二氧化碳捕集、利用與封存技術應用研究

王柯欽

大連理工大學，遼寧大連，116081

0 引言

全球氣候變化所產生的危害十分嚴重，這類危害是多方位的、多層面的，其現階段造成的不良影響備受關注，如森林生態系統的退化和海洋生態系統的改變等。這勢必會對人類的生存和發展帶來不利的影響。盡管目前全球氣候變化的原因還存在爭議，二十世紀以來，全球平均氣溫上升很可能是人為所造成的，且可能性很大。IPCC還預測分析，未來一百年內，全世界氣溫上升的均值范疇將會在1.4~5.8℃之間，具體升高多少，取決于新世紀不可再生資源的使用量。對于因為二氧化碳的大批量排出引起的氣候變化問題，國際能源署提出了二氧化碳節能減排的三種場景：第一種是在現階段狀況下，不采取任何額外的轉變，2050年的二氧化碳排放量增加1.3倍，氣溫提升6℃（至少）；第二種場景是ACT場景，運用目前技術，將2050年的消耗量控制在現如今的水準；第三種場景被稱作BLUE場景，2050年的二氧化碳生產量降低一半。目前二氧化碳造成的氣候問題已變成國際社會廣泛關注的重要全球性問題，已經對社會發展趨勢造成了深遠影響[1]。這些年來我國經濟不斷快速的發展造成了大量不可再生資源的耗費，產生了大量的溫室氣體，與此同時也帶來了一系列的環境問題，我國溫室氣體減排勢在必行。作為目前二氧化碳年排放量較多的國家，我國政府在國際上承擔的抵制全球氣候變暖的壓力非常大。因而，我國急需采取相應對策。CCUS技術是一項具備很大發展潛力的新型節能減排技術，是解決全球氣候變化、緩解溫室氣體排放的關鍵工藝之一。可是，現階段CCUS技術還備受異議，后文將對于此事開展剖析。

1 CCUS技術以及技術環節

CCUS技術，可以達到阻攔或明顯降低溫室氣體排放的目的，以減少對地球大氣環境的危害。這是一項具備規模性節能減排和巨大發展潛力的新型技術。現階段，處在科學研究環節、工業生產實驗或現代化使用的封存場所有深度含鹽量隔水層、匱乏或開采后期的油氣田、無法開采的深海等。完成CCS關鍵有兩個流程——“碳收集”和“碳保存”，此外還有“二氧化碳運送”等。

1.1 二氧化碳捕集技術

二氧化碳捕集可劃分為微生物法、吸收法、吸附法、膜分離法。微生物法所依據的原理是：綠色植物的光合作用是消化吸收二氧化碳的具體方式。物理吸收法依據的原理是：二氧化碳在液體中的溶解性隨壓力更改來吸收或脫附。二氧化碳物理吸收法的吸收劑有水、碳酸丙烯酯以及工業甲醇等水溶液。物理吸收法大多數在超低溫、高壓下開展, 具備吸收劑再造不用加溫以及不浸蝕機器等優勢。化學法吸收具有可選擇性好、吸收高效率、耗能及運營成本低等優勢。但工藝較復雜，吸收液需要再次處理，否則會造成廢水的污染。化學吸收法有熱鉀堿溶液法、氨吸收法、有機胺法等，在其中有機胺法實際效果最好。與吸收法不同，吸附法主要利用的是多孔的固體物質對二氧化碳進行捕獲。有變溫吸附法、變壓吸附法、變電吸附法。而膜分離法則是通過膜的選擇透過性對二氧化碳進行篩選捕獲[2]。

1.2 二氧化碳封存與利用技術

現階段，二氧化碳封存方式有地質封存、海洋封存、礦物碳酸化固定。地質封存可分為深部鹽水層封存、強化煤層氣采掘以及加強石油開采。運用含有鎂、鈣等人們所需的純天然礦物質或工業生產廢棄物與二氧化碳的反應，碳酸化固定二氧化碳礦物，與此同時聯產化工材料，是二氧化碳封存利用的有效途徑。在利用層面可分為物理利、化學、生物利用。物理利用主要是運用于食品產業以及驅油。化學利用主要是將二氧化碳轉換為基礎的化學用品，如尿素、甲醇、甲酸等。生物利用主要是制成化肥促進農作物生長[3]。

2 二氧化碳捕集、利用與封存技術應用現狀

世界各政府部門、公司通過知識共享推動二氧化碳捕集、利用與封存技術能力的建設。由澳大利亞政府資助運行的全世界碳收集與保存研究所，是二氧化碳捕集、利用與封存技術知識分享的全球智庫；加拿大國際性CCS知識共享組織是在BHP和SaskPower資助下，在2016年開設的非營利組織，該組織積極主動地共享CCS項目的相關信息。在日本政府的助力下，37家公司在2008年開設了JCCS，這有利于日本政府部門公共資源網完成自主創新，在全領域內共享資源。在早已投入運轉的28臺CCS設備中，美國、加拿大、挪威在數量上占據前三席，分別為14個，4個和3個，我國占有2個，卡塔爾、沙特阿拉伯、巴西、阿聯酋以及澳大利亞各占有1個。應用領域主要是天然氣（占有13個）、化工生產制造（囊括了乙醇生產以及甲醇生產，占有5個）、肥料生產制造（占有4個）、制氫（占有2個）、發電（占有2個）、鋼材生產制造（占有1個）以及原油精煉（占有1個）等領域。二氧化碳捕集類型有燃燒后捕集（占有1個）以及燃燒前捕集（占有27個）。封存類型具體有專用地質封存（占有5個）以及強化石油開采（占有22個）。當前CCS設備每一年可捕集和永久性封存大約3844萬噸二氧化碳。高級、早期開發的37個商業CCS服務設備中，美國占有19個，我國占有3個，英國占有7個，挪威占有2個，愛爾蘭、新西蘭、荷蘭、韓國、阿聯酋以及澳大利亞各占有1個。全世界的CCS設備基本建設聚集在美國，在已建成并成功投產的CCS設備中，美國已經占據了半壁江山，約為世界范圍內的六成。而在新建、待建的CCS設備中，美國也已經占了一半。在已建成投產的CCS設備中，主要運用于天然氣領域，占全部生產能力的76.4%，次之的制氫占據了5.7%，新建、待建的CCS設備主要運用于發電領域，占全部生產能力的66.0%，次之的化工生產制造占據了11.8%。新增的混凝土制造領域、垃圾焚燒領域以及空氣捕集領域發展勢頭也很猛。已建CCS設施二氧化碳捕集類型主要有兩類：燃燒后捕集（占有3.6%）、燃燒前捕集（占有96.4%）。新建、待建CCS設施二氧化碳捕集類型主要有三類：燃燒前捕集（占有59.6%）、燃燒后捕集（占有32.4%）、富氧燃燒捕集（占有5.4%）。已建CCS設備二氧化碳封存類型有專用地質封存（占有19.6%）、EOR（占有80.4%）。新建、待建CCS設備二氧化碳捕集類型有專用地質封存（占有59.6%）、EOR（占有24.3%），但重心點已由EOR轉為了專用地質封存。自1972年首個CCS設備投用以來，全世界投用的CCS設備每一年可捕集并保存約3844萬噸二氧化碳，預估在2030前投用的新建、待建CCS設備每一年可捕集并封存大約7491萬噸二氧化碳[4]。

3 二氧化碳捕集、封存與利用技術難點

CCUS技術成本較高，封存以及運用緊密結合在經濟上是有效的技術方式。完成有機廢氣中二氧化碳的捕集、利用與封存有下列技術性難題。

3.1 捕獲與提純技術有待改進

要想實現經濟發展，就必須提純、液化廢氣中二氧化碳。燃燒后捕集技術的難點在于二氧化碳并非待處理氣體的全部，而是待處理氣體當中的一部分，因此，此方法不經濟、不節能。富氧燃燒捕集，燃料于氧氣環境會燃燒，使得二氧化碳捕集效率大大提升，但制氧成本很高，若欲降低制氧成本費必須實現制氧技術的進一步發展。第三種為燃燒前捕集，十分復雜，燃料的不徹底氧化會產生合成氣，這類合成氣被轉化成二氧化碳、氫氣。現階段，凈化處理純化技術是全球性難點，日本、加拿大已經實現煙道氣二氧化碳純化技術，但要獲得經濟效益，還是有待時日。

3.2 防腐防垢

二氧化碳在輸送和貯存環節中對金屬材料的強腐蝕性，使得注入二氧化碳時二氧化碳易與巖石層產生化學變化，非常容易產生污垢，從而阻塞安全通道，引發安全問題。且高壓條件下，二氧化碳在含水管道運輸過程中易有水合物生成，經濟會有所損失，所以必須研究出適宜的防腐防垢技術[5]。

3.3 封存地點選擇

國外的注入技術，使得采收率大大提高，其儲層標準大都不錯，石油粘度較低。而中國儲層中因為強非勻質性以及竄流通道作用下的二氧化碳竄流使得其波及效率大打折扣。中國大部分油氣田石油組成的顯著特點是蠟、瀝青質以及膠質含量高。因而在注二氧化碳驅油時，很有可能發生有機固相沉積、油藏損壞，并且概率遠遠高于海外油氣田[6]。因此，我國在封存地點的選擇時必須深入分析地質構造、巖層特性及其地域分布，并開展系統試驗。

3.4 建設以及運行成本高昂

CCUS技術成本費囊括了捕集、輸送以及封存，這些環節都會耗費巨量的能源，成本費昂貴。CCUS技術的應用會使發電量成本有所上升，但如果項目中包括EOR，會使CCUS作用下的附加發電成本費有所降低。在眾多CCUS系統中，捕集成本的占比較大。由于地理位置的不同，CCUS系統成本費存有很大差別，關鍵要素囊括了基于CCUS技術的電廠或工業生產設備的設計、運作以及項目投資，燃料應用類型、成本費和運送間距，二氧化碳運輸地形以及供氣量，及其封存二氧化碳的種類和特性等。除此之外，CCUS技術構成部分、系統績效與成本費的關聯并不穩定。但可以肯定的是，伴隨著新技術的不斷發展，CCUS技術費用將逐步降低[7]。

3.5 群眾認同度低

據研究表明，群眾并不充分了解CCUS技術，CCUS技術并未像其他氣候緩解方案那般獲得廣泛認同。進一步發展CCUS技術，不僅要逐漸降低耗能，還務必得到法律法規以及稅務的支持，且普遍的群眾認同也是不可或缺的。

3.6 政府政策

事實上，以往CSS無法施展拳腳并非在于技術問題，反而在于政府部門配套制度的不健全。20世紀90年代，英國科學家早就在CCS技術方面表現出來了濃厚興趣，并曾經代表著技術潮流。BP最早探尋了CCS商業化，但是英國政府對該技術并不感興趣，也不看重，CCS難以獲得社會各界以及政府部門的財政支持。在技術較為先進的歐洲地區，現階段的碳捕集成本大概為70歐/t。在面對動輒上萬噸甚至百萬噸級的節能減排需求，碳捕集整體成本是非常大的。假如政府部門不頒布行之有效的激勵政策，與公司共承擔風險，公司勢必不會輕易涉足該領域。CCS技術未來的發展則令人擔憂。正因為如此，在無法得到政府部門大力支持的條件下，幾乎沒有一家公司想要單方投資CCS技術。但是，伴隨著全球氣候變化問題的日益嚴重化，近年來，世界各國政府部門在增加新能源技術資金投入的同時，也逐漸提高了對CCS的重視程度。

4 二氧化碳捕集、封存與利用技術展望

我國“雙碳”總體目標的建立要跨過40年的艱難歷程。這一歷程將為碳排放產業鏈提供較大的市場機遇。難以預估政府機構和有關公司從2022年到2060年這近40年里對碳排放產業鏈的有關項目會投資多少，但可以肯定的是這將會是一個天文數字。與之有關的新型材料、氫能源、儲能技術、太陽能發電等領域都具有很大機遇，每一個領域都很有可能發展到超出萬億RMB級別的市場規模。盡管目前CCUS規模還不大，其二氧化碳產出量現階段還不夠百萬噸，但未來CCUS一定是碳排放產業鏈上不可缺少的一個階段。有預測分析，從2021年到2030年這10年里，我國CCUS二氧化碳產出量的復合增長率將超出100%。CCUS技術途徑正在日益趨向完善，但一個新項目成功與否還在于此項目所產生的經濟收益。提升收益、擺脫高成本費成為CCUS項目運營的重中之重。實際上，與西方CCUS技術開發人員對比，我國CCUS技術開發人員更善于基于本國產業，挖掘技術應用。近些年，有關公司和科學精英團隊也專注于提升設備附加值以及開辟新型商品用途[8]。這種CCUS新項目是投資者可以重點關注的潛在式投資標的。我國碳排放銷售市場的進一步完善和發展也為CCUS新項目的執行帶來了額外經濟來源。

5 結語

世界各國專家、學者早已開展了很多碳捕集、利用與封存的科學研究，也獲得了許多成效。但在我國重點碳排放交易領域均無具體運用實例，其原因在于現有技術與投資效益分析的難關難以跨越。二氧化碳捕集、利用與封存技術的發展必須基于政府的大力資助，依靠眾多專家、學者加強對二氧化碳捕集、利用與封存技術的科學探究。