二氧化碳捕集、利用与封存

什么是CCUS？

二氧化碳（CO2）捕集利用与封存（CCUS）是指将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程。CCUS在二氧化碳捕集与封存（CCS）的基础上增加了“利用（Utilization）”，这一理念是随着CCS技术的发展和对CCS技术认识的不断深化，在中美两国的大力倡导下形成的，目前已经获得了国际上的普遍认同。CCUS按技术流程分为捕集、输送、利用与封存等环节。

CO2捕集是指将CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程，主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链捕集。

CO2输送是指将捕集的CO2运送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同，分为罐车运输、船舶运输和管道运输，其中罐车运输包括汽车运输和铁路运输两种方式。

CO2利用是指通过工程技术手段将捕集的CO2实现资源化利用的过程。根据工程技术手段的不同，可分为CO2地质利用、CO2化工利用和CO2生物利用等。其中，CO2地质利用是将CO2注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气采收率，开采地热、深部咸（卤）水、铀矿等多种类型资源。

CO2封存是指通过工程技术手段将捕集的CO2注入深部地质储层，实现CO2与大气长期隔绝的过程。按照封存位置不同，可分为陆地封存和海洋封存；按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。

生物质能碳捕集与封存（BECCS）和直接空气碳捕集与封存（DACCS）作为负碳技术受到了高度重视。BECCS是指将生物质燃烧或转化过程中产生的CO2进行捕集、利用或封存的过程，DACCS则是直接从大气中捕集CO2，并将其利用或封存的过程。

CCUS技术及主要类型示意图

二氧化碳捕集

二氧化碳捕集技术的核心任务是将液化天然气、氢气厂、钢铁厂、水泥厂、发电厂、以及石油炼化厂等“碳排放大户”所产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的。如何解决在生产流程中将二氧化碳捕集起来，是问题的关键所在。目前，二氧化碳捕集一般采用以下几种方式：

1、燃烧后捕集

燃烧后捕集是国内主要采用的方法。通过溶液吸收法、固体吸收法、膜吸收法等对燃烧后排放的烟气中捕捉其中的二氧化碳，较适用于火力发电。

优点：改造幅度小，设备紧凑。

缺点：能耗高、成本高、效率低。

2、燃烧前捕集

将氧气或空气引入整体煤气化联合循环系统，可以使煤和生物质燃料等原料高压气化，然后进行水煤气转化，产生二氧化碳和氢气。此时，二氧化碳的压力和浓度都很高，很容易捕获二氧化碳。

优点：系统体积小，能耗低，效率高。

缺点：投资成本高，可靠性有待提高。

3、富氧燃烧

通过制氧技术，将空气中的氮气脱出，直接采用高浓度氧气与排放出的烟气进行燃烧，从而提高燃烧效率（约提高17%~35%），提高二氧化碳纯度，降低一氧化碳等副产物产生。

优点：节能环保。

缺点：对操作环境有要求、制氧环节难度大。

4、溶液吸收法

溶液吸收法也是国内主要采用的方法。主要使用乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、二异丙醇胺、甲基丙醇胺等溶剂。

优点：吸收速度快、净化度高、二氧化碳回收率高。

缺点：溶剂再生耗能高、溶剂腐蚀性强。

5、固体吸收法

主要使用活性炭、分子筛、水滑石、笼状水合物、硅酸盐、碳酸盐等物质。

优点：吸收容量大、能耗较低、腐蚀性小。

缺点：二氧化碳回收率低。

6、膜吸收

膜吸收法是将膜和化学吸收相结合，主要采用微孔膜的技术，隔离混合气体与吸收液，依靠膜的另一侧的吸收液的选择性吸收达到分离混合气体中二氧化碳的目的。

优点：能耗低、操作简单。

缺点：投资高，工业化不成熟。

以燃烧后捕集化学吸收法为例，其二氧化碳捕捉要经过脱碳——吸收再生——压缩干化——循环利用等环节，涉及到烟气吸收塔、换热器等设备。

二氧化碳的利用与封存

捕集获得的二氧化碳，我们需要怎么处理呢？一般采用两种方式：利用和封存。

二氧化碳利用

1、驱油

原理：开采原油时需要将原油从地底压上来以提高采收率，以前通常是采取水压或其它气体操作，现在可以利用捕集来的二氧化碳进行驱油。

缺点：这种方法不能起到封存的作用，捕捉来的二氧化碳也会逃逸至大气中。

2、催化反应

原理：将捕集来的二氧化碳和氢气通过催化还原成甲醇。

缺点：成本高，获取二氧化碳的成分不够清洁，反应的催化剂不够高效。

3、光合作用

原理：将捕集来的二氧化碳注入植物大棚中，使其中的二氧化碳浓度达到高于几倍大气，强化植物光合作用，加快植物生长的同时消耗二氧化碳而生成氧气。

缺点：利用率极低。

二氧化碳封存

1、地质封存

原理：将捕集来的二氧化碳适宜的地质结构深层（如成熟或已经耗尽的气油田地质结构、深层盐碱含水层、废弃的含煤层），压力会将二氧化碳转换成“超临界流体”，使其不容易泄漏。

缺点：适宜的地质结构有限，注入方式不易。

2、海洋封存

原理：将捕集来的二氧化碳通过轮船、管道运输到深海海底利用海水进行封存。

缺点：高浓度二氧化碳含量将会杀死海底生物、易导致海水酸化等。

中国已具备大规模捕集利用与封存CO2的工程能力，正在积极筹备全流程CCUS产业集群。CCUS各技术环节均取得了显著进展，部分技术已经具备商业化应用潜力。

捕集技术：CO2捕集技术成熟程度差异较大，目前燃烧前物理吸收法已经处于商业应用阶段，燃烧后化学吸附法尚处于中试阶段，其它大部分捕集技术处于工业示范阶段。燃烧后捕集技术是目前最成熟的捕集技术，可用于大部分火电厂的脱碳改造，国华锦界电厂开展的15万吨碳捕集与封存示范项目正在建设，是目前中国规模最大的燃煤电厂燃烧后碳捕集与封存全流程示范项目。

燃烧前捕集系统相对复杂，整体煤气化联合循环（IGCC）技术是典型的可进行燃烧前碳捕集的系统。国内的IGCC项目有华能天津IGCC项目以及连云港清洁能源动力系统研究设施。富氧燃烧技术是最具潜力的燃煤电厂大规模碳捕集技术之一，产生的CO2浓度较高（约 90%~95%），更易于捕获。

富氧燃烧技术发展迅速，可用于新建燃煤电厂和部分改造后的火电厂。当前第一代碳捕集技术（燃烧后捕集技术、燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术）发展渐趋成熟，主要瓶颈为成本和能耗偏高、缺乏广泛的大规模示范工程经验；而第二代技术（如新型膜分离技术、新型吸收技术、新型吸附技术、增压富氧燃烧技术等）仍处于实验室研发或小试阶段，技术成熟后其能耗和成本会比成熟的第一代技术降低30%以上，2035 年前后有望大规模推广应用。

输送技术：在现有CO2输送技术中，罐车运输和船舶运输技术已达到商业应用阶段，主要应用于规模10 万吨/年以下的CO2输送。

中国已有的CCUS示范项目规模较小，大多采用罐车输送。华东油气田和丽水气田的部分CO2通过船舶运输。管道输送尚处于中试阶段，吉林油田和齐鲁石化采用路上管道输送CO2。海底管道运输的成本比陆上管道高40%~70%，目前海底管道输送CO2的技术缺乏经验，在国内尚处于研究阶段。

利用与封存技术：在CO2地质利用及封存技术中，CO2地浸采铀技术已经达到商业应用阶段，EOR已处于工业示范阶段，EWR已完成先导性试验研究，ECBM已完成中试阶段研究，矿化利用已经处于工业试验阶段，CO2强化天然气、强化页岩气开采技术尚处于基础研究阶段。

中国CO2-EOR项目主要集中在东部、北部、西北部以及西部地区的油田附近及中国近海地区。国家能源集团的鄂尔多斯10万吨/年的CO2咸水层封存已于2015年完成30万吨注入目标，停止注入。国家能源集团国华锦界电厂15万吨/年燃烧后CO2捕集与封存全流程示范项目，拟将捕集的CO2进行咸水层封存，目前尚在建设中。

长庆油田公司榆林定边姬塬油田CO2-EOR试验区项目

2021年7月，中石化正式启动建设我国首个百万吨级CCUS项目（齐鲁石化——胜利油田CCUS 项目），有望建成为国内最大CCUS全产业链示范基地。中国科学院过程工程研究所在四川达州开展了5万吨/年钢渣矿化工业验证项目；浙江大学等在河南强耐新材股份有限公司开展了CO2深度矿化养护制建材万吨级工业试验项目；四川大学联合中石化等公司在低浓度尾气CO2直接矿化磷石膏联产硫基复合肥技术研发方面取得良好进展。中国CO2化工利用技术已经实现了较大进展，电催化、光催化等新技术大量涌现。但在燃烧后CO2捕集系统与化工转化利用装置结合方面仍存在一些技术瓶颈尚未突破。生物利用主要集中在微藻固定和气肥利用方面。

中国CCUS现状

中国已投运或建设中的CCUS示范项目约为40个，捕集能力300万吨/年。多以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主，缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业化示范。2019年以来，主要进展如下：

捕集：国家能源集团国华锦界电厂新建15万吨/年燃烧后CO2捕集项目；中海油丽水36-1气田开展CO2分离、液化及制取干冰项目，捕集规模5万吨/年，产能25万吨/年。

地质利用与封存：国华锦界电厂拟将捕集的CO2进行咸水层封存，部分CO2-EOR项目规模扩大。

化工、生物利用：20万吨/年微藻固定煤化工烟气CO2生物利用项目；1万吨/年CO2养护混凝土矿化利用项目；3000吨/年碳化法钢渣化工利用项目。

中国已具备大规模捕集利用与封存CO2的工程能力，正在积极筹备全流程CCUS产业集群。国家能源集团鄂尔多斯CCS示范项目已成功开展了10万吨/年规模的CCS全流程示范。中石油吉林油田EOR项目是全球正在运行的21个大型CCUS项目中唯一一个中国项目，也是亚洲最大的EOR项目，累计已注入CO2超过200万吨。国家能源集团国华锦界电厂15万吨/年燃烧后CO2捕集与封存全流程示范项目已于2019年开始建设，建成后将成为中国最大的燃煤电厂CCUS示范项目。2021年7月，中石化正式启动建设我国首个百万吨级CCUS项目（齐鲁石化——胜利油田CCUS项目）。

中国CCUS技术项目遍布19个省份，捕集源的行业和封存利用的类型呈现多样化分布。中国13个涉及电厂和水泥厂的纯捕集示范项目总体CO2捕集规模达85.65万吨/年，11个CO2地质利用与封存项目规模达182.1万吨/年，其中EOR的CO2利用规模约为154万吨/年。中国 CO2捕集源覆盖燃煤电厂的燃烧前、燃烧后和富氧燃烧捕集，燃气电厂的燃烧后捕集，煤化工的CO2捕集以及水泥窑尾气的燃烧后捕集等多种技术。CO2封存及利用涉及咸水层封存、EOR、驱替煤层气（ECBM）、地浸采铀、CO2矿化利用、CO2合成可降解聚合物、重整制备合成气和微藻固定等多种方式。