中國碳捕集、利用與封存技術研發與示范

仲 平 彭斯震 賈 莉 張九天

(中國21世紀議程管理中心，北京100038)

中國碳捕集、利用與封存技術研發與示范

仲 平 彭斯震 賈 莉 張九天

(中國21世紀議程管理中心，北京100038)

碳捕集、利用與封存(CCUS)是一項新興的、具有大規模減排潛力的技術，有望實現化石能源使用的CO2近零排放，被認為是進行溫室氣體深度減排最重要的技術路徑之一。開展CCUS技術的研發和儲備，將為中國未來溫室氣體減排提供一種重要的戰略性技術選擇，受到政府、企業和學術界的廣泛關注。本文從CCUS技術產生和發展的背景出發，概括了該技術的特點及存在的主要問題，總結了當前中國CCUS技術政策，介紹了中國CCUS技術研發、試點示范、國際合作等的開展情況，并通過與歐美等發達國家CCUS技術發展與示范活動現狀的對比，初步分析了中國CCUS技術發展方面存在的主要不足。為進一步推動我國CCUS技術的研發與示范，文章提出應加強國家層面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技術合作平臺;重視CCUS未來技術應用軟環境建設等有針對性的建議。

碳捕集與封存(CCS);碳捕集、利用與封存(CCUS);CO2減排技術;應對氣候變化

以氣候變化為核心的全球環境問題日益嚴重，已經成為威脅人類可持續發展的重要挑戰。根據政府間氣候變化委員會第4次評估報告(IPCC AR4)結論，全球地表平均溫度近百年來(1906－2005年)升高了0．74℃，主要是由于化石燃料燃燒和土地利用變化等人類活動排放的溫室氣體(主要包括CO2、CH4和N2O等)導致大氣中溫室氣體濃度增加所引起的［1－2］。情景研究預測，到本世紀末，大氣中溫室氣體的濃度將增加1倍，全球平均溫度仍將上升1．1 －6．4℃，海平面可能上升 0．6m［1－2］。為避免對氣候系統造成不可逆轉的不利影響，必須采取措施減少和控制溫室氣體的產生和排放。削減以CO2為主的溫室氣體排放已成為當今國際社會關注的熱點。碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，CCS)技術作為是一項新興的、具有大規模減排潛力的技術，有望實現化石能源使用的CO2近零排放，被認為是進行溫室氣體深度減排最重要的技術路徑之一。近年來，為促進該技術的發展與應用，歐盟、美國、澳大利亞等發達國家均已啟動大規模的計劃推動CCS技術的研發與示范，并在8國集團(G8)、20國集團(G20)、碳收集領導人論壇(CSLF)等框架下積極推動CCS在全球范圍的發展［3］。中國能耗總量大，能源結構以煤為主的現實在未來將長期存在，在溫室氣體減排問題上也將面臨越來越大的壓力。開展CCS技術的研發和儲備，將為中國未來溫室氣體減排提供一種重要的戰略性技術選擇。為積極應對氣候變化，增強控制溫室氣體排放技術能力，中國對CCS技術給予了積極的關注和高度重視，政府、科研機構和企業從不同的層面圍繞該技術領域開展了大量的工作。

1 碳捕集、利用與封存技術及其特點

CCS技術是指將CO2從電廠等工業或其他排放源分離，經富集、壓縮并運輸到特定地點，注入儲層封存以實現被捕集的CO2與大氣長期分離的技術［4－5］。CCS是一項系統技術，包括CO2捕集技術、運輸技術和封存技術的系統集成，主要應用對象為大規模的CO2排放點源，包括電廠、煤化工廠等。根據排放源類型的不同，捕集技術分為燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集，分別用于傳統燃煤電廠、IGCC電廠和富氧燃燒系統。運輸可采用槽車、船舶、管道等方式。封存方式包括地質封存與海洋封存，地質封存可在深層咸水層、油氣藏和深層煤層中進行。

CO2是工業活動的必然產物，對其進行捕集和封存在經濟效益上是純耗費的行為，如能加以資源化利用，可創造額外的經濟和環境效益。為此，我國格外關注創新型CO2資源化利用技術的研發，提出系統發展碳捕集、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技術，并在國際社會產生了一定影響。2010年7月，主要經濟體能源安全與氣候變化論壇(MEF)成立了CCUS工作組，以推動CCUS技術在全球層面的研發、示范與推廣。

CCUS技術是一項具有戰略意義的新興溫室氣體控制技術，總體上尚處于研發和示范階段，目前仍存在許多制約其發展的突出問題［6－7］，主要包括:①高能耗，以電廠燃燒前捕集系統為例，在目前的技術水平下低濃度CO2的捕集、分離、提純將降低整個電廠發電效率約20%，此外運輸、注入等環節也均需消耗能量;②高成本，高能耗勢必帶來高成本，目前技術水平下CO2捕集成本約13－51美元，約占全流程成本80%左右;③可持續發展效益不顯著，除實現控制CO2排放外，沒有其他方面的經濟、環境效益，額外的能源消耗還可能釋放更多的氮氧化物、硫化物和顆粒物等常規環境污染物;④長期封存的安全性和可靠性存在風險，封存的CO2若發生泄漏可能危害人體健康、影響當地生態系統，進行CO2封存還可能污染地下水，甚至可能誘發地震。因此，加強技術研發和示范以解決這些問題是現階段推動該技術發展的重點。

2 中國CCUS技術政策

為引導和推動該技術的發展，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006－2020年)》在先進能源技術重點研究領域提出了“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”;《中國應對氣候變化科技專項行動》明確將CO2捕集、利用與封存技術開發作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的重要任務之一;《中國應對氣候變化國家方案》將CCUS等煤清潔高效開發與利用技術的開發列為我國溫室氣體減排領域的重點工作之一。

“十一五”期間，國家重點基礎研究發展(973)計劃、國家高技術研究發展(863)計劃等支持對CO2捕集、資源化利用與封存相關科學理論、關鍵技術等展開研究，旨在加強技術創新，促進能耗和成本降低，深化和拓展CO2資源化利用途徑，提高其可持續發展效益。“973”計劃“十一五”期間安排了“溫室氣體提高石油采收率的資源化利用及地下埋存”項目，圍繞適合中國地質特點的CO2埋存標準制訂及應用潛力評價;CO2地下埋存的地質學理論;CO2地下埋存的監測和前緣預測技術;注CO2提高原油采收率的多相多組分相態理論;CO2驅替過程中多相多組分非線性滲流機理和規律;O2/CO2循環燃燒及污染物的協同脫除;燃煤CO2分離與富集;CO2防腐、結垢等工程技術與方法等展開研究。“863”計劃資源環境技術領域在“十一五”期間安排了“二氧化碳的捕集與封存技術”重點項目，研發吸附、吸收等CO2捕集技術，探索CO2封存技術。項目包括3個課題，分別圍繞新型高效吸收溶劑、特大型吸收設備強化和過程優化;新型高效吸附材料的制備篩選和基礎物性、吸附分離過程優化;咸水層封存能力評價、安全性以及封存效果監測開展具體的研發與示范工作。

3 中國CCUS技術研發與示范

與國外發達國家相比，我國CCUS技術研發工作起步較晚，但近年來發展迅速。在國家相關科技政策的引導下，一些國內高校、研究院所、企業等已經圍繞CO2封存、利用和埋存開展了許多具體的研究和示范工作，在部分技術領域，技術水平、示范規模及運行效果甚至已經走在世界前列。在全流程CCUS技術整合與示范方面，部分國內企業也已開始行動，一些工業級試驗和示范正在開展。

3．1 CO2捕集技術研發與示范

目前，我國專門圍繞CO2捕集技術開展的研發與示范活動主要集中在燃燒后和富氧燃燒，這是因為燃燒前捕集技術研發要以IGCC發電系統為基礎，而我國IGCC發電系統目前仍處于研發階段。當前我國主要的CO2捕集技術示范活動的基本情況見表1。

3．2 CO2資源化利用技術研發與示范

CO2是一種重要的工業氣體，可以被廣泛用于制造碳酸飲料、煙絲膨化處理、金屬保護焊接、合成有機化合物、滅火、制冷，也可用于強化石油開采(Enhanced Oil Recovery，EOR)和強化煤層氣開采(Enhanced Coal-bed Methane Recovery，ECBM)。以EOR為例，初步測算，若在我國全面推廣CO2驅油與封存技術，可增加原油的可采儲量約3．5億t，相當于新發現一個11億t儲量的大油田，應用前景廣闊［8］。目前，中國企業在EOR、ECBM、微藻生物能源、化工合成等領域都開展了初步的研發和示范工作，具體見表2。

3．3 CO2封存相關研究

3．3．1 中國CO2地質封存潛力初步評價

2009年，中國地質調查局制定了“中國二氧化碳儲存地質潛力調查評價實施綱要”。同年，國土資源部將CO2地質儲存調查評價納入《地質礦產保障工程實施方案(2010－2020年)》地質基礎支撐計劃內的全球變化調查監測與評價和地下空間資源調查之中。目前，《中國二氧化碳地質儲存潛力評價與示范工程》正式立項啟動，旨在開展中國主要沉積盆地CO2地質儲存潛力調查，進行適宜性評價分區，圈定一批CO2地質儲存適宜靶區;以沉積盆地為單元編制CO2地質儲存適宜性評價圖集與1∶500萬CO2地質儲存適宜性評價成果圖系。同時，擬與有關企業聯合開展CO2地質儲存示范工程。

此外，清華大學、中科院巖土力學所等高校和研究機構對于源匯特征進行了研究，并對一些省份進行了源匯匹配分析。

3．3．2 CO2地質封存相關研究

近年來，中科院地質與地球物理研究所、中國科學院武漢巖土力學研究所、清華大學、北京大學、華中科技大學等高校和研究機構對于CO2鹽水層封存過程中CO2在鹽水層中的運移規律、化學反應、固化機理以及鹽水層中CO2注入技術、封存控制技術等進行了初步研究。

3．4 全流程CCUS技術整合與示范

作為一項系統性技術，CCUS技術的成熟以捕集、運輸和埋存等各個環節技術的成熟和系統集成為基礎。目前，國內已有數個不同規模和路線的全流程CCUS示范正在開展或籌備，具體見表3。

3．5 CCUS相關國際科技合作

CCUS技術相關領域也成為我國近年對外科技合作的熱點。在多邊或雙邊的合作框架下，國內高校、科研機構、企業與歐盟、澳大利亞、意大利、日本、美國等相關機構開展了廣泛的科技交流與合作。

比較有代表性的合作包括:碳收集領導人論壇(CSLF)、全球CCS研究院(GCCSI)多邊框架下的交流與合作;中歐氣候變化合作框架下的中歐/中英煤炭利用近零排放合作項目(NZEC)，包括中歐碳捕集與封存合作(COACH)和碳捕集與封存政策法規研究(STRACO2)等;亞太清潔發展和氣候伙伴關系(APP)框架下的中澳CO2地質封存合作項目，以及中意CCS技術合作項目等。通過這些國際合作，不僅加強了中國相關科研機構和企業的能力建設，形成了中國在CCUS領域的核心研究團隊，同時圍繞捕集技術選擇、技術經濟性評價、封存潛力評估、源匯匹配等開展了探索性的研究工作。

表1 我國CO2捕集研發與示范活動Tab．1 CO2 capture research and pilot activities in China

表2 我國CO2資源化利用研發與示范活動Tab．2 CO2 utilization research and pilot activities in China

表3 我國全流程CCUS技術集成與示范活動Tab．3 Full chain CCUS integration and pilot activities in China

4 進一步推動我國CCUS技術發展的建議

盡管起步較晚，我國CCUS技術在近些年來取得了長足發展，成功地開展了工業級的CO2捕集示范，并在CO2利用等技術環節形成了有自主知識產權的技術，形成自身的技術特點。但是，對比歐、美、澳等發達國家，我們尚存在一些明顯不足［6－7］，為進一步推動我國CCUS技術的發展，提出以下幾點建議:

(1)加強國家層面對CCUS技術發展的政策指導和宏觀協調，引導資源有效配置。近年來，國際能源署(IEA)、碳收集領導人論壇(CSLF)、全球CCS研究院(GCCSI)等國際機構或國際合作平臺，以及美國、加拿大、澳大利亞、英國等國家發布了多個全球或國家層面的CCS技術發展路線圖(Technology Roadmap)［3，7，9］。一方面明確未來 CCUS 技術發展重點和關鍵環節，引導資源有效配置;另一方面從系統層面安排部署重大項目計劃，確保資源的有效使用。而我國目前還缺少國家層面針對CCUS技術的系統性技術政策，鑒于此，我國也應適時發布CCUS技術發展規劃(或路線圖)，明確我國發展CCUS技術的定位、目標、重點研究方向和重點任務。

(2)加快推進跨行業的CCUS技術合作平臺建設，促進行業間技術集成。為推動CCUS技術的發展，無論是歐盟的CCS旗艦計劃(Flagship Program)，美國的未來發電計劃(FutureGen)，還是澳大利亞的ZeroGen計劃，均建立了包括電企、油企、研究機構在內的跨行業合作平臺，比如歐盟的零排放技術合作聯盟(Zero Emission Platform，ZEP)、美國區域CCS伙伴計劃等，在技術研發、經驗共享等方面取得了良好的效果。CCUS技術的發展需要原屬于不同行業技術間的系統集成和優化，并開展跨行業的全流程示范，而我國目前尚缺少行業間合作平臺，示范項目往往側重于單個技術環節。因此，中國也應盡早推動建立類似的合作平臺，集不同行業的技術優勢開拓合作共贏的局面。

(3)加強對CCUS技術示范與應用“支撐環境”的研究和能力建設。作為一項系統型技術，CCUS涉及眾多非技術環節。一方面，封存場地選址、CO2監測和長期安全管理等均需要全面細致的技術標準和相應的管理規范［6－7，10］;另一方面，相關管理和審批涉及多個部門，有關CO2的長期監測及安全管理等也均屬新鮮“事物”，健全的法律法規體系是順利開展CCUS的有利條件。此外，公眾了解和接受也是開展CO2封存的前提條件。中國現階段研發與示范工作均專注于“硬技術”，對于CCUS技術未來應用的軟環境建設明顯缺失。盡管我國目前階段對CCUS技術的定位僅為戰略性技術儲備，但這些“軟”技術方面的工作也必須及早開展。

致謝:中國石油天然氣集團公司、中國石油化工集團公司、中國華能集團公司、中國電力投資集團公司、中國國電集團公司、中國神華集團公司、中聯煤層氣公司、新奧集團、江蘇中科金龍化工股份有限公司、清華大學、華中科技大學、中科院地質與地球物理研究所、中科院巖土力學研究所等單位和有關專家提供了關于CCUS相關研究和示范活動信息，在此一并致謝。

(編輯:劉照勝)

References)

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［2］IPCC．Climate Change 2007:Synthesis Report［M］．Geneva，Switzerland，2007:1－22，44－54．

［3］IEA．Carbon Capture and Storage:Progress and Next Steps(IEA/CSLF Report to the Muskoka 2010 G8 Summit)［R］．http://www．iea．org/papers/2010/ccs_g8．pdf［2010 －11 －05］．

［4］吳宗鑫，王偉中，陳文穎．CO2收集封存戰略及其對我國遠期減緩CO2排放的潛在作用［J］．環境科學，2007，(6):1178－1182．［Wu Zongxin，Wang Weizhong，Chen Wenying．CO2Capture and Storage Development Strategy and Long-term Implication to Mitigation in China［J］．Environmental Science，2007，(6):1178 －1182．］

［5］IPCC．IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage［M］．Cambridge，Cambridge University Press，2005:54．

［6］鄒樂樂，張九天，魏一鳴．二氧化碳封存技術相關國際法規與政策的回顧與分析［J］．能源與環境，2010，32(4):15－18．［Zou Lele， Zhang Jiutian， Wei Yiming．Review and Analysis of International Regulations and Policies on CCS Technology ［J］．Energy and Environment，2010，32(4):15 －18．］

［7］氣候組織．CCS在中國:現狀、挑戰和機遇［R］．http://www．theclimategroup．org．cn/publications/2011 －03 －25．［The Climate Group．CCS in China:Towards Market Transformation［R］．http://www．theclimategroup．org．cn/publications［2011 －03 －25］．］

［8］沈平平，江懷有．溫室氣體提高采收率的資源化利用及地下封存［J］．中國工程科學，2009，11(5):54－59．［Shen Pingping，Jiang Huaiyou．Utilization of CO2to Enhance Oil Recovery and Storage［J］．Chinese Engineering Science，2009，11(5):54 －59．］

［9］NETL．Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan［R］．http://www．netl．doe．gov/technologies/carbon_seq/refshelf/project%20portfolio/2007/2007roadmap．pdf［2011 －03 －28］．

［10］EC．Directive of the European Parliament and of the Council on the Geological Storage of Carbon Dioxide and Amending Council Directives85/337/EEC，96/61/EC，Directives2000/60/EC，2001/80/EC，2004/35/EC，2006/12/EC and Regulation(EC)no 1013/2006［O］．European Commission，2008．

Development of Carbon Capture，Utilization and Storage(CCUS)Technology in China

ZHONG Ping PENG Si-zhen JIA Li ZHANG Jiu-tian
(The Administrative Centre for China’s Agenda 21，Beijing 100038，China)

Carbon capture，utilization and storage(CCUS)technology，widely acknowledged as an advanced technology that can reduce CO2emission in large scale，has been expected to realize the near zero emission of fossil fuel use．The technology has been considered one of themost important technical paths for deep cut of CO2emissions．In China，CCUS technology is also considered as an important strategic choice for emission reduction，and therefore draws extensive attention from various stakeholders including government，industry and academia．This paper summarizes the policies in China regarding the developmentof CCUS technology，and introduces the overall status of the CCUS R＆D＆D(research and development and demonstration)activities in China，as well as international cooperation on CCUS．The paper also compared the development of CCUS technology in China with CCS technical development in EU，the U．S．and other advanced developed countries，and puts forward some helpful near-term recommendations:develop national policy to guide and coordinate the developmentof CCUS technology，and better allocate resources;promote inter-sector cooperation on CCUS technology R＆D by establishing industrial cooperation platform;underscore the importance of research on supporting environment of CCUS technology development and application，so called non-technical issues．

carbon capture and storage(CCS);carbon capture，utilization and storage(CCUS);CO2mitigation technology;climate change

X51/G3.1

A

1002－2104(2011)12－0041－05

10．3969/j．issn．1002－2104．2011．12．007

2011－08－18

仲平，助理研究員，主要研究方向為環境政策和科技管理。

張九天，博士，副研究員，主要研究方向為應對氣候變化戰略與科技管理。

“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“我國應對全球環境變化的科技戰略研究”(編號:2007BAC03A12－5)。