本文摘要：摘要:隨著全球工業化進程的加快，二氧化碳的大量排放導致氣候變暖。如何有效解決碳排放問題已成為全球的研究熱點，二氧化碳捕集封存(CarbonCaptureUtilizationandStorage，CCUS)技術的應用可有效改善碳排放問題。目前，全球許多國家和地區已建有不同規模的CC
摘要:隨著全球工業化進程的加快，二氧化碳的大量排放導致氣候變暖。如何有效解決碳排放問題已成為全球的研究熱點，二氧化碳捕集封存(CarbonCaptureUtilizationandStorage，CCUS)技術的應用可有效改善碳排放問題。目前，全球許多國家和地區已建有不同規模的CCUS項目，對CCUS技術和項目進行了系統總結。分析結果表明，CCUS項目在解決碳排放問題上有著較好的工業前景。
關鍵詞:CO2捕集;CCUS;碳減排;碳利用;工程進展
1引言
碳減排不僅關乎國家政策的規劃承諾，更與我們賴以生存的地球環境息息相關。早在20世紀70年代，國外就已經開始對碳捕集進行相關研究。IPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange，聯合國政府間氣候變化專門委員會)關于全球變暖1.5℃的特別報告指出，CCUS(CarbonCaptureUtilizationandStorage，二氧化碳捕集封存)技術可有效改善全球氣候的變化，并且明確指出CCUS技術對于實現2050年碳零排放意義重大。
2019年，二十國集團(G20)能源與環境部長級會議首次將CCUS技術納入議題。國外科研工作者對碳捕集已經開展大量的研究，Lee等[1]通過固體吸收劑捕獲二氧化碳(CO2)，以減少來自不同燃燒過程源的CO2排放，所用的吸附劑通過加熱或減壓的方式回收利用，作為捕獲CO2成熟的技術，分離效率可達到90%。Dutcher等[2]通過胺基技術捕集CO2，由于反應的高度可逆性，可有效應用于工程項目。
我國對CCUS技術的研究起步較晚，自2006年開始才陸續出臺關于CCUS技術的政策。“十一五”期間每年平均出臺3項政策，“十二五”期間平均每年出臺3～4項政策。《中國應對氣候變化國家方案》《中國應對氣候變化科技專項行動》《中國應對氣候變化的政策與行動》白皮書等都將CCUS技術作為重點研究的技術之一[3-4]。
《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》提出，到2020年單位國內生產總值CO2排放比2015年下降18%，碳排放總量得到有效控制。2015年，巴黎氣候大會上，中國承諾將于2030年左右使CO2排放達到峰值并爭取盡早實現，2030年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右�，F代工業生產中CO2的排放源很多，如水泥、鋼鐵、電力、煤化工及煉化廠等都是CO2排放大戶[3]。針對CO2排放問題，各個行業均進行了CO2的捕集、利用和封存方面的研究探索，每個行業又根據自身行業特點，形成了多種CO2捕集、利用和封存的技術方法。
2CCUS技術概述
2.1碳捕集技術
CO2捕集的方法按照對燃料、氧化劑和燃燒產物采用的措施，可以分為燃燒前捕集、純氧燃燒和燃燒后捕集3種[5-8]。燃燒前捕集是相對成本較低、效率較高的一種方法。此方法將化石燃料氣化成合成氣(主要成分為H2和CO)，然后通過變換反應將CO轉化為CO2，再通過溶劑吸收等方法將H2和CO2分離開對CO2進行收集。但此技術局限于基于煤氣化聯合發電裝置(IntegratedGasificationCombinedCycle，IGCC)，因此以此技術投產的項目較少，燃燒前捕集CO2的成本大約為20美元/tCO2，尚需要更多的項目來進行驗證[5]。
富氧燃燒技術采用純氧或者富氧將化石燃料進行燃燒，燃燒后的主要產物為CO2、水和一些惰性組分。水蒸氣冷凝后，通過低溫閃蒸提純CO2，提純后的CO2濃度可達80%～98vol%，提高了CO2捕集率。由于燃燒前捕集和富氧燃燒需要合適的材料和操作環境來滿足高溫要求，因此這兩種技術的研究與開發和示范性項目較少。相比較而言，燃燒后捕集技術是當前煉廠應用較為廣泛且成熟的技術，該技術具有較高的選擇性和捕集率。常用的方法如化學吸收法、膜分離法、物理吸附法等。化學吸附法被認為是當前最有市場前景的吸附方法，在化學吸附中，胺類溶液以其吸收效果好的特點被廣泛應用。以當前的技術，燃燒后捕集CO2的成本大約是40美元/tCO2[5]。
2.2碳利用和封存技術
從國內外項目經驗看，地下封存、驅油和食品級利用，是當前較主流的方向。
3CCUS項目主要進展
3.1國外CCUS項目進展
為應對全球氣候變化，國外很早就展開了CO2捕集項目的相關研究。國外最早報道的大型CCUS項目是1972年美國建成的Terrell項目，CO2捕集能力達40萬～50萬t/a;隨后，美國俄克拉荷馬州Enid項目于1982年建成，通過化肥廠產生的CO2進行油田驅油，CO2捕集能力達70萬t/a。
1/3國土面積在北極圈內的挪威，也是最先開展CO2捕集項目研究的國家之一，1996年，挪威Sleipner項目的建成是世界上首個將CO2注入到地下(鹽水層)的項目，年封存CO2量近百萬噸[7，11-13]。進入本世紀以來，由于工業化步伐的加快以及全球變暖趨勢的加劇，CO2捕集項目受到越來越多國家的重視。美國、加拿大、澳大利亞、日本及阿聯酋等國家加速推進CO2捕集項目的工業化。
2000年，美國與加拿大合作，在Weyburn油田注入GreatPlainSynfuelsPlant和SaskPower電廠的CO2，提高瀕臨枯竭油田采油率的同時，累計封存CO2達2600多萬t。2014年，加拿大SaskPower公司的BoundaryDamPower項目成為全球第一個成功應用于發電廠CO2捕集項目。該項目將150MW燃煤發電機產生的CO2捕集后，一部分封存地下，一部分用于美國Weyburn油田驅油，CO2捕集能力達100萬t/a。2019年全年，該項目捕集CO2達61.6萬t[14]。2015年，加拿大Quest項目將合成原油制氫過程中產生的CO2成功注入咸水層封存，每年CO2捕集能力達100萬t/a[11]。該項目是油砂行業第一個CCS項目，每年減少碳排放可達100萬t。
截止到2019年，Quest項目已經累計捕集CO2達400萬t，以更低的成本提前完成預定目標[15]。目前，Quest項目是全球最大捕集CO2并成功注入到地下的項目。2016年，澳大利亞西部的Gorgon項目是全球最大的單體LNG項目Gorgon天然氣項目的配套，該項目通過液化技術將CO2從天然氣中分離出來，將分離出來的CO2注入到巴羅島的鹽水層中，注入量可達350萬t/a[16]。
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4結論與展望
工業是現代社會的基礎，也是經濟發展的源泉，在帶來了經濟效益和工作機會的同時，也帶來了許多問題。工業消耗了全球1/3的能源，卻產生了全球1/3的溫室氣體。在實現近零排放目標和實現全球溫控1.5℃路線圖的進程中，CCUS技術將起到至關重要的作用。IEA預估利用CCUS技術，從2017年到2060年可以減少280億t的CO2排放[21]。
下一代碳捕集技術將會在材料的創新、工藝或設備的改進上取得突破，這些新進展將使得投資運營成本降低的同時提高捕集效率。如IonEngineering公司的非水溶液、MTR公司的膜分離體系、三菱重工的KS-21溶劑、Lind-BASF的貧富溶液吸收再生循環技術等，都已經在FEED(FrontandEndEngineeringDesign，前端工程設計)工程設計項目中進行了實踐。隨著工業的進步，下一代捕集技術將助推CCUS技術的進步和發展[9]。
未來幾十年，對于應對全球氣候變暖，碳利用將起到重要作用。縱觀國內外成熟的工程項目，地下封存、驅油和食品級利用是當前較主流的方向。其中，驅油技術可以通過CO2把煤化工或天然氣化工產生的碳源和油田聯系起來，有較好的收益，有較好的應用前景。而未來，與氫能利用相結合的CCUS項目將會越來越多。目前全球98%的氫能來自不可再生化石能源，與CCUS技術相結合的氣體重整(主要是甲烷蒸汽重整)和煤氣化技術相結合可以實現生產低碳氫能的目標。歐盟和一些國家已經直接將CCUS作為一個關鍵技術來實現這一目標[9，22]，美國、荷蘭、日本、澳大利亞、新西蘭以及中國也都在氫能政策中提到了CCUS的重要性。
參考文獻 ：
[1]LeeSY，ParkSJ.Areviewonsolidadsorbentsforcarbondioxidecapture[J].JIndEngChem，2015，23:1-11.
[2]DutcherB，FanM，RussellAG.Amine-basedCO2capturetechnologydevelopmentfromthebeginningof2013-Areview[J].ACSApplMaterInterfaces，2015，7(4):2137-2148.
作者：趙志強，張賀，焦暢，王秋楓，林賢莉*
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