碳捕集、利用和封存(CCUS)技術發展現狀及應用展望

陽平堅,彭 栓,2,王 靜,王 強,任 妮,宋維寧(.中國環境科學研究院環境管理研究中心,北京 0002；2.天津大學環境學院,天津 00；.上海伊世特科技管理有限公司,上海 20000；.中南大學化學化工學院,湖南 長沙008；.遼寧科技大學應用技術學院,遼寧 鞍山 0；6.山西清潔碳研究院,山西 大同 07008)

二氧化碳捕集和封存技術(CCS)是指把CO2從工業或相關能源的源分離出來,輸送到一個封存地點,并長期與大氣隔絕的過程.為應對日益嚴峻的全球氣候變化形勢,《巴黎協定》提出將全球溫升較前工業化時期控制在2℃以內,并努力限制在1.5℃以內.國際能源署(IEA)指出[1],要在本世紀末實現溫升低于2℃的氣候目標,CCS 技術需貢獻14%的CO2減排量.政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在《全球升溫1.5℃特別報告》[2]中提出,去碳(carbon removal)是實現凈零排放以及補償超過1.5℃所需的凈負排放的必須措施,在有限超過或未超過1.5℃的大多數情景下,都涉及到CCS 技術的大量運用[3].因此,CCS技術對于實現全球氣候目標具有重要意義.作為CO2深度減排的重要途徑,不同CCS 方式的捕集和封存潛力、實施難度和社會經濟效益差別很大[4-5].縱觀世界各國在運行CCS 項目,其存在的主要問題在于運行成本過高,不具備經濟可持續性.隨著CCS技術的發展以及認識的不斷深化,我國于2006年在北京香山會議首次提出CO2捕集、利用與封存技術(CCUS),在碳捕集和封存之間引入了CO2資源化利用,通過化學轉化利用將CO2封存在化工產品當中[6].優化組合不同的CO2轉化利用途徑可以生成多種化學產品或半成品,其中高附加值產品的收益可用于補償CCUS 項目運行的高昂成本,低附加值產品能固定封存大量CO2,因此更具有現實操作性.經過多年發展,CCUS 技術已在全球范圍內開始了應用和推廣[7].

2020年9月,中國在聯合國大會上向世界宣布了2030年前實現碳達峰和2060年前實現碳中和的目標.要達成該目標,未來氣候經濟下的能源系統在保證高效穩定、靈活便捷的基礎上,還需滿足綠色低碳的要求,這就要求必須改變現有以煤炭為主的高碳能源和電力結構,轉向清潔能源為主的多元化、低碳能源結構[8].然而,目前我國化石能源在一次能源消費中的占比高達82.7%,煤電仍是保障我國電力安全和供應的主力,占全社會發電量的58.4%,使得我國CO2排放水平居高不下.即使我國2060年實現碳中和目標,非化石能源電力比例達到80%以上,仍有相當比例的調峰應急電力生產需依賴化石能源.單純依賴提高能效、清潔能源替代等路徑,我國無法順利實現溫室氣體凈零排放目標,深度脫碳過程必須依靠CCUS 才能實現[9].因此,CCUS 技術是我國應對氣候變化必不可少的技術手段,具有特殊的戰略意義.

1 CCUS 技術

1.1 CO2 捕集技術

1.1.1 傳統碳捕集技術 根據碳捕集與燃燒過程的先后順序,傳統碳捕集方式可分為燃燒前捕集、富氧燃燒捕集(也可視為燃燒中捕集)和燃燒后捕集(圖1).

圖1 不同碳捕集方式的技術路線Fig.1 Technical routes for different carbon capture methods

燃燒前捕集是利用煤氣化和重整反應,在燃燒前將燃料中的含碳組分分離出來,轉化為以H2、CO和CO2為主的水煤氣,再分離出CO2,剩下的H2則用于清潔燃料.該技術具有捕集的CO2濃度較高,分離難度低,能耗低的特點,但其可靠性有待提高.目前此技術的應用也只局限于以煤氣化為核心的整體煤氣化聯合循環電站[10-11].

富氧燃燒[12]捕集是通過分離空氣制取純氧,再將純氧作為氧化劑通入燃燒系統同時輔助煙氣循環.該技術捕集的CO2濃度可達90%以上,只需簡單冷凝便可實現CO2的完全分離,但額外增加了制氧系統能耗,提高了系統總投資.

燃燒后捕集是從工廠煙氣中捕集分離CO2的技術,是目前最成熟且應用最廣泛的碳捕集技術,可從電廠、鍋爐、水泥窯和工業爐等排放的煙氣中分離CO2[13].目前常用的燃燒后碳捕集技術分為三類:化學吸收、膜分離和固體吸附技術.化學吸收技術中的SkyMine?工藝、胺吸收工藝和冷氨工藝等在水泥和電力行業得到廣泛應用[14].然而,有機溶劑普遍存在吸附劑揮發、腐蝕嚴重、再生能耗高等不足[15],限制了推廣.為解決這一問題,許多新型吸附劑和碳捕集技術相繼被開發出來.基于傳統有機胺溶劑開發的相變吸收劑被認為可以大幅減少解吸能耗,成為研究熱點[16-18];離子液捕集CO2是一項新興技術,雖然仍處于早期產業化階段,但其具有高吸收能力、低蒸汽壓、可回收、無腐蝕和低成本等優點,是未來碳捕集的一種更有效方法[19].汪志和團隊的1700t[20]和江蘇綠碳科技團隊的1280t[21]火電廠煙氣CO2捕集是目前國內已知的千噸級離子液碳捕集示范項目,新疆正在建設50 萬t 離子液CO2捕集項目.膜分離技術是基于不同壓力梯度和氣體分子的不同擴散系數來實現的,適用于處理CO2分壓較高的煙氣.固體吸附技術基于氣體或液體與固體吸附劑上活性點之間的分子間引力實現對目標組分的捕集分離,包括固定床和循環流化床吸附技術.

1.1.2 直接空氣碳捕集技術 1999年,Lackner 教授第一次提出從空氣中去除CO2的技術,即直接空氣碳捕集(DAC)[22].不同于CCUS 技術針對工業固定源排放的碳捕集,DAC 可對小型化石燃料燃燒裝置以及交通工具等分布源排放的CO2進行捕集.該技術一般采取物理吸附和化學吸附方法,但大氣中CO2濃度體積分數僅為0.042%,采用DAC 技術捕集、濃縮CO2的能耗較高.該技術的關鍵在于開發高效低成本的吸附材料,包括液體和固體吸附劑,其中固體吸附劑具有較好的動力學性能,能夠有效避免溶劑的損失、減少熱耗,應用更廣[23].近年來,電振蕩吸附劑[24]、金屬有機框架材料(MOFs)[25]、多孔氫鍵有機骨架材料(HOFs)[26]成為研究熱點.其中MOFs 材料的化學構建模塊、孔隙大小和形狀、順序程度可調節,比表面積高達6600m2/g,在CO2捕集和轉化利用方面得到了廣泛研究[27].目前,國內在實驗室中制備了具有良好抗水性的 MOFs 材料HKUST-1,308K,100kPa下吸附量為2.5mmol/g,與現有的吸附劑相比性能優越,近期預計可制備出吸附量達7mmol/g 的MOFs.

在成本方面,HOFs 生產成本過高,尚未實現產業化,而MOFs 材料更具成本效益.Sinha 等[28]研發了DAC 技術的兩種MOFs,MIL-101(Cr)-PEI-800 和mmen-Mg2(dobpdc),最低能耗和成本估算分別為3.3GJ/t CO2(915kW·h/t CO2)和540～1008 元/t CO2,以及2.6GJ/t CO2,(713kW·h/t CO2)和432～1368 元/t CO2,國際先進水平為2.2GJ/t CO2(611kW·h/t CO2).澳大利亞Airthena 公司開發了一套基于MOF 材料的移動式DAC 中試裝置,MOFs 聚合物納米復合材料作為吸附劑涂覆在加熱板表面,涂層厚度為30～200mm,由至少50wt%的MOF 與黏合劑復合而成.再生能耗為1600kW·h/t CO2,得到的CO2產品濃度為80%左右,裝置運行成本為252～2520 元/t CO2[29].

加拿大卡爾加里大學開發出一種對CO2具有高吸附容量和選擇性以及較低的焓再生值CALF-20[30],即便在蒸汽、濕酸性氣體,甚至長時間暴露于天然氣燃燒產生的直接煙氣中,CALF-20 都具有杰出的耐久性和穩定性(>45 萬次循環).在合成成本方面,大多數MOFs 需要非質子溶劑(如二甲基甲酰胺或二乙基甲酰胺)或含有昂貴的有機黏接劑.而CALF-20 以水和甲醇為溶劑,合成成本約9.2 萬元/t,45 萬次循環單次成本為0.2 元/t.該成果已以專利形式授權給加拿大Svante Inc.,通過與巴斯夫的合作,開始大規模量產 CALF-20,時空產率達 550kg/(m3?d).筆者團隊正在產業化開發的 MOFs,包括HKUST-1,Mg-MOF-74 和ZIF-8 等,目標是將其材料成本控制在5～10 萬元/t,循環次數在萬次以上.

1.2 CO2 輸運技術

捕集后的CO2需轉移至合適的封存地或利用地,因此CO2輸運是CCUS 技術不可缺少的中間環節.CO2輸運方式有管道運輸和各種交通工具運輸.目前我國罐車運輸和船舶運輸已進入商業應用階段[31],低壓CO2輸運也逐漸被廣泛使用,而高壓、低溫和超臨界CO2輸運還處于研究階段[32-33].不同CO2輸運方式各具優勢與不足(表1),需從運輸容量、距離、成本、市場因素和運輸沿線交通布局等方面綜合考慮,以確定最佳CO2輸運方案.

表1 CO2 輸運方式比較Table 1 Comparison of CO2 transport modes

1.3 CO2 資源化利用

1.3.1 CO2資源化利用途徑 CO2資源化利用可分為物理利用、化工利用、生物利用和礦化利用.CO2可直接用于制冷、發泡材料、啤酒和碳酸飲料制造行業[34],也可作為原料制備附加值較高的化工產品,如純堿、白炭黑、金屬碳酸鹽、碳酸氫銨肥等無機化工產品[35]和低碳烴、合成氣、醇類、醚類、有機酸類、高分子聚合物等有機化工產品[36].近來,通過電化學將CO2轉化為碳納米管、石墨烯等高附加值的碳納米材料成為新興的綠色CO2利用途徑[37-38].此外,CO2生物利用技術也具有良好的應用前景,如微藻固碳和CO2氣肥技術在生物肥料、食品和飼料添加劑以及溫室大棚種植方面發揮著重要作用[39].CO2礦化利用是指利用富含鈣、鎂的大宗固體廢棄物(如煉鋼廢渣、水泥窯灰、粉煤灰等)礦化CO2聯產無機碳酸鹽等化工產品,在實現CO2減排的同時生產具有一定價值的無機化工產物,是一種非常有前景的大規模固定、利用CO2的途徑.當前,我國已在鋼渣、磷石膏礦化利用技術方面取得重要進展[40-41].

1.3.2 化石能源固碳利用新途徑 化石燃料既提供能源,又為化學工業、材料制造等提供原料,因此稱其為化石材料更全面和準確.然而,目前化石材料的能源和材料利用是分離的,如火電廠僅利用煤和天然氣的能源部分,材料部分以CO2的形式排放;而石油、天然氣和煤化工僅利用其材料部分,未同時利用其能源.化石材料能源和材料同時綜合利用的一條創新路徑是通過燃燒前碳捕集與轉化利用相結合,將化石材料能源利用過程中所產生的CO2直接轉化為三聚氰酸[42-43].

過程中釋放的熱量(和H2)作為清潔能源利用,實現化石材料能源和材料成分的同時高效利用.該路徑不僅減排了大氣污染物,不排放CO2,而且提高了化石材料總的利用效率,綜合經濟效益更高.三聚氰酸也可繼續開發得到低成本、低碳排放、低內能的三類高固碳材料,為我國實現碳中和目標提供一條經濟可行的能源和材料利用路線.

特別是,甲烷(天然氣)發電聯產制三聚氰酸技術,相比于甲烷直接和氧氣燃燒發電,該技術能釋放甲烷直接燃燒66.11%的能量,同時聯產三聚氰酸.朱維群等[43]進行了500kg/h三聚氰酸的中試,能源利用率達40%,材料利用率達100%,經濟效益是只發電的10 倍.該過程具有規模化生產的可能,值得大力推廣.

1.4 CO2 封存技術

碳封存技術是將捕集的CO2進行安全儲存,不與大氣接觸,主要包括地質封存和深海封存.目前研究最多的是CO2地質封存利用技術,將CO2注入地質體內的同時利用地下礦物或地質條件生產有價值的產品,這不僅提高了CO2利用率,還具有較高的安全性和可行性.表2總結了當前的CO2地質封存利用技術,其中,CO2強化石油開采(CO2-EOR)技術最為成熟,兼具CO2封存和經濟收益,是目前唯一達到了商業化應用水平的有效方法[6].

表2 CO2 地質封存利用技術比較Table 2 Comparison of CO2 geological storage and utilization technologies

1.5 BECCS 技術

生物質能碳捕集與封存技術(BECCS)是一類特殊的CCUS 技術.區別于傳統CCUS 技術捕集化石燃料燃燒產生的CO2,BECCS 技術是將生物質能燃燒或轉化過程中的CO2進行捕集和轉化,全過程實現負排放.在碳排放難以完全消除的行業,未來BECCS 將發揮重要作用.IEA《2050年凈零排放:全球能源行業路線圖》[47]報告中預測,到2050年BECCS 捕集的碳排放將達到1.3Gt.

當前,BECCS 中生物質能生產的多種技術路線已被確立,而 CCS 技術基本處于示范階段.BECCS 盡管被認為是極具前景的負碳技術,但是其推廣應用仍面臨諸多挑戰,包括規模和土地可獲得性等[48],尤其是大規模生物能源生產可能對糧食安全、土地退化、生物多樣性和水供應產生不利影響[49].

2 CCUS 技術的應用現狀及面臨挑戰

2.1 CCUS 技術示范工程進展

截至2023年3月,全球CCUS 工業示范項目中,碳捕集、輸運、利用和封存能力超過10 萬t CO2/a的項目(或捕集能力達1000t CO2/年的DAC 設施)共計573 個,預計2030年全球的碳捕集能力將達到320.9MtCO2/a[50],當前距離這一目標尚存在較大差距.如圖2a所示,全球計劃中的CCUS 項目為499 個,占比87.09%,而實際運行和投建的項目數分別為47和23,僅占12.22%.

圖2 (a)全球CCUS 項目狀態,(b)運行、(c)計劃和(d)在建項目的技術類型分布及(e)CCUS 項目的行業分布Fig.2 (a)The status of global CCUS projects,and distributions by technology type of(b)projects in operation,(c)planned projects,and(d)projects under construction;and(e)sectoral distributions of CCUS projects

從技術環節分布來看,實際運行、在建和計劃的項目中碳捕集和全鏈類的項目占比均較高.實際運行的項目中全鏈類CCUS 項目為33 項(圖2b),占比70.21%.可見,當前全球已非常注重CCUS 全鏈條技術環節的集成,對此美國、英國、荷蘭、挪威、阿聯酋等國家建設的CCUS 產業集群做出重要貢獻[51];計劃的項目中(圖2c),碳捕集和全鏈類占比分別為44.69%(223)和19.64%(98);當前正在建設的CCUS項目中(圖2d),碳捕集和全鏈類項目分別為10 項(43.48%)和8 項(34.78%).

從行業分布來看(圖2e),電力供熱行業CCUS 項目占比最高(14%),該行業是化石能源消費及碳排放的主要部門,也是全球實現碳減排目標的關鍵,已率先部署CCUS 項目.CO2制氫/氨氣和生產生物燃料能夠實現廢物的資源化利用,成為近來的研究熱點[36,52-53].CO2轉化為化工產品和生物能源,可抵消CCUS 項目的設備和運行成本,有利于CCUS 技術的發展和推廣.然而,當前水泥和鋼鐵行業擁有的CCUS 工業示范項目僅占6%.因工藝要求和燃煤為主的高溫熱處理特點,水泥和鋼鐵行業短期難以通過大規模節約燃煤、提高清潔替代燃料占比等方式實現碳減排目標.采用CCUS 技術來平穩能源結構,是該行業實現規模減碳的可行路徑.

從國家分布來看(圖3),美國、英國和加拿大的CCUS 項目數在全球處在絕對的領先地位,這得益于強有力的政策支持和基礎條件.我國以20 個CCUS 項目排名第7,與其他發達國家相比存在較大差距.目前我國有6 個實際運行能力達10 萬t CO2/年的項目,數量僅次于美國和加拿大,每年可捕集2.15Mt CO2.中國石化建設的齊魯石化-勝利油田CCUS 項目,是我國規模最大的CCUS 全流程項目,也是石化零碳產業鏈構建示范項目,標志著我國CCUS 技術和工程示范進入新階段.盡管近年來我國在CCUS 技術應用和工程示范方面均取得顯著進展,但相較于國際先進水平,我國CCUS 技術工程示范項目在整體規模、集成程度、離岸封存、工業應用等方面尚存在較大差距[51].

圖3 各國CCUS 項目數排名Fig.3 Ranking of CCUS projects in various countries

2.2 我國CCUS 技術面臨的挑戰

目前,我國的CCUS 技術總體上還處于研發和示范的初級階段,面臨著經濟、技術、環境和政策等多方面的難題[54-55],要實現規模化發展還存在諸多挑戰.

2.2.1 經濟成本 高昂的投資運營成本是CCUS技術應用的最大阻力.目前,單個CCUS 項目的建設投資額達數千萬甚至上億元,如全球最大的CCUS項目Petra Nova Carbon Capture,光建設耗資就超過10 億美元.由于經濟性因素,該項目于2021年1月29日停運,這警示今后CCUS 項目必須考慮經濟上的可持續性[56].CCS 環節也會產生高額成本,當前我國的CCUS 項目凈減排成本為120～730 元/t CO2[51].例如,華能上海石洞口第二電廠碳捕集項目的投資成本約為1 億元,安裝燃燒后碳捕集裝置后,電價由0.26 元/(kW·h)增至0.5 元/(kW·h)[57].總體而言,我國CCUS 項目面臨的高能耗、高成本的問題更嚴重,實際運行項目的企業收益率只能維持在2%甚至以下,打消了企業開展CCUS 示范項目的積極性.

2.2.2 關鍵技術 研究表明,我國要實現碳中和目標,需CCUS 項目貢獻5～29 億t CO2減排量[58].盡管在各技術環節均有工程示范,但相較全球先進水平,我國CCUS 技術仍難以大規模推廣.未來需加強關鍵技術突破,包括低能耗低成本碳捕集、負排放、超臨界CO2管道輸送、離岸封存、CO2生物利用等技術[58].這需要大量的前期資金投入,否則我國CCUS技術無法獲得進步,未來在國際技術戰略競爭中不利,也直接影響我國碳中和目標實現.

2.2.3 環境影響 目前CCUS 項目主要的環境風險來自CO2封存利用環節.在地質封存利用方面,難以預見和不可控制的地質運動(如地震)和CO2對地層的腐蝕導致CO2泄露,形成災難性的窒息區域和陡增的溫室效應,從而引發土壤、地下水、大氣等一系列環境問題,并對動植物及人類產生致命威脅[59].據測算,中國近海海域CO2地質封存量中值約7000億t[60],未來我國海洋也可能成為重要的CO2封存地.然而,深海泄露的CO2會與周圍的沉積物、海水發生反應,改變H+、CO32-和HCO3-濃度,并有可能引起海洋pH 值和碳酸鹽飽和狀態的急劇波動,對海洋生態系統產生重大不利影響[61].因此,未來我國需注重CCUS 項目實施的環境風險評估,提升防范泄露的碳封存技術并加強監測管理.

2.2.4 政策支持 自2006年起,我國陸續發布了20 多項涉及CCUS 的國家政策,確立了CCUS 在應對氣候變化領域的重要地位,積極推動 CCUS技術推廣和示范項目建設,但尚未建立CCUS 的專項法律法規和標準體系.法律法規的不完善對企業來說意味著多重風險,直接削弱了企業參與CCUS 項目的積極性.同時,缺少有效的政策激勵和具體的財稅支持,是目前企業開展CCUS 研究和示范項目的主要障礙.此外,示范項目的選址、建設、運營和地質利用與封存場地關閉及關閉后的環境風險評估、監控等方面同樣缺乏相關的法律法規和標準.

3 我國CCUS 技術應用展望

當前國內開展的碳捕集項目絕大多數為工業化集中捕集,燃燒前、燃燒后、富氧燃燒技術均有示范項目.碳封存項目以CO2-EOR 為主,但其收益嚴重依賴于石油價格,經濟上可持續性較差,能創造附加值產品的碳利用項目很少,導致高成本、高能耗的碳捕集和封存項目與碳利用階段存在脫節,難以產生經濟效益,制約碳捕集項目發展.未來我國CCUS項目部署的重點任務,在于拓展CO2資源化利用途徑,補齊“U”環節,促進CO2資源的商業化應用,建立相關的產業鏈集群.

3.1 CO2 利用的發展趨勢

CO2資源化利用的主要發展趨勢包括:CO2轉化為高附加值碳基新材料[62]、CO2的化工利用[63]、人工生物合成[64]、油氣行業[65]、富碳農業[66]、建筑行業[67]和環保行業應用[68]等七個方向.

3.1.1 CO2轉化為高附加值碳基新材料 CO2轉化制造碳納米管和石墨烯等高附加值的碳基新材料,將成為我國煤電廠等實現碳中和的有效路徑之一,它將為整體碳中和提供可持續的經濟基礎.碳納米材料已經在鋰電池導電漿料和導電塑料等產品中得到廣泛應用,還能夠用于太陽能導電銀漿、防腐涂料和導熱硅脂等.但是,目前高新材料需求有限.以碳納米管為例,2021年全國的市場規模僅10 萬t,即使未來快速增長,對于消納CO2的作用也極為有限[69].因此,煤電等行業碳中和還需另尋出路.

3.1.2 化工利用 化工利用是CO2資源化利用的主要途徑.如圖4所示,CO2、煤、石油、天然氣和生物質作為工業的五大基礎原材料,構建全新的CO2經濟產業鏈,不僅可用于生產甲醇、烯烴等基礎化工品,還可用于生產各種中間體及上萬種終端產品.當前,國內CO2化工利用研究和工程應用取得重要進展.例如,華中科技大學龐元杰教授團隊以CO2為原料高效制備醋酸,能夠連續820h 保持醋酸生成率80%以上,在選擇性、能量轉化效率、穩定性上打破了世界紀錄[70];山西清潔碳研究院提純工業煙氣中的CO2,不僅將其轉化為碳酸酯等化工產品,還利用超臨界CO2制造輕質材料,用于飛機汽車內飾件、包裝材料等節能環保產品.隨著技術進步和成本降低,CO2資源化利用逐漸推廣,化工行業有望加速實現綠色化.

圖4 以CO2 為基礎原材料的中間和終端產品生產流程Fig.4 Flow-chart of intermediate and end-products production process using CO2-based raw materials

光電催化還原是CO2化工利用的重要手段之一.光電催化還原法在溫和條件下將CO2高效轉化成高附加值化學品,發展前景良好[71].光電催化還原CO2技術商業化應用的關鍵在于開發性能優越的催化劑,即具備高活性、高選擇性和長期耐久性以及生產有價值產品的能力[72].以往研究多利用Sn-SAC(單原子催化劑)、Sb-SAC、Sn 基和In 基雙金屬催化劑、多孔材料[73]、納米材料催化還原CO2生產甲酸、甲醇和CO,Cu 基催化劑在光電催化CO2生產CH4、C2及C2+有機產品中表現優異[74].然而,催化劑的穩定性以及光電催化還原CO2過程中的低電流密度和功率利用阻礙了它們的工業應用.未來,可通過制備納米材料,控制納米催化劑的結構演變以及調節其反應微環境來提高光電催化轉化CO2的效率,加速該技術的商業化應用.

3.1.3 人工生物合成 人工生物合成是極具前景的碳利用技術.其中,微藻具有光合效率高、生長速度快、環境適應性強、脂質生產率高和固碳能力強的優點,被認為是燃燒后CO2捕集和生物利用的一種很有前途的方法[75-76].固定的CO2可用于合成生物燃料,并得到食品、飼料、肥料等高附加值產品,使得經濟效益和環境效應最大化.微藻固碳可在常溫常壓下實施[77],目前研究主要集中在高效固碳藻種選育、基因工程改造等方面,如利用CRISPR 技術進行生物轉基因是研究前沿[78-79],可提高微藻固碳速率,甚至可實現藻油品質“定制化”.以CO2為原料實現重要化學品的工業生物制造符合我國“雙碳”戰略需求.盡管物理化學技術和自然光合生物可以轉化利用CO2,但是能量利用效率低、物質轉化速度慢,嚴重制約了CO2轉化利用的發展.結合生物、物理與化學固碳優勢,創建雜合固碳合成重要化學品的工業新路線,推動工業原料路線的戰略轉移,創新增加碳匯的技術路徑,對培育戰略性新興產業,服務于全球可持續發展,具有重大戰略意義.

當前,我國正積極部署“基于化學品合成的工業生物固碳新技術及過程強化”,圍繞CO2到化學品的工業生物制造全過程,通過催化科學、合成生物學、人工智能和納米材料等學科交叉,開展雜合固碳工程化、固碳元件智能設計與改造等關鍵技術研究,強化納米生物酶碳捕集、電-酶催化轉化、生物質耦合固碳等雜合固碳過程,建立可再生能源驅動的工業固碳新工藝,為CO2生物制造重要化學品提供高性能固碳元件,解決從CO2到重要化學品生物合成的技術瓶頸,實現從CO2到化學品合成路線的全生命周期負碳生產,為高效工業生物固碳及全球碳中和提供重要的科技支撐.

3.1.4 油氣行業 現階段我國以煤炭為主的能源消費結構短期難以改變[80],在油氣行業合理利用CO2-EOR 技術,不僅實現了CO2封存,而且有效保障國家的能源開采效率以及化石能源供應.然而,當前CO2-EOR 主要應用案例集中在美國、加拿大和歐洲,這得益于這些國家的油氣資源豐富,開采技術發達.反觀我國“缺油少氣”的現實條件,未來CO2-EOR技術的應用潛力比較有限.

3.1.5 其他行業 我國農業、建筑業和環保行業中CO2的轉化利用,同樣具有巨大潛力.

在農業方面,通過向溫室內增施一定量的CO2,可提高農作物的產量和生產效率.我國擁有世界最大面積的種植大棚,通過CO2氣肥技術發展富碳農業具有良好前景.

在建筑業方面,CO2礦化制備混凝土技術永久安全,固碳潛力巨大.該技術中CO2與水泥中的Ca2+和Mg2+反應生成CaCO3和MgCO3顆粒,將CO2永久固定到混凝土中的同時,還可以縮短混凝土初凝時間、提高抗壓強度以及減少水泥用量.最近,日本大成建設研發的“T-eConcrete(R)/Carbon Recycle”技術[81],可將大量的CO2固定在混凝土中,固碳量70～170kg CO2/m3.2021年我國商品混凝土產量達32.93 億m3[82],具有發展CO2礦化利用技術的良好基礎.

在環保行業方面,可開展固碳減污協同處置.如推進工業固廢礦化CO2聯產化工產品,如粉煤灰、冶煉廢渣和建材廢渣的總量分別達5.5 億,4.0 億和0.5億t,實際固碳比可分別達到3%～29%、16%～29%和10%～25%,有望實現CO2的大幅減排以及固廢的資源化利用.目前,國內在鋼渣強化碳酸化多聯產技術、磷石膏加壓碳酸化聯產硫銨技術方面取得重要進展,已進入工業中試和工程示范階段.

3.2 CO2 轉化利用發展路徑

3.2.1 CO2轉化利用金字塔模型 合理選擇CO2轉化利用路徑,完全轉化捕集的CO2并產生相當比例的經濟收益,是CCUS 技術成功實施,實現碳中和目標的關鍵.在此,根據多年對CCUS 技術、示范項目研究的經驗,綜合5 個維度(CO2轉化量、轉化能耗、轉化投資、轉化產值及轉化利潤)提出CCUS技術中CO2轉化利用金字塔模型(圖5).CO2驅油、礦化的產品經濟價值不高,但需求量巨大、能耗較低,可實現大規模的CO2消納;CO2化學和生物轉化的產品兼具較高的附加值和較大的應用市場,能耗處于中等水平,但是投資相對較高;碳納米材料等新材料具有最高附加值,但與其他轉化利用途徑相比,能耗較高、需求量較低.

圖5 CO2 轉化利用金字塔模型Fig.5 A pyramid model of CO2 conversion and utilization

未來,我國CCUS 項目實施過程中,應以CO2轉化利用金字塔模型為基礎,根據捕集的CO2特征,優化組合CO2轉化利用路徑,合理分配各路徑比例,建立既能滿足足量的CO2捕集利用封存,又具有經濟可持續性的碳中和路徑.

3.2.2 中國煤電行業CO2轉化利用路徑 IEA 指出,2021年全球電力行業的碳排放占比為35.51%[83],是當前及未來CCUS 技術項目部署的首要行業.而對于我國這種煤炭依賴型國家,煤電產生的碳排放占比更高,接近 50%[69],因而我國電力行業對于CCUS 項目部署具有更迫切的需求.在碳利用環節,目前我國主要采用CO2-EOR 技術,而鑒于我國“富煤、缺油、少氣”的現實條件,大力推廣CO2驅油技術并不適合,應尋找經濟可承受的碳捕集利用方案,從而實現我國大規模的CO2轉化利用.基于CO2轉化利用金字塔模型,本文以60 萬kW 煤電廠為例,提出一條CO2轉化利用組合路徑(圖6),為CCUS 項目部署提供啟示.

圖6 中國煤電行業CO2 轉化利用路徑組合Fig.6 Combination of CO2 conversion and utilization paths in China’s coal power industry

其中CO2轉化為碳納米材料占比較低,僅為4.1%,但卻具有最高的利潤比例(56.2%),化學與生物轉化CO2的比例均為20%,并且具有較高的利潤比例.CO2捕集、轉化為碳納米材料、化學與生物轉化的投資比例分別為9.3%、27.2%、31.4%和25.1%.混凝土礦化、農業氣肥、干冰及液態CO2利用雖然利潤比例較低,但實現了較高比例的CO2消納,投資也低.據測算,在上述組合下,一座60 萬kW 的煤電廠中CCUS 技術將捕集全部排放的CO2,并完全轉化利用,同時能獲得高額的碳基新材料產品收益,有望走出一條具有經濟效益的可持續碳中和路徑.

4 結論與建議

CCUS 技術是實現碳中和必不可少的措施,對經濟社會高質量發展具有重要意義.本文總結了CCUS 各環節技術及國內外工程示范進展,分析了目前CCUS 技術應用面臨的挑戰,其中高能耗高成本是CCUS 技術發展的首要阻力.筆者認為僅靠碳捕集技術很難達到化石能源活動的碳中和目標,要加快CO2資源化利用布局,創新高附加值碳轉化利用技術.因此,本文提出CO2轉化利用金字塔模型,并以我國60 萬kW 煤電廠為例優化組合CO2捕集利用路徑,為煤電行業經濟可持續的碳中和路徑提供啟示.

綜合研究結果,對我國CCUS 技術發展提出以下建議:

(1)密切跟蹤全球CCUS 先進技術,準確把握前沿技術方向,加速技術布局和裝備研發.建議科技部、生態環境部、國家發改委等部委,通過多種方式儲攬布局全球CCUS 技術,發揮“集中力量辦大事”的體制優勢,借鑒高鐵和光伏等產業的發展經驗,依托國內巨大市場,集中開展科技戰略攻關,迅速降低成本,爭取在較短時間內實現突破和趕超.對于參與世界CCUS 技術同臺競爭的中國科研人員,要充分發揮好引領示范作用,確保人才和技術為我所用.

(2)出臺系列扶持政策,成立國家碳捕集利用基金,支持重點企業開展污染物和CO2協同減排示范工程.建議生態環境部借鑒火電環保電價等成功經驗,聯合國家發改委和財政部等部委,盡快將CCUS納入政策支持范圍,支持力度不低于美國;同時成立國家碳中和技術創新基金,專門用于支持顛覆性的脫碳技術研發和項目建設.

(3)鼓勵有條件的地方抓住CO2資源化利用契機,打造新格局下高質量發展典范.碳納米管、石墨烯、碳基芯片等,是世界各國爭相占領的科技高地,也是當前我國主要的卡脖子技術領域.建議工信部牽頭聯合國家發改委和主要金融機構等,支持有條件的地方,如溫室氣體排放量大,有志發展芯片產業,卻在傳統硅基技術無優勢的地方,抓住CO2資源化契機,另辟蹊徑,走出一條科技戰略支撐高質量發展的新路子,在關鍵領域實現彎道超車.

(4)發揮國有制經濟優勢,激勵電力、鋼鐵、化工、建材、通信、電子等領域骨干國企擔當CCUS 突破先鋒.建議國資委牽頭,聯合國家發改委、生態環境部等部委,制定合理的考核指標和措施,激勵這些領域的國有骨干企業,整合上下游產業鏈,擔當CCUS研發建設先鋒,實現卡脖子技術突破、溫室氣體減排和自身高質量發展的多贏.