碳中和目標下碳捕集、利用與封存(CCUS)技術的發展

梁鋒

(1. 中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048； 2. 全國氣體凈化信息站，江蘇南京 210048)

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表講話，承諾“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”[1]。2020年12月12日，國家主席習近平在氣候雄心峰會上進一步宣布：“到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。”[2]。為了實現這一莊嚴承諾，2020年12月召開的中央經濟工作會議首次將“做好碳達峰、碳中和工作”列為2021年八大重點任務之一。2021年3月，十三屆全國人大四次會議通過的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中也強調，“落實2030年應對氣候變化國家自主貢獻目標，制定2030年前碳排放達峰行動方案。”

我國碳中和目標的提出，彰顯了我國綠色低碳發展的決心，對應對全球氣候變化和中國未來社會經濟發展具有重大影響。為了實現這一目標，達到綠色低碳轉型，必須通過源頭減量、能源替代、節能提效、回收利用、工藝改造及碳捕集、利用和存封(carbon capture，utilization and storage，CCUS)等碳減排路線實現。其中，CCUS技術是CO2深度減排、應對氣候變化的重要途徑之一。

1 實現碳中和目標的關鍵

碳中和目標的提出給CCUS技術的發展提供了新的動力，同時也提出了新的要求，如何在新的目標下發展CCUS技術成為當下業界熱議的話題和研究方向。

1.1 CCUS技術發展新形勢

CCUS技術一直是近年來國際領域應對氣候變化的熱點問題。聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)評估報告指出，如果沒有CCUS技術，減排成本將會成倍增加，估計增幅平均高達138%。無論是政府還是能源企業，亦或是可持續發展以及人與自然和諧共生，CCUS技術作為低碳發展的重要途徑，將在世界能源領域扮演重要角色。

國際能源署(IEA)在《通過碳捕獲、利用與封存(CCUS)實現工業變革》(Transforming Industry through CCUS)(2019年)提出，在清潔技術情景(與《巴黎協定》路徑一致)下，2060年工業部門的CCUS累計量將達到280億t，能源加工和轉換部門CCUS累計量為310億t，電力部門CCUS累計量為560億t。CCUS將實現38%的化工行業減排，15%的水泥和鋼業行業減排。國際上許多政府、組織、企業等都在積極推動CCUS在全球的發展與布局，為CCUS技術的發展提供強有力的政策支持。

大規模實施碳捕獲、利用與封存，是目前唯一可在未來十年乃至可預見的將來應用于現有最難減排的主要重工業設施、實現顯著并直接減排或避免排放的解決方案。在所有低碳能源解決方案中，CCUS技術將在我國的能源轉型中發揮越來越關鍵的作用[3]。

1.2 CCUS發展新需求

2060碳中和目標對科技提出了新的需求，CCUS技術是實現碳中和目標技術組合的重要構成部分，未來潛力巨大，但目前還存在技術挑戰，我國CCUS技術已有較好基礎，但與國際差距仍較大，應持續加強CCUS技術研發與示范，完善系統配套支持體系。

現階段我國CCUS技術類型齊全，發展迅速，但面臨著尚未形成規模化、產業化發展，高成本制約CCUS 技術大規模推廣，融資渠道不暢通，缺乏成熟的商業模式，公眾認知度、接受度有待提高等諸多挑戰。

碳中和是一個長期的、需要全社會努力的結果，需要注意CCUS產業化中全生命周期的減碳問題和經濟性問題，要盡快找準定位，抓住早期機會，實現一些專項技術的示范功能，盡快加快技術的應用進程。

2 CCUS技術發展現狀

2.1 CCUS技術主要過程和技術環節

CCUS技術的主要過程和技術環節[4]見表1。

表1 CCUS技術的主要過程和技術環節

2.2 主要CO2捕集工藝

開發高效節能的CO2捕集工藝已成為CCUS的核心問題和關鍵技術。主要的CO2捕集工藝見表2。

表2 主要CO2捕集工藝

2.3 CCUS示范項目

國內CO2捕集示范項目主要分布在華東、華北地區，項目類型包括燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集，目前已經擁有了具有自主知識產權的CO2捕集技術。具有代表性的CO2捕集示范工程項目見表3。

表3 國內已運營的萬噸級CCUS示范項目

從現階段來看，燃燒前、燃燒后的CO2捕集技術已接近或達到商業化應用階段，燃燒前以物理吸收-低溫甲醇洗法為主，燃燒后以化學吸收-胺法為主，富氧燃燒尚未達到正常的示范運行。截至2020年，國內共有21個捕集項目在運行，CO2捕集量約180萬t/a。

2.4 CCUS技術應用成本

在CCUS技術的碳捕集、輸送、利用與封存環節中，捕集是能耗和成本最高的環節。二氧化碳排放源可以劃分為兩類：一類是高濃度源(如煤化工、煉化廠、天然氣凈化廠等)，另一類是低濃度源(如燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠等)。高濃度源的捕集成本大大低于低濃度源。據統計，目前CCUS示范工程投資額都在數億元人民幣，而且在現有技術條件下，引入碳捕集后每噸二氧化碳將額外增加140～600元的運行成本。如華能集團上海石洞口捕集示范項目的發電成本就從約0.26元/kWh提高到0.5元/kWh。

續表2

續表3

仍有待提升的CCUS技術水平是制約其發展的又一障礙。在我國，CCUS試驗示范還處于起步階段，缺乏大規模、全流程示范經驗，特別是在現有CCUS技術條件下，企業實施CCUS將使一次能耗增加10%～20%，效率損失大。因此整體的CCUS應用成本還處于較高水平。

3 CCUS技術發展機遇

在碳中和的目標下，CCUS技術的發展，在政策導向、技術積累、應用市場等維度面臨著諸多機遇。從政策層面上來說，CCUS技術被列入了國家發改委、國家能源局共同發布的《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》，有關二氧化碳的捕集、運輸、利用、埋存等方面的環境評價體系正在逐步完善；從技術層面上來說，我國掌握了碳捕集裝備的制造、強化采油、利用等技術，基本形成相應產業鏈，積累了一定的技術經驗。目前，國內已有一批由大型企業主導實施的相關項目正在進行；從應用市場上來看，我國擁有廣闊的發展前景。初步預計，全球CCUS產業規模可達數萬億美元，其中2060年中國CCUS投資規模將達到3.5萬億元人民幣。

3.1 美國CCUS發展路徑

近期，美國國家石油委員會(NPC)發布了受美國能源部委托完成的《迎接雙重挑戰：碳捕集、利用和封存規模化部署路線圖》[5]報告，提出了在25年內實現大規模部署CCUS技術的發展路線。通過啟動階段(未來5～7年，投資500億美元，CCUS規模達6 000萬t/a)、擴張階段(未來15年，投資1 750億美元，CCUS規模達1.5億t/a)和規模化應用階段(未來25年，投資6 800億美元，CCUS規模達5億t/a)3個階段，實現CCUS技術在美國的大規模應用。其研發重點為3大部分，具體如下。

3.1.1 碳捕集技術

改進碳捕集技術以用于燃煤煙氣、天然氣煙氣和工業CO2排放源；推進開發用于氣體分離的溶劑、吸附劑、膜和低溫工藝，以及開發新型的具備碳捕集功能的能量循環系統；制定成本和性能基準并進行公開評估；降低碳捕集的總體成本以及資本、運營和維護成本；提升碳捕集系統的運行靈活性以適應加速循環；評估碳捕集技術以確定最具技術性和經濟性的選擇；探索復合碳捕集系統的應用。

3.1.2 碳封存技術

提高場址表征和封存方法的效率；通過CO2羽流固定機理研究及加快速度來增加對孔隙空間的利用； 改進耦合模型以優化和預測CO2流動和輸運，以及地質力學和地球化學反應；降低監測成本并開發新的監測技術；量化和管理誘發地震的風險；研究采用替代砂巖和碳酸鹽巖儲層實現年儲量百萬噸級的可行性，包括超鎂鐵質巖石(玄武巖)和低滲透性巖石(頁巖)；進行社會科學研究，以提高相關參與度，并向大眾通報地質構造中碳封存的需求、機會、風險和利益。

3.1.3 碳利用技術

3.1.3.1 熱化學轉化

繼續提高催化材料的選擇性、活性和穩定性，包括理論和試驗表征。對于已證明在較低溫度范圍(如373～573 K)內具有活性、選擇性、耐水性的低成本催化劑，應關注催化劑性能的長期穩定性以及防止失活的解決方案。CO2轉化技術的其他關鍵挑戰是提高對產物的選擇性以及催化劑對副產物(如水和原料中的雜質)的穩定性。此外還需進行更多實驗室研究和計算研究，以及中試規模的研究和開發。同時，研究開發更有效、更低成本的方法來使用可再生能源電解水制氫，對于短期內提高CO2加氫轉化的環境和經濟可行性也極為重要。

3.1.3.2 電化學和光化學轉化

該領域的主要研究包括：開發新型催化劑以提高選擇性、活性和穩定性；具有高耐用性和離子電導率的聚合物膜；新型電解池設計和制造。電化學和光化學轉化途徑面臨著相似的挑戰，但在光收集、裝置設計等方面有所不同。催化劑、膜系統和電解槽的規模擴大，以及高CO2溶解度的新型電解質開發也是重要的研發領域，后者具有巨大的潛力將CO2的捕集和轉化結合到一個過程中。開發結合電化學和光化學系統以及熱化學和生物化學轉化途徑的復合系統，對于技術的變革發展非常重要。

3.1.3.3 碳化與水泥

研究主要關注如下方面：集成反應路徑；化學(配體)和生物催化劑(碳酸酐酶)的使用；有價值產品(碳酸鹽)和副產物(金屬和稀土元素)的創新分離技術等。此外，還應對各種碳化原料進行建模和試驗研究，以及對所生產材料的特性和性能進行測試。在較大規模的研發中，應研究用于過程強化的能源和材料集成。

3.1.3.4 生物轉化

應開發利用自然陽光的藻類技術以小批量生產高價值保健食品，還可將當前正在商業化的人造光生物光反應器技術用于具備可再生能源電力和高效LED光源的系統，以生產營養保健品、蛋白質和化學藥品。上述2種途徑都應研究光轉換效率、選擇性以及相關反應器系統，以提高產量和降低成本。氣體發酵應關注氣相至液相中的有效傳質和產物分離，應在實驗室規模和試點規模的項目中進行研究。結合不同轉化途徑的復合系統將是一個重要方向，如通過化學途徑將CO2轉化為C1化合物更容易，而通過生物學途徑將C1轉化至C2+化合物更容易，因此可考慮綜合上述2種途徑的復合系統。此外，還應研究將波動性可再生能源整合到生物轉化系統中。

美國NPC上述部署擴展到其研究所描述的規模將需要更有效地集成現有的技術，同時開發新的技術來提供新的CCUS路徑，并降低CCUS解決方案的成本。

3.2 中國CCUS發展路徑

中國十分重視CCUS技術，2016年國務院印發的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》明確提出：“要推進工業領域碳捕集、利用和封存試點示范”。在CCUS技術研發、試驗示范和商業化探索方面已開展了大量工作，初步形成了政府引導、市場主導、企業參與、示范先行的工作格局，呈現了技術路徑多樣，項目種類齊全，部署發展有序的良好局面。

科學技術部社會發展科技司、中國21世紀議程管理中心發布了《中國碳捕集、利用與封存技術發展路線圖(2019)》[6]，全面評估中國CCUS技術發展現狀和潛力以及面臨的問題與挑戰的基礎上，綜合考慮經濟發展、能源轉型、排放達峰等約束因素，提出我國需分階段有序推進低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技術研發示范和產業集群的發展目標，從統籌戰略布局、實現技術創新、探索財稅支持和加強國際合作等方面對研發示范優先行動提出相關政策建議。

生態環境部環境規劃院氣候變化與環境政策研究中心2020年發布了《中國碳捕集、利用與封存技術發展路線圖(2019)》，報告指出相對中國的二氧化碳排放量和減排需求，當前CCUS的減排貢獻仍然很低(年封存量約為年排放量的萬分之一)，難以滿足中國低碳發展的迫切需求。為此，建議盡快建立較為全面的CCUS 發展政策環境，推動中國CCUS 健康發展，主要包括：①建立、健全CCUS法規和標準體系；②出臺鼓勵和補貼政策，探索市場化激勵機制，完善投融資環境；③建立跨部門、跨行業協調機制，分階段、分行業、分重點逐步推進CCUS 技術的商業化進程。

2021年《中國石油和化學工業碳達峰與碳中和宣言》明確提出：加快部署二氧化碳捕集驅油和封存項目、二氧化碳用作原料生產化工產品項目。積極開發碳匯項目，發揮生態補償機制作用，踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念。加大科技研發力度，瞄準新一代清潔高效可循環生產工藝、節能減碳及二氧化碳循環利用技術、化石能源清潔開發轉化與利用技術等，增加科技創新投入，著力突破一批核心和關鍵技術，提高綠色低碳標準。

未來中國CCUS發展研究重點有以下幾點：①加強CO2捕集的基礎研究，深化新型捕集技術，開展新型捕集材料(新型活化劑混合胺、離子液體、膜、吸附劑)、捕集分離設備、工藝優化集成等的研究，盡快實現新領域的技術突破；②在成本最大的制氧技術上尋求技術突破以外，發展符合中國國情的富氧燃燒技術；③發展與新能源耦合的負排放技術，驅動技術成本顯著下降；④提前儲備和部署生物質耦合CCUS技術(BECCS)和直接空氣捕集(DAC)等負排放技術；⑤充分借鑒美國CCUS發展經驗，在工程方面對國外先進示范項目進行調研和梳理，強化過程開發，對國內示范項目進行及時的總結和完善，積累全產業鏈的工程經驗和技術數據，為我國 CCUS 技術標準體系建設打下堅實的基礎。

3.3 捕集技術示范預測

由于捕集部分占整個CCUS費用的2/3甚至更高[7]，因此國際上主要以“提高捕集效率及規模，降低捕集成本”為重點研發方向。國內主流CO2捕集方法在研制新型捕集溶劑及材料、改進捕集節能工藝流程、開發高效吸收解吸傳質傳熱設備等方面，已躍升為現階段研究CO2捕集技術中的重中之重。未來CO2捕集技術及示范預測見表4。

表4 未來CO2捕集技術及示范

4 結論

1) CCUS作為目前唯一能夠實現化石能源大規模低碳化利用的減排技術，是我國實現2060年碳中和目標技術組合的重要構成部分。未來，應加強CO2捕集的基礎研究，深化新型捕集技術，盡快實現新領域的技術突破。

2)以碳達峰、碳中和為目標導向，推進低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技術研發示范和產業集群的發展目標，科學制定CCUS 技術發展規劃和激勵政策，為實現碳中和目標、保障能源安全、促進經濟社會可持續發展提供技術支撐。

3)充分借鑒國外CCUS發展經驗，對先進示范項目進行調研和梳理，強化過程開發，對國內示范項目進行及時的總結和完善，積累全產業鏈的工程經驗和技術數據，為我國 CCUS 技術標準體系建設打下堅實的基礎。

4)建立跨部門、跨行業協調機制，分階段、分行業、分重點逐步推進CCUS 技術的商業化進程。