二氧化碳捕集、利用與封存

什麼是CCUS？

二氧化碳（CO2）捕集利用與封存（CCUS）是指將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO2永久减排的過程。 CCUS在二氧化碳捕集與封存（CCS）的基礎上新增了“利用（Utilization）”，這一理念是隨著CCS科技的發展和對CCS科技認識的不斷深化，在中美兩國的大力宣導下形成的，現時已經獲得了國際上的普遍認同。 CCUS按科技流程分為捕集、輸送、利用與封存等環節。

CO2捕集是指將CO2從工業生產、能源利用或大氣中分離出來的過程，主要分為燃燒前捕集、燃燒後捕集、富氧燃燒和化學鏈捕集。

CO2輸送是指將捕集的CO2運送到可利用或封存場地的過程。根據運輸方式的不同，分為罐車運輸、船舶運輸和管道運輸，其中罐車運輸包括汽車運輸和鐵路運輸兩種方式。

CO2利用是指通過工程技術手段將捕集的CO2實現資源化利用的過程。根據工程技術手段的不同，可分為CO2地質利用、CO2化工利用和CO2生物利用等。其中，CO2地質利用是將CO2注入地下，進而實現强化能源生產、促進資源開採的過程，如提高石油、瓦斯採收率，開採地熱、深部鹹（鹵）水、鈾礦等多種類型資源。

CO2封存是指通過工程技術手段將捕集的CO2注入深部地質儲層，實現CO2與大氣長期隔絕的過程。按照封存位置不同，可分為陸地封存和海洋封存；按照地質封存體的不同，可分為咸水層封存、枯竭油氣藏封存等。

生物質能碳捕集與封存（BECCS）和直接空氣碳捕集與封存（DACCS）作為負碳科技受到了高度重視。 BECCS是指將生物質燃燒或轉化過程中產生的CO2進行捕集、利用或封存的過程，DACCS則是直接從大氣中捕集CO2，並將其利用或封存的過程。

CCUS科技及主要類型示意圖

二氧化碳捕集

二氧化碳捕集科技的覈心任務是將液化天然氣、氫氣廠、鋼鐵廠、水泥廠、發電廠、以及石油煉化廠等“碳排放大戶”所產生的二氧化碳收集起來，並用各種方法儲存以避免其排放到大氣中的。如何解决在生產流程中將二氧化碳捕集起來，是問題的關鍵所在。現時，二氧化碳捕集一般採用以下幾種管道：

1、燃燒後捕集

燃燒後捕集是國內主要採用的方法。通過溶液吸收法、固體吸收法、膜吸收法等對燃燒後排放的煙氣中捕捉其中的二氧化碳，較適用於火力發電。

優點：改造幅度小，設備緊湊。

缺點：能耗高、成本高、效率低。

2、燃燒前捕集

將氧氣或空氣引入整體煤氣化聯合循環系統，可以使煤和生物質燃料等原料高壓氣化，然後進行水煤氣轉化，產生二氧化碳和氫氣。此時，二氧化碳的壓力和濃度都很高，很容易捕獲二氧化碳。

優點：系統體積小，能耗低，效率高。

缺點：投資成本高，可靠性有待提高。

3、富氧燃燒

通過制氧技術，將空氣中的氮氣脫出，直接採用高濃度氧氣與排放出的煙氣進行燃燒，從而提高燃燒效率（約提高17%~35%），提高二氧化碳純度，降低一氧化碳等副產物產生。

優點：節能環保。

缺點：對操作環境有要求、制氧環節難度大。

4、溶液吸收法

溶液吸收法也是國內主要採用的方法。主要使用乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、二异丙醇胺、甲基丙醇胺等溶劑。

優點：吸收速度快、淨化度高、二氧化碳回收率高。

缺點：溶劑再生耗能高、溶劑腐蝕性强。

5、固體吸收法

主要使用活性炭、分子篩、水滑石、籠狀水合物、矽酸鹽、碳酸鹽等物質。

優點：吸收容量大、能耗較低、腐蝕性小。

缺點：二氧化碳回收率低。

6、膜吸收

膜吸收法是將膜和化學吸收相結合，主要採用微孔膜的科技，隔離混合氣體與吸收液，依靠膜的另一側的吸收液的選擇性吸收達到分離混合氣體中二氧化碳的目的。

優點：能耗低、操作簡單。

缺點：投資高，工業化不成熟。

以燃燒後捕集化學吸收法為例，其二氧化碳捕捉要經過脫碳——吸收再生——壓縮幹化——迴圈利用等環節，涉及到煙氣吸收塔、換熱器等設備。

二氧化碳的利用與封存

捕集獲得的二氧化碳，我們需要怎麼處理呢？一般採用兩種方式：利用和封存。

二氧化碳利用

1、驅油

原理：開採原油時需要將原油從地底壓上來以提高採收率，以前通常是採取水壓或其它氣體操作，現在可以利用捕集來的二氧化碳進行驅油。

缺點：這種方法不能起到封存的作用，捕捉來的二氧化碳也會逃逸至大氣中。

2、催化反應

原理：將捕集來的二氧化碳和氫氣通過催化還原成甲醇。

缺點：成本高，獲取二氧化碳的成分不够清潔，反應的催化劑不够高效。

3、光合作用

原理：將捕集來的二氧化碳注入植物大棚中，使其中的二氧化碳濃度達到高於幾倍大氣，强化植物光合作用，加快植物生長的同時消耗二氧化碳而生成氧氣。

缺點：利用率極低。

二氧化碳封存

1、地質封存

原理：將捕集來的二氧化碳適宜的地質結構深層（如成熟或已經耗盡的氣油田地質結構、深層鹽鹼含水層、廢棄的含煤層），壓力會將二氧化碳轉換成“超臨界流體”，使其不容易洩漏。

缺點：適宜的地質結構有限，注入管道不易。

2、海洋封存

原理：將捕集來的二氧化碳通過輪船、管道運輸到深海海底利用海水進行封存。

缺點：高濃度二氧化碳含量將會殺死海底生物、易導致海水酸化等。

中國已具備大規模捕集利用與封存CO2的工程能力，正在積極籌備全流程CCUS產業集群。 CCUS各科技環節均取得了顯著進展，部分科技已經具備商業化應用潜力。

捕集科技：CO2捕集技術成熟程度差異較大，現時燃燒前物理吸收法已經處於商業應用階段，燃燒後化學吸附法尚處於中試階段，其它大部分捕集科技處於工業示範階段。燃燒後捕集科技是現時最成熟的捕集科技，可用於大部分火電廠的脫碳改造，國華錦界電廠開展的15萬噸碳捕集與封存示範專案正在建設，是現時中國規模最大的燃煤電廠燃燒後碳捕集與封存全流程示範專案。

燃燒前捕集系統相對複雜，整體煤氣化聯合迴圈（IGCC）科技是典型的可進行燃燒前碳捕集的系統。國內的IGCC項目有華能天津IGCC項目以及連雲港清潔能源動力系統研究設施。富氧燃燒科技是最具潜力的燃煤電廠大規模碳捕集科技之一，產生的CO2濃度較高（約90%~95%），更易於捕獲。

富氧燃燒科技發展迅速，可用於新建燃煤電廠和部分改造後的火電廠。當前第一代碳捕集科技（燃燒後捕集科技、燃燒前捕集科技、富氧燃燒科技）發展漸趨成熟，主要瓶頸為成本和能耗偏高、缺乏廣泛的大規模示範工程經驗；而第二代科技（如新型膜分離科技、新型吸收科技、新型吸附科技、增壓富氧燃燒科技等）仍處於實驗室研發或小試階段，技術成熟後其能耗和成本會比成熟的第一代科技降低30%以上，2035年前後有望大規模推廣應用。

輸送科技：在現有CO2輸送科技中，罐車運輸和船舶運輸科技已達到商業應用階段，主要應用於規模10萬噸/年以下的CO2輸送。

中國已有的CCUS示範專案規模較小，大多採用罐車輸送。華東油氣田和麗水氣田的部分CO2通過船舶運輸。筦道輸送尚處於中試階段，吉林油田和齊魯石化採用路上筦道輸送CO2。海底管道運輸的成本比陸上筦道高40%~70%，現時海底筦道輸送CO2的科技缺乏經驗，在國內尚處於研究階段。

利用與封存科技：在CO2地質利用及封存科技中，CO2地浸采鈾科技已經達到商業應用階段，EOR已處於工業示範階段，EWR已完成先導性試驗研究，ECBM已完成中試階段研究，礦化利用已經處於工業試驗階段，CO2强化瓦斯、强化葉岩氣開採科技尚處於基礎研究階段。

中國CO2-EOR項目主要集中在東部、北部、西北部以及西部地區的油田附近及中國近海地區。國家能源集團的鄂爾多斯10萬噸/年的CO2咸水層封存已於2015年完成30萬噸注入目標，停止注入。國家能源集團國華錦界電廠15萬噸/年燃燒後CO2捕集與封存全流程示範專案，擬將捕集的CO2進行咸水層封存，現時尚在建設中。

長慶油田公司榆林定邊姬原油田CO2-EOR試驗區項目

2021年7月，中石化正式啟動建設我國首個百萬噸級CCUS項目（齊魯石化——勝利油田CCUS項目），有望建成為國內最大CCUS全產業鏈示範基地。中國科學院過程工程研究所在四川達州開展了5萬噸/年鋼渣礦化工業驗證項目；浙江大學等在河南强耐新材股份有限公司開展了CO2深度礦化養護制建材萬噸級工業試驗項目；四川大學聯合中石化等公司在低濃度尾氣CO2直接礦化磷石膏聯產硫基複合肥技術研發方面取得良好進展。中國CO2化工利用科技已經實現了較大進展，電催化、光催化等新技術大量湧現。但在燃燒後CO2捕集系統與化工轉化利用裝置結合方面仍存在一些科技瓶頸尚未突破。生物利用主要集中在微藻固定和氣肥利用方面。

中國CCUS現狀

中國已投運或建設中的CCUS示範專案約為40個，捕集能力300萬噸/年。多以石油、煤化工、電力行業小規模的捕集驅油示範為主，缺乏大規模的多種科技組合的全流程工業化示範。 2019年以來，主要進展如下：

捕集：國家能源集團國華錦界電廠新建15萬噸/年燃燒後CO2捕集項目；中海油麗水36-1氣田開展CO2分離、液化及制取乾冰項目，捕集規模5萬噸/年，產能25萬噸/年。

地質利用與封存：國華錦界電廠擬將捕集的CO2進行咸水層封存，部分CO2-EOR項目規模擴大。

化工、生物利用：20萬噸/年微藻固定煤化工煙氣CO2生物利用項目； 1萬噸/年CO2養護混凝土礦化利用項目； 3000噸/年碳化法鋼渣化工利用項目。

中國已具備大規模捕集利用與封存CO2的工程能力，正在積極籌備全流程CCUS產業集群。國家能源集團鄂爾多斯CCS示範專案已成功開展了10萬噸/年規模的CCS全流程示範。中石油吉林油田EOR項目是全球正在運行的21個大型CCUS項目中唯一一個中國項目，也是亞洲最大的EOR項目，累計已注入CO2超過200萬噸。國家能源集團國華錦界電廠15萬噸/年燃燒後CO2捕集與封存全流程示範專案已於2019年開始建設，建成後將成為中國最大的燃煤電廠CCUS示範專案。 2021年7月，中石化正式啟動建設我國首個百萬噸級CCUS項目（齊魯石化——勝利油田CCUS項目）。

中國CCUS科技項目遍佈19個省份，捕集源的行業和封存利用的類型呈現多樣化分佈。中國13個涉及電廠和水泥廠的純捕集示範專案總體CO2捕集規模達85.65萬噸/年，11個CO2地質利用與封存項目規模達182.1萬噸/年，其中EOR的CO2利用規模約為154萬噸/年。中國CO2捕集源覆蓋燃煤電廠的燃燒前、燃燒後和富氧燃燒捕集，燃氣電廠的燃燒後捕集，煤化工的CO2捕集以及水泥窑尾氣的燃燒後捕集等多種科技。 CO2封存及利用涉及咸水層封存、 EOR、驅替煤層氣（ECBM）、地浸采鈾、CO2礦化利用、CO2合成可降解聚合物、重整製備合成氣和微藻固定等多種方式。