魏寧：為CO2減排深情躬耕

本刊記者 石艷美

魏寧：為CO2減排深情躬耕

本刊記者 石艷美

神華現場

記憶里，冬天的模樣該是“千里冰封，萬里雪飄”，亦或是“終南陰嶺秀，積雪浮云端”。“過雨荷花滿園香，沈李浮瓜冰雪涼”“散發乘夕涼，開軒臥閑散”這應是夏天最美的姿態。還有春光的“暖日晴風”，秋日的“寒山轉翠，夜涼如水”。地球溫室效應，不僅模糊了人們對春、夏、秋、冬的最初界定，而且還導致了極端氣候增加、全球降水量重新分配、冰川和凍土消融、海平面上升等問題，這不僅破壞自然生態系統的平衡，還威脅人類的生存。溫室氣體的排放是全球變暖的罪魁禍首，而CO2是溫室氣體家族的第一“當家人”，按照全球升溫的“貢獻”百分比計算，C O2對溫室效應增強的“貢獻”約為70%。

“地球溫暖化問題已是全球的熱點問題，CO2是促成地球溫暖化的主要因素。為了緩解地球溫室效應，必須將大氣溫室氣體濃度穩定在一個安全的水平上，減少CO2排放。”

每一個行業，總有一個先行者走在前方。在CO2地質利用與封存（CGUS）領域（隸屬于CO2捕集與地質封存技術體系，即CCS技術），中國科學院武漢巖土力學研究所魏寧研究員在為中國的CGUS技術執著探索，孜孜不倦。

學以致用，吐納自深

近50多年來，地球溫室效應問題引起了全球的密切關注，1992年通過的《氣候變動框架條約》《聯合國氣候變化框架公約》，2005年生效的《京都議定書》，2016年正式生效的《巴黎協定》等，全球都在為守護家園，減少溫室氣體的排放做各種努力。CCS技術是一種新型巖土工程，利用技術手段將CO2捕集、運輸，最后永久封存于適宜的地質體內，使其與大氣長期隔離。其主要目的在于降低碳排放，減緩氣候變化。CCS技術具有規模大、成本較低、技術成熟度較高、與化石能源結構相容性好等特點，被認為可能具有較高減排貢獻度，能夠降低綜合減排成本和減緩能源結構轉變帶來的經濟沖擊，因此一直是西方發達國家的深入研究對象。我國作為世界上最大的化石能源（主要為煤炭）生產和消費國，并且化石能源為主的能源結構將長期存在，CO2減排形勢異常嚴峻，發展大規模的CCS技術在國內呼聲越來越高。

武漢被稱為中國三大火爐城市之一，生在武漢，學在武漢，工作還在武漢。作為地道的武漢人，魏寧或許更能感受到來自武漢夏天與日俱增的炎熱。談起選擇CO2減排工作的緣由，魏寧說：“溫室效應，這是我小時候讀科技書時就接觸到的事實。后來接觸到美國副總統戈爾的‘不可忽視的真相（An Inconvenient Truth）’，更加深了對CO2溫室效應的理解，一直關注CO2等溫室氣體處置問題。畢業后便毫不猶豫地加入了CCS的研究隊伍。”從CCS技術到CCUS技術（碳利用與封存），在CO2減排這塊陣地上魏寧堅守到底。

2006年，魏寧從武漢大學巖土工程博士畢業后，進入中國科學院武漢巖土力學研究所工作并加入CO2地質封存研究組。在這里，魏寧從事CO2在巖土介質中滲流規律、新型CGUS技術與宏觀層面的研究，從孔隙尺度和巖心尺度上探索和回答CO2在多孔介質（巖土體）內流動與反應過程與規律的問題，從技術層面提升現有CGUS技術的安全性與經濟性，從宏觀層面回答CGUS技術的潛力與分布問題，這些研究為探索和發展CCS技術奠定了堅實基礎。

2009年，魏寧探討了我國CCS技術路線的發展。“CO2的減排任務非常艱巨，沒有任何單一的技術方案能夠全面滿足這一要求而是需要各種減排技術的組合。CCS技術可以使這一目標的實現變得更為容易。”

魏寧說，CCS技術在發達國家已有數十年的研究歷史。從一般概念、基本理論到實施系統，各主要環節都進行了廣泛深入的研究。當時，我國在這方面的研究工作剛剛起步。CO2地質封存過程主要包括3個要素，從電廠、鋼鐵、煤化工等工業過程排放的CO2捕集與壓縮，并輸運至適宜的場地開展封存。其中的很多技術在現有工業以及石油天然氣、采礦等行業中已經存在。因此，魏寧對這些技術現狀進行調查并摸清情況，是開展CCS技術研究工作至關重要的一步。通過調查與分析，魏寧發現排放源方面，燃煤電廠、鋼鐵、水泥行業是主要的CO2排放源，也是CO2減排的主要對象，而煤化工、制氫、合成氨等企業具有部分高濃度甚至純CO2排放，將是低捕集成本CO2源。從封存潛力方面看，CO2增采原油具有良好的經濟效益，咸水層的封存潛力占到90%以上，是未來規模化減排的主要封存場所。因此，從煤化工等高濃度CO2排放源與油田封存結合的早期機遇到燃煤電廠結合CO2咸水層封存的深度減排（每年10億噸CO2量級減排規模）將是中國CCS技術和產業發展之路。

在CCS技術上深厚的理論知識與豐富的實踐經驗，使魏寧在2010年作為主要技術支撐專家之一，協助了中國首個10萬噸/年規模的神華CCS全流程項目。“該項目通過整合不同領域的專家、打通了整個煤化工（高濃度CO2部分）排放開展C O2捕集、運輸與地質封存的全鏈條技術體系，并形成了一系列技術突破，例如：陸相低滲地層內安全高效注入技術、場地篩選技術、C O2封存過程的模擬技術、安全監測與預警技術等。并形成了一系

列的小技術突破與積累，真正做到了技術儲備。”

在CO2地質封存之前需要挑選合適的封存場地，而在封存過程中和完成后，還需要長期的監測與評估工作，保障封存CO2的安全。為此，魏寧建立了中國第一個針對CO2地質封存的GIS數據庫。數據庫針對CO2地質利用與封存，整合了原有的地理信息數據，包含地質、社會等數據，并補充了部分地質數據。并在數據基礎上形成了多尺度多精度的場地適宜性分析方法（依據數據質量開展定性到定量不同程度的評估），對場地進行適宜性評價與篩選，該方法在我國大部分碳封存項目中得到了具體應用，評價結果被國際能源署（IEA）、亞洲開發銀行（ADB）等機構采用和引用。

C C S技術具有巨大的C O2減排潛力，但捕集成本高是C C S技術的關鍵障礙之一。如何降低成本費用，讓企業普遍用得起？是否可以通過降低捕集（CO2中含有一定的雜質，如：N2和O2）要求降低綜合成本？為此，魏寧設計并完成了通遼200噸規模的含雜質CO2咸水層封存先導試驗。通過先導試驗研究含雜質的CO2封存過程及其可能的影響。通過先導試驗研究，魏寧得出對含少量雜質（如：N2和O2）的CO2進行咸水層封存在先導尺度上是可行的。另外雜質對于封存過程有顯著影響，雜質O2、N2與CO2導致氣液中化學成分的分帶化（色譜現象)與儲層內重金屬的遷移現象。在準備先導試驗過程中，魏寧根據中國特殊陸相地層的特點，開發了一套CO2注入及基于鉆孔的取樣監測的裝置，為未來開展CCS的示范奠定了技術基礎。

2011年在美國國家能源技術實驗室合影

成功沒有偶然，通過正確的做事態度，把未來很多看似偶然的事情變成必然，才是成功的唯一途徑。魏寧說：“任何一項新技術的推廣都是一場全面的戰爭，唯有不懈創新與細節完善才可能取得勝利。”CCS技術的經濟性是其大規模應用的障礙，因此，魏寧把目光投向CO2捕集、地質利用與封存技術。

腳踏寸土，放眼世界

CCUS技術是CCS技術新的發展趨勢，就是要把C O2從集中排放源（火電、鋼鐵、水泥、石油化工等）壓縮并輸送到適宜的深部地層內，并利用CO2與含有資源的復雜理化作用，增采地下資源的同時封存CO2，從而實現資源開采與CO2大規模減排。相對于節能增效與低碳能源，CCUS技術可在大幅度改變現有化石能源為主的能源結構條件下，緩解面臨的資源開采與環境保護的雙重困境。與CCS技術相比，CCUS技術可以將CO2資源化，能產生資源收益和經濟效益，更具有現實操作性。

在2017中聯煤試驗現場

“CCUS技術是一個全方位的技術體系，CCUS面臨的挑戰非常多，最主要的是關于成本和安全的問題，要能成功改進和推廣這項環境技術，需要解決一系列的問題。”

帶著一股初生牛犢不怕虎的勁兒，魏寧一頭扎進困難重重的CCUS技術領域。為解決面臨的系列問題，魏寧時常問自己：中國的CO2在哪兒能安全的封存？能封存多少CO2？能夠增采多少資源？以什么成本封存和利用？哪個行業開展CCUS技術更為有利？帶著這些思考，魏寧披荊斬棘，撥開云霧，在國內首次形成CO2地質封存的預可研框架。該方法體系是一個多尺度集成的計算模型與方法，可進行國家與行業尺度的初步分析，也可以進行工程尺度的分析，具體包含：具體的工程可行性（技術經濟與風險）和在行業范圍內開展CCUS技術的能力。

你給世界一個什么樣的姿態，世界還你一個怎樣的人生。魏寧揮灑的汗水換來的是完成的眾多CCUS相關的課題，包括科技部國際合作專項、國家支撐項目、863項目子課題、能源基金，還有亞洲開發銀行、神華、中海油等企業資助課題30余項。

魏寧說，在這里面最具代表性的可能要屬于國際合作。通過與世界上頂級的科學家合作，一起解決關鍵技術問題，例如亞巖心尺度上X-CT表征技術與數值模擬方法。通過多尺度X-CT表征與基于X-CT的CO2驅替試驗，魏寧采用數值模擬手段研究亞巖心非均質結構對CO2流動的影響，在COMSOL基礎上開發了高精度模擬模塊。通過試驗和數值對照研究表明：非均質對CO2的流動過程影響非常顯著，中國陸相的劉家溝砂巖與美國海相Berea等砂巖的性質顯著不同，這為在陸相沉積盆地內開展CO2注入提供了參考。這些研究成果被NETL（美國國家能源技術實驗室）的科學家放在NETL的展板上，并對魏寧他們的研究能力表示驚嘆。

2013年，魏寧對孔隙尺度的CO2驅替咸水過程進行研究，改進了美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）內的微觀模型試驗平臺，大幅度提高了試驗的流速控制范圍和精度（超低流量范圍），并在該設備上首次開展孔隙尺度的超臨界CO2驅替咸水試驗。在世界上首次通過可視化微觀模型和超低流速控制技術研究了超臨界CO2驅替咸水的過程，發現了“過渡”“干化”與“波動”等新現象。這一研究為新CCUS技術發展奠定了基礎。

立功立言，不負初心

魏寧說，從CCS技術到CCUS技術的研究更需要回答CGUS技術大面上的問題。主要是讓更多的人正確認識CGUS的優勢與劣勢，提高CGUS技術的經濟可行性，從而推動C O2減排事業。目前，按照資源儲層分類，CGUS技術主要有：CO2增采原油及封存、CO2增采地下咸水層及封存、CO2驅替煤層氣及封存、CO2增采天然氣及封存、CO2增采鈾礦和CO2增采其它地下資源。

“這種前沿性的技術深受國際政治、經濟與社會環境的影響。做這種前沿性的科學與技術需要堅定的信念與執著追逐的精神，還需要敢于大膽冒險的勇氣。要形成一個龐大的CO2減排行業，更需要大家堅持不懈的努力，共同解決發展過程中的所有問題。”魏寧說，CGUS技術，從現在的研發與示范到未來大規模應用，需要一段比較長的時間。守清貧，坐冷板凳，堅持初心，這是魏寧形容自己的3個標簽。就是這3個標簽激勵他在CGUS技術領域一步一步前行，不斷探索。

人字有兩筆，有人說，一筆寫執著，一筆寫放下。在魏寧看來不然，他說，人字一筆寫執著，另一筆寫的是堅持。他說：“在CGUS基礎研究與技術研發方面，雖然研究小組填補了國內空白，一些領域形成特色并做到了世界頂尖水平，但在技術創新和產業應用方面還需要加強。我會在這方面繼續出力。”