，促進知識和經驗的共享，從而促進CCS技術商業化。全球CCS合作平台的形式多種多樣，例如美國建立了包括43個州在內美國區域性碳封存合作倡議；加拿大建立了4個省共350多個組織的7個區域性碳封存合作倡議；日本則建立了由發電、石油、工程等行業共37家公司聯合成立的日本碳捕集與封存有限公司，作為推動CCS發展的執行實體。比較有代表性的是歐盟“零排放合作平台”，具體內容，全球第一個CCS示範項目網絡平台——“CCS項目網絡”是歐盟委員會推出的，就是要獲歐洲能源複興計劃資助的6個CCS項目通過該網絡平台共享知識成果和示範經驗。

　　4.建立CCS技術標準、法律法規、管理製度

　　發達國家除了在技術方麵開展CCS“硬技術”研發和示範以外，同時也對技術標準、法律法規、管理製度和規範以及公眾接受度等進行技術應用“軟環境”建設。

　　美國2011年修訂實施《安全飲水法》（Safe Drinking WaterAct），針對封存二氧化碳的灌注井，規定設立廣泛的場所，進行監測和監控規定，以防範外泄；《清潔能源與安全法案》中，專門設置一章規範碳捕集與封存，促進碳捕集與封存專案的發展與商業化，要求CCS項目必須滿足清潔空氣法和清潔水法，對所有項目都必須進行風險評價等；《安全碳存儲技術行動條例》，要求二氧化碳存儲設施密切監控匯報有關數據。強調確保資金用於設施維護和應對突發事故。

　　澳大利亞已通過2006年外海石油法的修正案，澄清地產通行權與使用權、審核機製、二氧化碳輸送、財務考量、場址選擇步驟、風險識別與監測等問題。澳大利亞還專門出台了《二氧化碳捕集與封存指南（2009）》，對CCS環境影響評價提出了相對具體可行的評價範圍、措施等。

　　三、我國碳捕集、利用與封存（CCUS）技術發展現狀

　　《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》將“主要行業二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放控製與處置利用技術”列入環境領域優先主題，“開發高效、清潔和二氧化碳近零排放的化石能源開發利用技術”是先進能源技術發展的方向；我國CCUS 技術雖然起步較晚，但是發展態勢快，我國成功地開展了CO2捕集研發與示範活動，並且在CO2資源化利用研發等技術環節有自主知識產權的技術，形成了自身的技術特點。

　　中國電力投資集團1萬噸/年碳捕集工業示範項目建設1萬噸/年的CO2捕集工業示範項目燃燒後捕集中國電力投資集團投資建設的重慶合川雙槐電廠CO2捕集工業示範項目於2010年1月正式投運。這套裝置每年可處理5000萬Nm3煙氣，從中捕集獲得1萬噸濃度在99.5%以上的CO2，CO2捕集率達到95%以上。在此基礎上，中電投集團完成了15萬噸/年的碳捕集裝置方案研究和工程設計，開展了《中國應對氣候變化科技專項行動》和《國家“十二五”應對氣候變化科技發展專項規劃》都明確了“二氧化碳捕集、利用與封存技術”是未來要支持的重點，同時也是技術領域集中攻關和示範的重點。截至2011年，我國已經建成13個CCUS試驗示範項目，其中二期擴建大項目2個和規劃項目6個，江蘇、浙江、上海、天津、北京、陝西、吉林、內蒙古、重慶等地是項目主要分布區域。2012年大規模完整CCUS項目全球有9個，其中有5個在我國。從整體技術水平看，我國與發達國家基本處於同一陣營，隻是核心研發技術仍然存在一定差距，一些關鍵技術都已經達到世界先進水平，有些關鍵技術甚至超過世界先進水平。

　　四、我國碳捕集、利用與封存（CCUS）技術發展方向

　　2013年3月11日科學技術部發布了《“十二五”國家碳捕集利用與封存科技發展專項規劃》，提出五大優先發展方向：大規模、低能耗CO2分離與捕集技術，安全高效CO2輸送工程技術，大規模、低成本CO2利用技術，安全可靠的CO2封存技術，大規模CO2捕集、利用與封存技術集成與示範。

　　五、我國碳捕集、利用與封存（CCUS）技術對策建議

　　為進一步推動我國CCUS 技術的研發與示範，應加強國家層麵的技術政策指導和宏觀協調、引導資源有效配置；推動建設行業間的CCUS 技術合作平台。

　　1.製定CCUS的整體發展戰略

　　研究製定我國發展CCUS的整體戰略，統籌技術研發、工業示範、大規模推廣的發展節奏，有計劃地開展技術和政策儲備，降低我國CCUS發展麵臨的風險。研究CCUS技術發展的路線圖，提出CCUS技術的發展目標和主要技術任務，進一步完善該技術的階段發展目標、技術可行性分析和應用前景預測。

　　2.加快相關政策法規的研究

　　碳捕集、利用與封存的技術研發示範在我國的規範管理仍處於起步階段，進一步發展需要解決的法律問題，借鑒歐盟委員會及其成員國對工業政策、環境影響、財政的相關規定，研究我國相關的政策法規體係。

　　3.構建CCUS 技術合作平台

　　CCUS 技術是不同行業技術間的係統集成和優化，並開展跨行業的全流程示範，構建CCUS 技術合作平台，集不同行業的技術優勢開拓合作共贏的局麵，促進行業間技術集成。

　　4.加大政府資金投入

　　加大政府資金投入力度，政府加大對新項目直接投資力度，對現已建有的項目追加投資，設立碳捕集、利用與封存專項資金等方式加大政府資金投入。

　　5.加強CCUS國際合作

　　加強CCUS 領域國際科技交流與合作，服務國內研發與示範。有針對性、務實地推進現有CCUS 領域雙邊和多邊合作，鼓勵示範項目企業間的經驗交流，充分利用國際資源和經驗服務國內研發與示範。

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