對于減排CO2的深層分析與評價

毛潤晶， 孫旭麗， 孫浩晨， 王辰軒， 張 磊， 屈鑫旺

(太原理工大學化學化工學院，山西 太原 030024)

引 言

隨著世界工業的快速發展，溫室效應越來越嚴重。造成溫室效應的氣體有CO2，NOx，甲烷，氟氯代烴等30多種，而其中最主要的就是CO2，約占75%，因此，為了減少溫室氣體排放，人類社會正在不斷地創新與使用各種各樣的方法來控制日益增多的CO2，然而這些方法各有利弊。本文通過對目前幾種比較典型的減排CO2的方法進行綜合分析與評價，以提出一個合理有效和經濟可行的方案。

1 碳捕集與封存

1.1 碳捕集技術

目前，可利用的碳捕集技術主要有燃燒前脫碳技術(pre-combustion)、燃燒后脫碳技術(post-combustion)和富氧燃燒脫碳技術(oxy-fuel firing)[1]。上述3種方式中燃燒后捕集技術相對成熟和簡單，在實際應用中只需對原有電廠小幅度改造即可滿足脫碳要求。燃燒后捕集技術一般有化學吸收法、物理吸收法、吸附分離法、膜分離法等[2]，當前國際上相對較成熟、應用最廣泛的工藝技術是化學溶劑吸收再生法回收CO2，該技術已經應用在化學、石化領域很多年，適應性強，應用前景巨大。

1.2 CO2驅油與埋存技術

CO2驅油與封存技術是指將CO2注入油層使CO2與原油混相，降低原油黏度，在不斷開采原油的過程中封存一部分CO2。CO2注入油層后，約有50%～60%被永久封存于地下，剩余40%～50%則隨著油田伴生氣返回地面，通過原油伴生氣可將CO2捕獲純化回收，就地回注驅油，進一步降低CO2的驅油成本。在此過程中，既提高了原油采收率，達到增產的目的，又減少了CO2的排放，保護了大氣環境[3]。

1.3 CCUS可行性分析

環境社會性分析：CCUS將燃煤電廠產生的大量CO2補集傳輸再用于驅油，在產生經濟效益的同時，將大部分的CO2永久性的封存于地下，符合國家低碳經濟的要求。CCUS技術在保護環境，促進國家經濟健康穩定發展有重大的意義。

經濟性分析：國內利用CO2驅油之后，采收率平均提高9%～10%，但由于CO2需要管道運輸，所以CCUS技術的建設和運行成本較高，約為500元/t～600元/t。假設每噸CO2產油0.5 t，原油價格按照約3 000元/t(2018.3)，產生的效益就為1 500元/t，所以CCUS在經濟效益方面是可行的，但前期設備投資較高，效益周期較長。

實際可用性分析：國內目前有勝利油田4×104t/a燃煤煙氣CCUS全流程示范工程、中原油田煉廠尾氣CCUS項目、草舍油田CCUS項目、腰英臺油田CCUS項目等。平均采收率提高8%～9%，增收明顯，環境效益好。

安全性分析：CO2地質封存存在諸多不確定性和潛在風險，CO2封存目標地層一般超過1 000 m深度，CO2注入后，使原油地層的巖石、地下水發生化學反應，并且持續的增加地殼空隙的壓力，破壞原始地層的應力、溫度、滲透壓等物理化學平衡。產生的后果可能有：地表拱起，CO2沿斷層泄露，酸化地下水而影響地質結構，誘發小型地震等。

1.4 對我國CCUS發展的建議

推動CCUS技術的研發與應用，對中國能源結構的改善以及環境的優化都將發揮極其重要的作用，也會進一步推動石油產業的發展、升級和創新。然而，CCUS作為一項應對氣候變化的技術，涉及的技術環節復雜，其發展仍面臨一系列社會和環境問題。所以國內應加快制定適合國內使用、符合CCUS發展規律的政策措施，同時加大技術研發與資金投入，促進CCUS技術的發展和應用。

2 海洋封存二氧化碳

2.1 CO2海洋封存技術

2.2.1 液態封存

1) 將CO2注入水下1 500 m處。此處為CO2具有浮力的臨界深度，在此深度下CO2可以有效溶解擴散。

2) 使用垂直管道將CO2注入水下3 000 m處。由于液態CO2的密度大于海水且難溶解，因此沉入海底成CO2液態湖[4]。

此方法最主要技術在于如何防止CO2和海水形成大量碳酸。實驗發現在液體二氧化碳存在的情況下，二氧化碳水合物的形成是迅速且穩定的。水合物最先在液體二氧化碳和水的界面處形成一薄膜層，阻礙了液體二氧化碳向水一側的擴散，從而阻止了水合物的進一步生長；同時，與水接觸的水合物會部分溶解形成飽和二氧化碳水溶液，正好阻止了二氧化碳分子向水側的擴散，有利于液態二氧化碳的長期保存也減少了碳酸的形成對海洋環境的影響[5]。

2.2.2 固態封存

1) 海水與二氧化碳氣體生成的二氧化碳水合物密度大于海水的密度，因此會沉積到海底以固態形式儲存起來[6]。

2) 將二氧化碳以固態形式直接投放到海水中，由于固體二氧化碳密度高且熱傳遞差等特點，絕大部分固體二氧化碳可沉入海底。

2.2 海洋封存二氧化碳推薦方案

用二氧化碳置換出天然氣水合物中的天然氣并形成二氧化碳水合物。

一方面，把空氣中或者工業生產中產生的二氧化碳氣體注入到天然氣水合物儲層中，把二氧化碳以水合物的形式儲存在海底，有效減緩二氧化碳的溫室效應；另一方面，在得到甲烷的同時，二氧化碳置換甲烷過程中可以完整地保存水合物沉積層，避免因為水合物的開采而引起的海洋地質災害[7]。

3 CO2化工轉化

CO2是含碳化合物的最終氧化物，其分子相當穩定，很難被活化，需要在特定的反應條件與催化劑的催化下才能進行反應。近年來，對CO2在催化反應方面的研究成果頗豐，一方面不斷完善和發展傳統大宗化工產品，如CO2合成尿素、碳酸氫銨、水楊酸等；另一方面也有部分已初具規模的反應投入試生產，如CO2催化氫化合成甲烷、甲醇、甲酸以及其他酯類等。

3.1 幾種CO2轉化反應工藝

3.1.1 CO2制無機化工產品

著名的侯德榜制堿法以CO2等為原料，生產的化學品相關技術已經成熟，但從產品總量來看，CO2用量非常有限，形成不了CO2減排的規模化[8]。

3.1.2 CO2制尿素

作為當下最大最成熟的CO2固定反應，工業上固定CO2大多從此方面入手進行，由于近年來對CO2固定的需求量持續增加，導致尿素產品與產能的大量過剩，使國內尿素市場一直處于低開工狀態。數據顯示截至2015年底，我國尿素名義年產能約8 800萬t，2015年國內需求約5 500萬t，不計出口所消耗的尿素，粗略來看產能過剩已超3 000萬t；據統計，2017年全國尿素產量已低至4 930萬t左右，而2017年全年需求量在4 578萬t左右，雖然供應過剩的危機得到了大幅緩解，但固定CO2量也隨之銳減，顯然以增加尿素產量為突破口解決CO2問題是不現實的。

3.1.3 CO2的催化氫化

CO2催化氫化即在一定條件下CO2和H2或其他供氫體發生還原反應并生成甲烷、甲醇、甲酸等化合物的過程。CO2轉化率較高，反應耗能較低，另外CO2還可以和許多有機物進行羧化反應生成羧基或酯基產物，現已工業化生產的有尿素和水楊酸等。通過CO2催化氫化將其轉化為能被工業廣泛利用的有機物將是以后的研究熱點。

3.2 影響

CO2化學轉化更多投入的應是在新型工業的研究與可行性優化方面——生產有機產品如合成酯等方面能量利用較為有利，產品的生產方向與利用途徑也十分廣闊，因此有機合成必將成為化工上解決CO2問題的關鍵方向。由于有機合成的復雜性與多樣性，催化劑的選取與制備勢必成為CO2問題的核心問題。

另一方面，化工生產過程中消耗的CO2是否確實降低了碳排放，是否降低了大氣與環境中CO2含量與濃度也是一項值得思考的問題。在化工生產過程中雖不乏像制尿素直接從排放源頭采集CO2加以利用，但更多的生產過程則是由其他途徑產生了CO2，這反而增加了CO2排放的負擔，因此在固定CO2方面主要的研究方向應放在如何將作為副產品的CO2加以利用才是真正的綠色與環保，才能真正做到治理CO2。

4 節能降耗

中國作為一個大國，化石能源的消耗對我國的經濟發展和綜合國力的提高起到了重要的作用，能源對經濟增長的貢獻僅次于資本，遠高于勞動力要素[9]，近幾年的化石能源消耗總量如表1所示(以近十年為準)。

表1 我國近幾年的化石能源消耗情況

(數據來源：中華人民共和國國家統計局、新浪財經、中商情報網)

我國近幾年二氧化碳排放量如表2所示。

表2 我國近幾年二氧化碳排放量

(數據來源：中華人民共和國國家統計局)

從上表可以看出，我國的碳排放在2008年～2013年呈逐年增長的趨勢，在2013年達到了峰值，此后呈現逐年下降的趨勢，我國實現了經濟新常態和能源轉型，由原來大量使用煤炭轉為使用更為清潔的電力來源，如水能和風能以及核能[10]。而我國也由煤炭獨大，將逐步進入煤炭、油氣和新能源三足鼎立的新時代[11]，我國2016年全年能源消費總量比2015年增長1.4%，煤炭消費量下降4.7%，原油消費量增長5.5%，天然氣消費量增長8%，電力消費量增長5%。煤炭消費量占能源消費總量的62%，比2015年下降2%，在2017年，煤炭在中國能源消費結構的比重又下降至60.4%。中國承諾到2020年將煤炭消費減少到總能源消耗的58%以下。

我國電力最主要的來源是火力發電，而火力發電最直接的能源就是煤炭，由于火力發電使用的煤炭數量非常龐大，因此也會產生大量的溫室氣體和有害氣體，近幾年清潔能源使用和火力發電相比較的情況如表3所示。

表3 近幾年各種能源發電量比較 kW·h

(數據來源：國家統計局、國家國防科技工業局、中國產業信息網)

由于我國主要的化石能源資源是煤炭，主要還是采用燃煤發電，雖然風力、水力、和核能發電近些年也得到了快速發展，但這幾種方式還遠遠不能滿足我國發電量的需求，所以需要充分利用其他電源的調節能力，增大可再生能源的開發規模。發展可再生能源是應對全球氣候變化的重要策略。

5 評估比較

為了更好地做出一個對國家及各生產部門有用的評估指導，按照五個方面的影響制定出以下評分標準并對四種二氧化碳減排方法加以評價(每個指標10分)，列于第156頁表4。

環境性：第一，短期內對環境造成影響的劇烈程度；第二，對環境造成的危害；第三，對未來生態環境可預估的風險。

經濟性：第一，前期投入成本；第二，成本回收周期；第三，權衡短期與長期兩方面的經濟效益。

社會性：第一，社會的接受程度；第二，對社會創造的就業機會。

實際可用性：第一，實際可操作性與大規模投產程度；第二，技術成熟度；第三，可承受的來自各方面的風險程度。

安全性：第一，生產過程中對操作者的危害程度；第二，對人類社會造成的物理沖擊程度；第三，在不可抗力影響下的穩定程度。

表4 四種方法的評估結果

6 結語

控制CO2氣體排放，減緩氣候變化是我國響應聯合國號召，做一個負責任的大國，實施可持續發展戰略的重要組成部分。從評估結果來看，化工轉化CO2產生的經濟效益雖最高，但目前只是停留在實驗室階段而未真正投入生產，而且在這一過程中可能產生新的CO2，反而增加了CO2排放的負擔，而新能源的使用大大降低了CO2的排放量，除了有較高的成本之外，其他方面優勢較為明顯，因此節能減排才是控制CO2的最好方法。