二氧化碳捕集研究進展及對策建議

徐文佳，王萬福，王文思

（中國石油安全環保技術研究院，北京 100085）

1 引言

全球極端天氣頻發，氣候變化問題備受關注。2010年全球化石能源溫室氣體排放已達306億t，較2002年的235億t大幅增長，新增排放主要來自發展中國家。氣候變化談判舉步維艱，我國面臨國際巨大減排壓力。我國政府提出，到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。“十二五”規劃進一步要求，單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降17%。2011年6月國家發改委提出設置重點行業能耗總量“天花板”。

石油和天然氣工業大約占全球CO2排放量的6%國際水平［1］。根據中科院研究成果，我國工業二氧化碳排放量中，石油加工、煉焦及核燃料加工業排第二位，占二氧化碳排放總量的比例為15.7%［2］。同時，石油行業還是我國能源結構調整的重要依托，因此我國石油石化行業大力發展低碳經濟具有重要現實意義和戰略意義。

CO2減排是一項系統工程。減排途徑包括節能、發展低碳能源（如核能和可再生能源等）、增加生物碳匯、CO2捕集和封存（CO2capture and storage，簡稱 CCS）等，其中CCS是應對氣候變化問題最具發展前景的解決方案之一［3］。根據經濟合作發展組織（OECD）和國際能源署（IEA）數據顯示，現有電廠二氧化碳年排放量約106億t，占全世界排放總量的40.6%，其中燃煤電廠76億t，占發電行業排放量的72%。因此，對電廠二氧化碳進行捕集是緩解二氧化碳排放危機的有效手段，同時還能通過回收有價值副產品而降低減排成本。在CCS過程中，CO2捕集技術成本高昂，是目前研究的重點，因此本文對目前國內外CO2捕集技術的研究進展進行總結和展望。

2 國內外二氧化碳捕集技術現狀

目前國內外CO2捕集主要有3條技術路線：燃燒前分離、燃燒后分離和富氧燃燒。

（1）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。

（2）燃燒后分離，這種技術較成熟，適合于燃煤電廠，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，因此下文中主要對此類技術詳細介紹。

（3）富氧燃燒，屬于改造技術，結合了燃燒前和燃燒后技術；用富氧空氣作為氧化劑能夠提高燃燒后氣體的CO2濃度，捕集起來更容易；但是所面臨的問題是制氧的能耗較高，另外還要對鍋爐進行改造。

以上3類技術的特點和發展現狀如表1所示。

表1 CCS捕集技術分類

現有電廠、煉廠等煙氣中CO2燃燒后捕集技術主要有溶劑吸收法、膜分離法、吸附法和低溫分離法。

溶劑吸收法又分為物理吸收法和化學吸收法。物理吸收法是以有機化合物作為溶劑，在高壓低溫下使CO2組分溶解于溶劑內，吸收CO2的溶劑又在低壓、高溫下釋放CO2，使溶劑恢復吸收能力，脫碳過程可循環操作，常用的物理吸收法有Flour法、Selexol法和低溫甲醇法。化學吸收法是利用一種含堿或堿性溶液來吸收天然氣中的酸性氣體，經過加熱再釋放出CO2，使吸收溶劑再生恢復活性。常用的吸收劑有兩大類：醇胺類和碳酸鉀復合溶液。目前國際上研究常壓二氧化碳捕集技術，大多采用吸收法捕集技術，包括加拿大雷吉納大學和日本三菱重工等多套實驗示范裝置，研究的主要方向是吸收溶劑的研發、捕集設備性能的提高和過程優化節能技術。另外，氨法是近幾年得到廣泛開發的CO2捕集技術［4］。氨法的CO2吸收分離原理與醇胺法相似，在水溶液中氨與CO2反應生成碳酸銨，過量的CO2則可生成碳酸氫銨。當煙氣中含有SO2和NOX時，氨水還可以與其反應生成硫酸銨和硝酸銨成為該工藝的副產品。阿爾斯通公司開發了基于氨的新工藝。氨水工藝與常規胺類相比，有3大優點：①蒸汽負荷小（500 BTU／磅二氧化碳）；②產生較濃縮的二氧化碳攜帶物；③較低的化學品成本。2011年5月，阿爾斯通電力宣布了美國電力公司Mountaineer電廠的冷氨碳捕集與封存驗證項目的成功運行。煙氣分流經過冷卻后與碳酸氨溶液混合接觸，溶液吸收二氧化碳生成碳酸氫氨，然后碳酸氫氨溶液在分離工藝中被加壓和加熱，從而安全有效地釋放出高純度的二氧化碳氣體。

膜分離是根據聚合物膜對不同氣體的相對滲透率不同而分離。當含雜質的天然氣通過膜分離器時，CO2先被選擇性地吸收到膜中，再擴散到低壓側形成滲透氣，沒有滲出的氣體作為保留氣體仍留在高壓側作為滲余氣，從而脫除CO2［5］。膜分離技術具有投資少、能耗低、設備緊湊、維修方便等優點，作為二氧化碳捕集技術受到普遍關注。雖然膜分離法具有裝置簡單、操作方便、能耗較低等優點，是當今世界上發展較迅速的一項二氧化碳捕集技術，但是其缺點是很難得到高純度的二氧化碳，為了得到高純度的二氧化碳，它必須與溶劑吸收法結合起來。前者用于粗分離，后者做精分離，工藝極其復雜。

吸附法屬于物理吸附法，根據吸附劑對CO2和CH4的選擇性吸附能力不同來脫除天然氣中的CO2。該工藝是以吸附劑在高壓（吸附壓力）下對吸附質的吸附容量大，而在低壓（解吸壓力）下吸附容量小的特征為依據，由選擇吸附和解吸再生兩個階段組成的交替切換循環工藝。變壓吸附法的優點在于工藝過程簡單、裝置操作彈性大、能耗低且無腐蝕和污染，主要用于合成氨等化工行業，但一直存在吸附劑選擇性和產品氣回收率不高的問題。變壓吸附法用于電廠、水泥廠等煙道氣中二氧化碳濃度較低的裝置中，成本比較高。因此，變壓吸附法脫碳的關鍵在于高效吸附劑的開發和選擇。

CO2低溫制冷捕集技術目前成本還比較高，此工藝基于冷卻和冷凝的分離原理。這種方法適用于含有高濃度CO2氣體的捕集，目前還沒有應用于有較低CO2濃度的氣體上。美國埃克森美孚石油公司投資1億美元研發能夠降低二氧化碳捕獲和儲藏成本的制冷技術，此項試驗已于2009年開始，預計持續10年以上。

脫碳除了物理化學方法之外，還有藻類、細菌和植物的生物方法。CO2在光生物反應器的微藻生物固定化的脫碳方面最近再受關注，但光照不足，會限制微生物的生長，因此會減少碳的脫除。化學自養微生物使用無機化學品代替光能進行脫碳已成功得到試用。

通過以上技術介紹，可以看出目前用于CO2捕集的技術有很多，如溶劑吸收法、吸附法、膜分離、CO2低溫制冷技術等，并各有優劣勢。其中，溶劑吸收法分離效果好，可得到高純度CO2，技術較成熟，易于實施。如進一步對高效捕集溶劑、高效吸收解吸傳質設備進行研發，捕集過程的模擬進行優化，有望實現二氧化碳捕集能耗的大幅度降低，有較好的工業應用前景。

3 國內二氧化碳捕集技術應用現狀

隨著CCS技術的興起，目前國內研究二氧化碳捕集的科研機構和公司越來越多，碳捕集研究越來越受到關注，并逐步開展試點和示范。2005年中國開始對CCS技術進行全面規劃部署，CCS技術被編入《國家中長期科技發展規劃綱要（2006～2020）》。目前國內已有的二氧化碳捕集裝置中，采用的捕集方法包括化學吸收法、變壓吸附法和富氧燃燒，其中以化學吸收法為主，包括華能北京高碑店熱電廠二氧化碳捕集示范工程、華能石洞口第二電廠碳捕獲、中石化勝利油田二氧化碳捕集驅油和中石油吉林油田二氧化碳捕集驅油；神華集團內蒙古自治區鄂爾多斯市二氧化碳捕集封存全流程項目是從煤制油生產線中變壓吸附法捕捉碳。各示范工程詳細情況如表2所示。

表2 國內碳捕集技術示范工程

由中國目前正在運行的二氧化碳捕集示范工程可以看出，電廠煙氣是CO2捕集主要的源頭，以燃燒后捕集方式為主。目前，制約我國碳捕集技術發展的問題主要有2個：一是從行業分布上，碳捕集技術的研究主體主要集中在油氣行業、煤炭行業和電力行業，行業間合作瓶頸難以突破。二是鑒于成本高等原因，年減排量在萬噸級別，與挪威國際石油公司Sleipner天然氣田CCS項目、位于阿爾及利亞的InSalah項目、加拿大Weyburn項目百萬噸的CO2減排量［9］相比還有一定差距。工業上的應用也主要是提高石油采收率。

4 對策與建議

中國政府已量化2020年的溫室氣體減排目標，可以預見中國石油石化行業未來將承擔相應的減排任務。開展溫室氣體直接減排二氧化碳捕集是解決全球氣候變暖問題的最具發展前景的解決方案之一，是企業應對國家減排要求的最有效手段。目前世界對此技術的研究仍都在起步階段，因此我國越早開展此工作的引導作用和社會效益就越大。不同于其他新興能源產業，因為CCS技術某種程度上可以看做化石能源燃燒的逆過程，傳統石油天然氣生產商在開發利用CCS技術方面具有先天優勢。因此中國石油石化行業應進行戰略部署，分步、分層次確立碳捕集技術的研發儲備和應用。

（1）促進國家CCS技術相關利好政策的出臺。CCS技術本身就是全球氣候變暖下各方尋求CO2減排解決方式的產物，因此相信CCS技術未來在世界范圍內將會有更多的利好政策出臺。由于捕集－封存一體化集成項目往往跨企業、跨行業，涉及技術領域眾多，資金需求量大，在我國沒有明確政策和規范的條件下，研究力量和投入不夠集中，國際化專家和人才少，行業間合作瓶頸難以突破。如果政府不能出臺鼓勵政策，與企業共擔風險，企業開展相關工作將缺乏動力和資金支持。建議國家進一步推出鼓勵CCS集成示范的補貼和稅收優惠，促進相關產業的發展和成熟，提高中國CCS產業的競爭力。

（2）重視國際合作和技術研發，降低高昂的成本。經濟效益是目前CCS技術發展的最大障礙。根據目前全球范圍內CCS試驗性項目的經濟數據分析［10］，二氧化碳捕集成本占CCS整個工藝流程的90%，約耗費50～90歐元／t CO2，并且還需增加10%～40%的能源消耗量。歐盟各國目前是CCS技術的領跑者和擁有者，至2015年，歐洲將開展10多個示范性先導項目，并在2020～2030年間，將該技術實現商業化。雖然目前CCS發展中尚存在著巨大的挑戰與不確定性，但是我國必須重視CCS的技術研發與國際合作，持續關注聯合國氣候變化會議的焦點，不斷追蹤最新CCS技術進展，適時開展國際合作，加強相關技術和裝備制造的國產化率，以期降低捕集成本，在國際外交和科技競爭中處于主動地位。

［1］Mckinsey.CO2abatement：Exploring potions for oil and natural gas companies，2009，11.

［2］國內首份行業二氧化碳排放量名單公布［R］.北京：中國環境保護產業協會.

［3］碳減排：美國倚重CCS技術［N］.中國化工報，2010－8－26.

［4］曾 慶，郭印誠，牛振祺，等.氨法捕集煙道氣二氧化碳的研究［C］／／中國金屬學會.2010年全國能源環保生產技術會議文集.九江：中國金屬學會，2010.

［5］蔡清峰，李有剛，張 林.膜技術用于CO2回收和捕集的研究進展。廣州化工，2010，38（9）.

［6］Huang Bin，Xu Shisen，Gao Shiwang，et.Industrial test and techno－economic analysis of CO2capture in Huaneng Beijing coalfired power station.Applied Energy，2010（87）：3347～3354.

［7］佚 名.全球最大的燃煤電廠碳捕獲項目落戶上海［J］.電力建設，2009（9）：95.

［8］吳秀章，崔永君.神華10萬t／a CO2鹽水層封存研究［J］.石油學報，2010，10（增刊）.

［9］張麗君.二氧化碳捕集與地下埋存國際進展［J］.國土資源情報，2007（11）：16～21.

［10］PROJECT INFORMATION DOSSIER：Lacq CO2Capture and Geological Storage Pilot Project，Total http：／／www.total.com／en／corporate－social－responsibility／special－reports／capture／lacq－pilot－stakeholderconsultation／carbon－dioxide－storage－total－lacq－＿14131.htm.