对于减排CO2的深层分析与评价

毛润晶， 孙旭丽， 孙浩晨， 王辰轩， 张 磊， 屈鑫旺

(太原理工大学化学化工学院，山西 太原 030024)

引 言

随着世界工业的快速发展，温室效应越来越严重。造成温室效应的气体有CO2，NOx，甲烷，氟氯代烃等30多种，而其中最主要的就是CO2，约占75%，因此，为了减少温室气体排放，人类社会正在不断地创新与使用各种各样的方法来控制日益增多的CO2，然而这些方法各有利弊。本文通过对目前几种比较典型的减排CO2的方法进行综合分析与评价，以提出一个合理有效和经济可行的方案。

1 碳捕集与封存

1.1 碳捕集技术

目前，可利用的碳捕集技术主要有燃烧前脱碳技术(pre-combustion)、燃烧后脱碳技术(post-combustion)和富氧燃烧脱碳技术(oxy-fuel firing)[1]。上述3种方式中燃烧后捕集技术相对成熟和简单，在实际应用中只需对原有电厂小幅度改造即可满足脱碳要求。燃烧后捕集技术一般有化学吸收法、物理吸收法、吸附分离法、膜分离法等[2]，当前国际上相对较成熟、应用最广泛的工艺技术是化学溶剂吸收再生法回收CO2，该技术已经应用在化学、石化领域很多年，适应性强，应用前景巨大。

1.2 CO2驱油与埋存技术

CO2驱油与封存技术是指将CO2注入油层使CO2与原油混相，降低原油黏度，在不断开采原油的过程中封存一部分CO2。CO2注入油层后，约有50%～60%被永久封存于地下，剩余40%～50%则随着油田伴生气返回地面，通过原油伴生气可将CO2捕获纯化回收，就地回注驱油，进一步降低CO2的驱油成本。在此过程中，既提高了原油采收率，达到增产的目的，又减少了CO2的排放，保护了大气环境[3]。

1.3 CCUS可行性分析

环境社会性分析：CCUS将燃煤电厂产生的大量CO2补集传输再用于驱油，在产生经济效益的同时，将大部分的CO2永久性的封存于地下，符合国家低碳经济的要求。CCUS技术在保护环境，促进国家经济健康稳定发展有重大的意义。

经济性分析：国内利用CO2驱油之后，采收率平均提高9%～10%，但由于CO2需要管道运输，所以CCUS技术的建设和运行成本较高，约为500元/t～600元/t。假设每吨CO2产油0.5 t，原油价格按照约3 000元/t(2018.3)，产生的效益就为1 500元/t，所以CCUS在经济效益方面是可行的，但前期设备投资较高，效益周期较长。

实际可用性分析：国内目前有胜利油田4×104t/a燃煤烟气CCUS全流程示范工程、中原油田炼厂尾气CCUS项目、草舍油田CCUS项目、腰英台油田CCUS项目等。平均采收率提高8%～9%，增收明显，环境效益好。

安全性分析：CO2地质封存存在诸多不确定性和潜在风险，CO2封存目标地层一般超过1 000 m深度，CO2注入后，使原油地层的岩石、地下水发生化学反应，并且持续的增加地壳空隙的压力，破坏原始地层的应力、温度、渗透压等物理化学平衡。产生的后果可能有：地表拱起，CO2沿断层泄露，酸化地下水而影响地质结构，诱发小型地震等。

1.4 对我国CCUS发展的建议

推动CCUS技术的研发与应用，对中国能源结构的改善以及环境的优化都将发挥极其重要的作用，也会进一步推动石油产业的发展、升级和创新。然而，CCUS作为一项应对气候变化的技术，涉及的技术环节复杂，其发展仍面临一系列社会和环境问题。所以国内应加快制定适合国内使用、符合CCUS发展规律的政策措施，同时加大技术研发与资金投入，促进CCUS技术的发展和应用。

2 海洋封存二氧化碳

2.1 CO2海洋封存技术

2.2.1 液态封存

1) 将CO2注入水下1 500 m处。此处为CO2具有浮力的临界深度，在此深度下CO2可以有效溶解扩散。

2) 使用垂直管道将CO2注入水下3 000 m处。由于液态CO2的密度大于海水且难溶解，因此沉入海底成CO2液态湖[4]。

此方法最主要技术在于如何防止CO2和海水形成大量碳酸。实验发现在液体二氧化碳存在的情况下，二氧化碳水合物的形成是迅速且稳定的。水合物最先在液体二氧化碳和水的界面处形成一薄膜层，阻碍了液体二氧化碳向水一侧的扩散，从而阻止了水合物的进一步生长；同时，与水接触的水合物会部分溶解形成饱和二氧化碳水溶液，正好阻止了二氧化碳分子向水侧的扩散，有利于液态二氧化碳的长期保存也减少了碳酸的形成对海洋环境的影响[5]。

2.2.2 固态封存

1) 海水与二氧化碳气体生成的二氧化碳水合物密度大于海水的密度，因此会沉积到海底以固态形式储存起来[6]。

2) 将二氧化碳以固态形式直接投放到海水中，由于固体二氧化碳密度高且热传递差等特点，绝大部分固体二氧化碳可沉入海底。

2.2 海洋封存二氧化碳推荐方案

用二氧化碳置换出天然气水合物中的天然气并形成二氧化碳水合物。

一方面，把空气中或者工业生产中产生的二氧化碳气体注入到天然气水合物储层中，把二氧化碳以水合物的形式储存在海底，有效减缓二氧化碳的温室效应；另一方面，在得到甲烷的同时，二氧化碳置换甲烷过程中可以完整地保存水合物沉积层，避免因为水合物的开采而引起的海洋地质灾害[7]。

3 CO2化工转化

CO2是含碳化合物的最终氧化物，其分子相当稳定，很难被活化，需要在特定的反应条件与催化剂的催化下才能进行反应。近年来，对CO2在催化反应方面的研究成果颇丰，一方面不断完善和发展传统大宗化工产品，如CO2合成尿素、碳酸氢铵、水杨酸等；另一方面也有部分已初具规模的反应投入试生产，如CO2催化氢化合成甲烷、甲醇、甲酸以及其他酯类等。

3.1 几种CO2转化反应工艺

3.1.1 CO2制无机化工产品

著名的侯德榜制碱法以CO2等为原料，生产的化学品相关技术已经成熟，但从产品总量来看，CO2用量非常有限，形成不了CO2减排的规模化[8]。

3.1.2 CO2制尿素

作为当下最大最成熟的CO2固定反应，工业上固定CO2大多从此方面入手进行，由于近年来对CO2固定的需求量持续增加，导致尿素产品与产能的大量过剩，使国内尿素市场一直处于低开工状态。数据显示截至2015年底，我国尿素名义年产能约8 800万t，2015年国内需求约5 500万t，不计出口所消耗的尿素，粗略来看产能过剩已超3 000万t；据统计，2017年全国尿素产量已低至4 930万t左右，而2017年全年需求量在4 578万t左右，虽然供应过剩的危机得到了大幅缓解，但固定CO2量也随之锐减，显然以增加尿素产量为突破口解决CO2问题是不现实的。

3.1.3 CO2的催化氢化

CO2催化氢化即在一定条件下CO2和H2或其他供氢体发生还原反应并生成甲烷、甲醇、甲酸等化合物的过程。CO2转化率较高，反应耗能较低，另外CO2还可以和许多有机物进行羧化反应生成羧基或酯基产物，现已工业化生产的有尿素和水杨酸等。通过CO2催化氢化将其转化为能被工业广泛利用的有机物将是以后的研究热点。

3.2 影响

CO2化学转化更多投入的应是在新型工业的研究与可行性优化方面——生产有机产品如合成酯等方面能量利用较为有利，产品的生产方向与利用途径也十分广阔，因此有机合成必将成为化工上解决CO2问题的关键方向。由于有机合成的复杂性与多样性，催化剂的选取与制备势必成为CO2问题的核心问题。

另一方面，化工生产过程中消耗的CO2是否确实降低了碳排放，是否降低了大气与环境中CO2含量与浓度也是一项值得思考的问题。在化工生产过程中虽不乏像制尿素直接从排放源头采集CO2加以利用，但更多的生产过程则是由其他途径产生了CO2，这反而增加了CO2排放的负担，因此在固定CO2方面主要的研究方向应放在如何将作为副产品的CO2加以利用才是真正的绿色与环保，才能真正做到治理CO2。

4 节能降耗

中国作为一个大国，化石能源的消耗对我国的经济发展和综合国力的提高起到了重要的作用，能源对经济增长的贡献仅次于资本，远高于劳动力要素[9]，近几年的化石能源消耗总量如表1所示(以近十年为准)。

表1 我国近几年的化石能源消耗情况

(数据来源：中华人民共和国国家统计局、新浪财经、中商情报网)

我国近几年二氧化碳排放量如表2所示。

表2 我国近几年二氧化碳排放量

(数据来源：中华人民共和国国家统计局)

从上表可以看出，我国的碳排放在2008年～2013年呈逐年增长的趋势，在2013年达到了峰值，此后呈现逐年下降的趋势，我国实现了经济新常态和能源转型，由原来大量使用煤炭转为使用更为清洁的电力来源，如水能和风能以及核能[10]。而我国也由煤炭独大，将逐步进入煤炭、油气和新能源三足鼎立的新时代[11]，我国2016年全年能源消费总量比2015年增长1.4%，煤炭消费量下降4.7%，原油消费量增长5.5%，天然气消费量增长8%，电力消费量增长5%。煤炭消费量占能源消费总量的62%，比2015年下降2%，在2017年，煤炭在中国能源消费结构的比重又下降至60.4%。中国承诺到2020年将煤炭消费减少到总能源消耗的58%以下。

我国电力最主要的来源是火力发电，而火力发电最直接的能源就是煤炭，由于火力发电使用的煤炭数量非常庞大，因此也会产生大量的温室气体和有害气体，近几年清洁能源使用和火力发电相比较的情况如表3所示。

表3 近几年各种能源发电量比较 kW·h

(数据来源：国家统计局、国家国防科技工业局、中国产业信息网)

由于我国主要的化石能源资源是煤炭，主要还是采用燃煤发电，虽然风力、水力、和核能发电近些年也得到了快速发展，但这几种方式还远远不能满足我国发电量的需求，所以需要充分利用其他电源的调节能力，增大可再生能源的开发规模。发展可再生能源是应对全球气候变化的重要策略。

5 评估比较

为了更好地做出一个对国家及各生产部门有用的评估指导，按照五个方面的影响制定出以下评分标准并对四种二氧化碳减排方法加以评价(每个指标10分)，列于第156页表4。

环境性：第一，短期内对环境造成影响的剧烈程度；第二，对环境造成的危害；第三，对未来生态环境可预估的风险。

经济性：第一，前期投入成本；第二，成本回收周期；第三，权衡短期与长期两方面的经济效益。

社会性：第一，社会的接受程度；第二，对社会创造的就业机会。

实际可用性：第一，实际可操作性与大规模投产程度；第二，技术成熟度；第三，可承受的来自各方面的风险程度。

安全性：第一，生产过程中对操作者的危害程度；第二，对人类社会造成的物理冲击程度；第三，在不可抗力影响下的稳定程度。

表4 四种方法的评估结果

6 结语

控制CO2气体排放，减缓气候变化是我国响应联合国号召，做一个负责任的大国，实施可持续发展战略的重要组成部分。从评估结果来看，化工转化CO2产生的经济效益虽最高，但目前只是停留在实验室阶段而未真正投入生产，而且在这一过程中可能产生新的CO2，反而增加了CO2排放的负担，而新能源的使用大大降低了CO2的排放量，除了有较高的成本之外，其他方面优势较为明显，因此节能减排才是控制CO2的最好方法。