二氧化碳捕集、封存与利用技术应用状况*

肖筱瑜，谷娟平，梁文寿，余 谦，唐名富

(1 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004；2 广西环境治理工程技术研究中心，广西 桂林 541004；3 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；4 广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004)

二氧化碳是包括人类在内的所有生命活动中不可缺少的基本碳资源，它也是一种温室气体[1]。全世界每年向大气中排放二氧化碳340亿t以上，其中海洋生态系统吸收约20亿t，陆地生态系统吸收约7亿t，而人工利用量不足10亿t[2]。中国2019年能源消费总量为48.6亿吨标准煤[3]，中国能源相关二氧化碳排放(以下简称“碳排放”)2019年总量达到98亿吨，位居全球第一[4]。习近平主席于2020年9月22日对全世界做出了中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的承诺[5]。因此，实现二氧化碳减排已成为大家的共识。大规模减排二氧化碳的主要措施有：(1)节能减排(通过提高能源利用效率，减少用能来减排CO2)；(2)使用低碳或无碳能源，如核能、水能、可再生能源等；(3)二氧化碳捕集与封存(CCS)，即把化石燃料产生的二氧化碳捕集起来，通过地质封存等方式来实现与大气的长时间隔绝[6]。二氧化碳捕集与封存技术(CCS)可捕获排放源中的二氧化碳，然后将其永久性储存在合适的地质场所，将在应对气候变化的过程中带来巨大改变。该技术能够从源头上避免二氧化碳排放，并能通过二氧化碳移除技术大规模地减少大气中已有的二氧化碳[7]。碳捕集的高成本(20～120美元/t)和地质埋存的高生态环境风险是阻碍CCS大规模应用的瓶颈[8]，促使学者们把研究的重点集中在碳捕获和利用(CCUS)。国际能源署(IEA)曾表示，要实现升温不超过2 ℃的目标，CCUS技术需要在2015-2020年贡献全球碳减排总量的13%。目前，碳减排主要通过CO2捕获、储存、利用和转化为产品[9]。

1 二氧化碳捕集、封存与利用技术研究进展

1.1 二氧化碳捕集技术

CO2的捕集主要可分为生物法、物理法和化学吸收法。

生物法吸收：最初，植物的光合作用是吸收CO2的主要手段。后来，学者们研究了藻类对CO2的捕集，并研究了CO2封存同步修复废水[10]。

物理法吸收：根据CO2在溶液中的溶解度随压力改变来吸收或解吸。CO2物理吸收法的吸收剂主要有水、甲醇、碳酸丙烯酯等溶液。物理吸收法大多在低温高压下进行，具有吸收气体量大、吸收剂再生不需要加热、不腐蚀设备等优点。主要有膜分离法、催化燃烧法、变压吸附法(PSA)[7]。

化学法吸收：CO2化学吸收法具备选择性好、吸收效率高、能耗及投资成本较低等优点，目前，90%的脱碳技术都是采用该法[11]。典型的化学溶剂吸收法有：氨吸收法、热钾碱法及有机胺法等，其中有机胺法效果最佳[12]。

CO2捕集的技术路线主要有三类：燃烧后脱碳、燃烧前脱碳(工业分离)、富氧燃烧脱碳[6]。

1.2 二氧化碳封存与利用技术

目前，CO2的封存方式主要有强化石油开采(EOR)、强化煤层气开采(ECBM)、深部盐水层封存、海洋封存及矿物碳酸化固定等[13-14]。利用富含镁、钙等人类所需资源的天然矿物或工业废料与CO2反应，将CO2矿物碳酸化固定，同时联产高附加值的化工产品，是CO2利用的新途径[15]。利用富含Mg2+/Ca2+的海水固定CO2的同时还能解决海水淡化厂的海水预处理或卤水废弃物问题[16]。

2 碳捕集、封存与利用技术应用状况

2.1 碳捕集、封存与利用能力建设

为推动CCUS技术发展，国内外政府、企业和非盈利机构通过知识共享促进CCUS的能力建设。由澳大利亚政府资助发起的全球碳捕集与封存研究院(GCCSI)，是CCUS知识分享的国际智库；加拿大的国际CCS知识共享中心(International CCS Knowledge Centre)是必和必拓(BHP)和萨省电力(SaskPower)支持下，在2016年设立的非盈利机构，该中心积极分享CCUS项目信息。在日本政府支持下，37家企业在2008年设立日本CCS合资公司(JCCS)，来进行日本CCS项目的开发，有利于政府公共资源实现创新效益在全行业共享，避免重复建设[17]。

2.2 碳捕集、封存与利用应用状况[7]

根据《全球碳捕集与封存现状2020》[7]的统计，总计有 65个商业CCS设施：26个正在运行，2个已暂停运行，3个在建项目，13个处于高级开发阶段，21个处于开发早期。另有34个试点和示范规模的CCS设施正在运行或开发中，还有8个CCS技术测试中心。

已经投入运行的28个CCS设施中，美国有14个，加拿大4个，挪威3个，中国2个，澳大利亚、阿联酋、巴西、沙特阿拉伯和卡塔尔各1个。应用行业主要集中在天然气(13个)、化工生产(包括甲醇、乙醇生产，5个)、化肥生产(4个)、制氢(2个)、发电(2个)、钢铁制造(1个)和石油精炼(1个)行业。CO2的捕集类型主要是工业分离(27个)和燃烧后捕集 (1个)。封存类型主要有强化石油开采(EOR)和专用地质封存两类：采用EOR的有22个，采用专用地质封存的有5个，有 1个兼及EOR和地质封存。目前运行中的CCS设施每年可捕集和永久封存约3844万吨二氧化碳。

在建、高级开发和早期开发阶段的37个商业CCS设施，美国有19个，英国7个，中国3个，挪威2个，澳大利亚、阿联酋、韩国、荷兰、新西兰和爱尔兰各1个。应用行业主要集中在发电(18个)、化工生产(包括乙醇生产，8个)、制氢(3个)、天然气(2个)、水泥制造(2个)、化肥生产(1个)、垃圾焚烧(1个)、石油精炼(1个)和空气捕集(1个)。CO2的捕集类型主要是工业分离(22个)和燃烧后捕集(12个)，富氧燃烧捕集只有2个，还有1个在评估中。封存类型主要有强化石油开采(EOR)和专用地质封存两类：采用EOR的有9个，采用专用地质封存的有22个，有6个的封存类型尚在评估中。目前在建、拟建的CCS设施每年可捕集和永久封存约7491万吨二氧化碳。

从表1可以看出，美国已建成投产的CCS设施数量占全世界在建、拟建的50.0%，美国在建、拟建的CCS设施数量占全世界已建成的51.4%，整体数量占全世界已建成的50.8%。说明目前世界上的CCS设施建设主要集中在美国。

表1 CCS设施建设状态及分布表

表2 CCS设施应用行业及建设规模分布表 单位：Mtpa

美国已建成投产的CCS设施产能占全世界已建成的57.1%，美国在建、拟建的CCS设施产能占全世界已在建、拟建的53.9%，整体产能占全球已建成的55.0%，目前全球的CCS设施产能主要集中在美国。在已投产的CCS设施中，主要用于天然气行业，占所有产能的76.4%，其次是制氢(5.7%)；在建、拟建的CCS设施主要用于发电行业，占所有产能的66.0%，其次是化工生产(11.8%)；并且新增了水泥生产行业、垃圾焚烧行业和空气捕集方面的应用。

已建的CCS设施的CO2的捕集类型主要是工业分离(96.4%)和燃烧后捕集(3.6%)；在建、拟建的CCS设施的CO2的捕集类型依然主要是工业分离(59.6%)、燃烧后捕集(32.4%)，但增加了富氧燃烧捕集(5.4%)，还有1个的捕集类型在评估中，有可能采用新的捕集方式；已建的CCS设施的CO2的封存类型主要是EOR(80.4%)和专用地质封存(19.6%)；在建、拟建的CCS设施的CO2的捕集类型依然主要是EOR(24.3%)和专用地质封存(59.6%)，但重心已由EOR转向了专用地质封存，且有6个的封存类型尚在评估中，有可能采用新的封存类型。

从1972年第一个CCS设施投运，到2020年统计截止时，全球投运的CCS设施每年可捕集和封存约3844万吨CO2，预计在2030前投运的在建、拟建CCS设施每年可捕集和封存约7491万吨CO2。

3 结 语

我们既要控制碳排放、又要保经济增长，在此基础上要实现碳达峰值目标，面临着巨大的挑战。国内外学者已经进行了大量碳捕集、封存与利用的相关研究，也取得了很多成果，但目前能大规模进行工业应用的主要集中在天然气处理、发电、化肥生产、化工生产、制氢、钢铁制造和石油精炼等行业，主要还是对CO2的捕集和封存，未见对其进行大规模工业化利用的实际案例。我国碳排放交易8大重点行业(石化、化工、钢铁、电力、建材、有色、造纸、航空)中的建材、钢铁、有色、造纸、航空行业均无实际应用案例，主要还是存在技术与经济可行性的问题。需要广大学者加快降低二氧化碳捕集、封存和利用的成本研究，尽快实现二氧化碳捕集、封存和利用产业化，形成碳捕集、碳利用产业链，达到碳达峰和经济增长双赢的目标。