碳捕集、利用与封存（CCUS）技术工艺及其适用性 | 深度解析

CCTC® 3060

碳捕集、利用与封存（CCUS）是指将工业和有关能源产业所生产的CO₂分离、利用，输送至封存地点并长期与大气隔绝的过程。

国际能源署(IEA)、联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)、国际可再生能源机构(IRENA)等均指出CCUS是最具潜力、最具实效的碳处理技术。作为我国实现碳中和目标技术组合的重要组成部分，不仅是我国化石能源低碳利用的唯一技术选择，保持电力系统灵活性的主要技术手段，而且是钢铁水泥等难减排行业的可行技术方案。

CO₂捕集

CO₂捕集技术是指将电力、化工等行业利用化石能源时产生的CO₂进行收集和分离的过程，该环节是CCUS系统耗能和成本产生的主要环节。按照分离流程，捕集技术可划分为3个方向:燃烧前捕集、富氧燃烧捕集、燃烧后捕集。

燃烧前捕集技术 包括整体煤气化联合循环发电（IGCC）和工业分离两大类。IGCC是将煤炭、生物质、石油焦等燃料进行气化，净化后的气体用于燃气—蒸汽联合循环发电的技术；工业分离是指煤制油、煤制气、天然气处理、水泥、甲醇、化肥等产业中进行CO₂分离。

富氧燃烧捕集技术 是利用高纯度的 O₂ 代替空气，与化石燃料以及燃烧后返回的部分高浓度CO₂一起进入燃烧室燃烧，生成以水蒸气、CO₂、SO₂、NOx和颗粒物为主的烟气，颗粒物和SO₂可分别通过传统的静电除尘器和烟气脱硫方法去除，剩余烟气中的CO₂浓度很高，体积分数一般为80%～98%，易于捕集。 CCTC® 富氧燃烧捕集技术具有相对成本低、易于现有机组改造、烟气中没有氮氧化合物等优势，被认为是最有可能大规模推广和商业应用的CO₂捕集技术之一。然而，使用空气分离设备制备O₂的时候会消耗大量能量，造成成本上升，并且烟气中的SO₂会加剧系统腐蚀问题。国内的华中科技大学、神华国华电力研究院相继开展了富氧燃烧烟气压缩净化工艺探索。

待碳捕集完成后还需进行CO₂的分离，目前最先进且被广泛采用的方法是化学吸收、物理分离、膜分离法等。

除了以上三种对化石燃料和工业过程产生的二氧化碳进行捕集的传统CCUS捕集技术。近年来，生物质能-碳捕集（BECCS）技术和空气碳捕集（DACCS）技术也取得了一定的发展。生态环境部环境规划院按照可持续发展情景估计，到2070年，生物质能和空气碳捕集途径占比将进一步上升，从2050年的19.6%上升至36.2%。

生物质能-碳捕集与封存（BECCS）技术 利用植物的光合作用，结合生物质能和CCUS来实现温室气体负排放，将大气中的二氧化碳转化为有机物，并以植物生物质的形式积累存储下来，在长期缓解二氧化碳排放方面具有明显优势，在全球范围内具有可观的碳潜力。目前美国、英国等一些发达国家进行了BECCS相关的示范工程，预计接下来将有更多的国家投入到这一领域。

直接空气碳捕捉（DACCS） ，指利用化学反应，将空气中的碳提取出来，当空气经过装有液体溶剂或固体吸附剂（均为常见的化学品）的装置时，二氧化碳会留在溶剂或吸附剂中，而其他成分则离开装置回到空气中。当溶剂或吸附剂“装满”了二氧化碳后，对充满二氧化碳的溶剂或吸附剂进行加热脱碳，溶剂或吸附剂得以循环利用，而脱出的二氧化碳被注入并封存在地层，或者被直接利用。至今技术最成熟的几个公司分别是Climeworks, Carbon Engineering和Global Thermostat。这三家公司共有18个工厂，各工厂的产能从捕捉1吨二氧化碳/年到4000吨二氧化碳/年不等，18个工厂的产能合计每年捕捉8000吨二氧化碳，其中，约有4000吨二氧化碳是被永久封存的，另外4000吨，则被出售另作他用。年产能为捕捉1百万吨二氧化碳每年的试验工厂已在建设中，落于美国西南地区，预计2024年底投产。直接空气碳捕捉这项技术被归为“技术成熟度6级”，意味着 这项技术仍然处于完全商用前的阶段，提高技术效益和降成本是目前的突破点。

CO₂运输

我国CO₂运输主要有公路罐车运输和管道运输。其中，公路罐车具有运输灵活、可利用现有公路系统、前期投资少等优势，但其运力低、单位成本高、挤占道路资源、易产生安全事故，主要适用于小规模、短距离、非连续性陆上运输的CCUS示范项目。管道运输具有运量大、运输距离远、可实现连续性运输、运输成本相对较低、受外界干扰影响小、挤占社会公共资源少等优势，是目前国际陆上大规模CCUS项目最主要的运输形式。但其前期投资高昂，受地形影响大，需要超前规划。

我国现有CCUS试点示范项目基本都采用公路罐车运输方式，现有商业化和示范项目中已建成CO₂运输管道3条，累计长度约80公里，分别是吉林油田EOR项目CO₂运输管道、华东油田EOR项目CO₂运输管道和胜利油田EOR项目CO₂运输管道。另有数条已完成预可研或设计，累计长度可超过300公里。根据北京理工大学能源与环境政策研究中心评估结果显示，若CCUS技术要实现约6亿吨CO₂的最大年减排需求，需要对全国172个煤电集群进行改造，需要182个封存枢纽参与 CO₂ 封存或利用，所需的CO₂运输管道总里程约1.7万公里，单条管道平均长度为57.7公里，最长长度达535公里。松辽盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地周边区域可以形成较好的管道运输网络结构，具有集群优先发展潜力。

CO₂利用

CO₂的资源化利用方式主要有：化工利用、生物利用和矿化利用。

CO₂的化工利用 是指以 CO₂ 为原料，与其他物质发生化学转化，产出附加值较高的化工产品，如甲醇、碳酸盐、乙酸、乙醇等。但由于CO₂是一种惰性气体，需要大量能量才能使其发生化学反应，这意味着将其转化为其他产品的成本可能会很昂贵，克服这个问题就需找到不需要消耗大量能量的产品，或者找到转换CO₂的低能耗方法。化学转化产品涉及多个领域，可转化二氧化碳量级在十万吨/千万吨级。 CCTC®

CO₂生物利用技术 是指，通过模拟自然界中植物和微生物等的自然光合作用过程，设计和构建出全新的人工光合体系与路径，从而将CO₂更加高效地转化为合成化学品和农业产品。目前微藻固碳技术是被广泛关注的方法，主要以微藻固定 CO₂ 转化为液体燃料和化学品、生物肥料、食品和饲料添加剂等。

此外，受天然生物固碳的启发，解析天然生物固碳酶的催化作用机理，融合各类技术创建了全新的人工固碳酶和固碳途径。在众多的碳利用技术中，融合合成生物学手段的人工生物转化CO₂技术扮演着尤其重要的角色:一方面实现高效的人工生物固碳，能够有效减少温室气体的排放量，加快向碳中和转化的推进步伐;另一方面还为解决粮食安全、太空探索等重大课题提供了关键思路。但该类技术距离商业化落地至少还需10年的时间。

CO₂矿化封存技术 是指模仿自然界CO₂矿物吸收过程，利用天然硅酸盐矿石或固体废渣中的碱性氧化物，如CaO、MgO等将CO₂化学吸收转化成稳定的无机碳酸盐的过程。起初该方法并未得到重视，原因在于矿物封存过程过于缓慢，理论上需要成百上千年。而后，冰岛的CarbFix项目改变了这个固有想法，CO₂在玄武岩层中的矿化速度十分惊人，远超过研究人员预期，不到两年时间，该项目近95%的 CO₂ 被矿化，证明了其在工业规模上的可行性。尽管如此，但该方法仍存在局限性，每吨CO₂的矿化过程需要消耗将近25 m³ 的水，因此该技术并不是在地球上所有地方都适用，且极其消耗水资源，并非良策。

随着技术的发展， 利用CO₂矿化处理废弃物成为新的研究思路。 利用富含钙、镁的大宗固体废弃物（如炼钢废渣、水泥窑灰、粉煤灰、磷石膏等）矿化CO₂联产化工产品，在实现CO₂减排的同时得到具有一定价值的无机化工产物，以废治废、提高CO₂和固体废弃物资源化利用的经济性，是一种非常有前景的大规模固定CO₂利用路线。目前已开发出基于氯化物的CO₂矿物碳酸化反应技术、湿法矿物碳酸法技术、干法碳酸法技术以及生物碳酸法技术等。我国在钢渣、磷石膏矿化利用技术方面也取得重要进展 。

二氧化碳转化与利用始终是CCUS技术创新突破难点，全球范围都将研发力量集中在该环节。只有少数技术(如强化采油和浸采采矿技术)发展较快，已进入商业化应用阶段，其余大部分技术仍属于研发或工业示范阶段，距离规模化落地仍有一定距离。从二氧化碳捕集量级及技术发展现状来看，除CO₂强化石油开采技术外，未来在短期内有望广泛应用/发展的转化方式为CO₂矿化封存技术(强化水泥方向)及化工利用(重整制备天然气等)方向。

CO₂封存

油藏可以作为CO₂封存的较为理想的场所，在油田开发过程中注入CO₂，一部分气体溶解或者扩散到原油和地层水当中，还有一部分与岩石反应沉积在油藏中。开始注入时，CO₂气体在液相密度差及浮力的作用下发生对流，使得CO₂向储层上方运移，直到被盖层阻止。该过程中CO₂与地下水接触，发生部分溶解。刚开始溶解时，接触面会首先形成饱和CO₂的盐水层，在不同盐水层密度差的作用下，CO₂将从高浓度向低浓度方向做重力扩散，该扩散以横向铺展为主，其动力以分子的自发扩散为主。在分子扩散主导的运移过程中，注入CO₂将进一步在盐水中溶解，其余的则继续横向迁移。对流、扩散、溶解和运移依次发生、相互促进。注入CO₂驱油的过程中，约3/5的气体留在油藏中，另外2/5随原油一起被开采出来，经过分离后再次注入油藏循环利用，并最终被封存在油藏中。

CO₂强化采油技术已进入商业应用，该技术在实现封存CO₂的同时可以提高石油采收率，额外采出的原油所实现的经济效益可以有效降低CCUS项目的成本，每注入1t CO₂可产出0.1～0.6t原油。由于油气藏具有完整的地质资料和基础设施等有利条件，在油田开展CCUS是当下大规模推广CCUS的主流方向。