摘要
綜述了國內(nèi)外二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）全鏈條技術(shù)研究進(jìn)展，探討了燃燒前、富氧燃燒、燃燒后等CO?捕集技術(shù)，其中化學(xué)吸收法技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛；分析了化學(xué)利用、生物利用、地質(zhì)利用與封存等CO?下游消納技術(shù)，拓展轉(zhuǎn)化利用途徑和提升循環(huán)利用效率是關(guān)鍵；總結(jié)了煤電和煤化工CCUS典型工程案例，指出了探索典型能源基地CCUS產(chǎn)業(yè)集群具有重要意義，可為雙碳目標(biāo)提供兜底保障。
關(guān)鍵詞：煤基能源；CO?捕集；CO?利用與封存；化學(xué)吸收；雙碳目標(biāo)
自工業(yè)革命以來，人類能源活動(dòng)造成的以CO?為主的溫室氣體排放是導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)加劇的主要原因。2015年12月巴黎氣候變化大會(huì)通過的《巴黎協(xié)定》明確指出，要將全球溫升控制在不超過2℃甚至1.5℃。作為負(fù)責(zé)任的發(fā)展中大國，2020年9月，習(xí)近平總書記在聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上提出了中國“3060”碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。我國作為全球最大的碳排放國，碳減排壓力巨大，雙碳目標(biāo)將成為煤基能源應(yīng)對(duì)氣候變化、構(gòu)建新發(fā)展格局的重要抓手。
根據(jù)國際能源署（IEA）2020年發(fā)布的能源技術(shù)展望報(bào)告，可持續(xù)發(fā)展情景下，到2070年二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）仍將是主要碳減排路徑之一，全球累計(jì)減排貢獻(xiàn)15%。我國能源消費(fèi)以煤為主，CCUS將是未來大幅減少煤基能源CO?排放和保障能源安全的重要戰(zhàn)略技術(shù)選擇。然而，煤電和煤化工行業(yè)低碳發(fā)展在當(dāng)前面臨著高能耗、高成本等缺陷，以及成本下降明顯、技術(shù)發(fā)展多元等優(yōu)勢(shì)，CCUS技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。因此，亟需發(fā)展低成本、低能耗的大規(guī)模煤基能源CCUS技術(shù)和示范，本文中重點(diǎn)對(duì)國內(nèi)外CCUS全鏈條技術(shù)研究現(xiàn)狀和典型工程案例進(jìn)行了總結(jié)分析。
一CCUS技術(shù)研究現(xiàn)狀
1.1 CO?捕集
1.1.1 燃燒前捕集
在碳基燃料燃燒前將其化學(xué)能從碳元素中轉(zhuǎn)移出來，利用煤氣化等方式將燃料轉(zhuǎn)化為合成氣（CO+H?），然后通過水煤氣變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為 CO?和H?，再通過吸收、吸附等工藝將CO?分離出來，從而得到相對(duì)純凈的富氫燃料氣。燃燒前捕集需要以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）技術(shù)為基礎(chǔ)，待分離混合氣體的體積較小、壓力較高且CO?濃度較高（干基可達(dá) 30%以上），美國、歐洲、中國在IGCC發(fā)電技術(shù)示范上已取得重大進(jìn)展，并開展了大量CO?捕集研究。2016年，華能集團(tuán)依托250MW級(jí)IGCC示范工程，建成世界最大規(guī)模的10萬t級(jí)燃燒前CO?捕集裝置，單位能耗達(dá)到2.2GJ/t，CO?回收率超過90%。
1.1.2 燃燒中捕集
富氧燃燒是指用純氧/富氧與部分燃燒后煙氣混合，代替空氣作為化石燃料燃燒的氧化劑，在燃燒前利用空氣分離系統(tǒng)去除大量氮，燃燒產(chǎn)物主要成分為CO?和水蒸汽，經(jīng)冷凝脫水后產(chǎn)生純度較高的CO（2 85%以上），可不用進(jìn)行分離處理，直接經(jīng)過壓縮液化后用于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)常壓/加壓富氧燃燒的燃燒特性、傳熱特性、污染排放控制機(jī)理，以及關(guān)鍵設(shè)備、系統(tǒng)集成等方面開展了大量研究。常壓富氧燃燒方面，2008年，瑞典瀑布電力公司在德國黑泵建成世界首個(gè)30MWth等級(jí)煤粉富氧燃燒工業(yè)示范裝置；2006年以來，華中科技大學(xué)聯(lián)合國家能源集團(tuán)等單位實(shí)施了中國富氧燃燒“0.3MWth-3MWth-35MWth-200MWe”技術(shù)路線，2015年建成的湖北應(yīng)城35MWth煤粉富氧燃燒示范裝置為全球第四套、國內(nèi)首套且規(guī)模最大。加壓富氧燃燒方面，意大利國家電力公司和美國氣體技術(shù)公司分別建成首個(gè)MW 級(jí)（5MW水煤漿）加壓煤粉富氧燃燒和首個(gè)MW級(jí)加壓CFB富氧燃燒中試平臺(tái)，東南大學(xué)和中國科學(xué)院工程熱物理研究所分別建成0.1MWth加壓CFB富氧燃燒和MW級(jí)加CFB富氧燃燒/氣化中試平臺(tái)。
1.1.3 燃燒后捕集
在眾多碳捕集技術(shù)路線中，燃燒后分離CO?對(duì)煤基能源系統(tǒng)現(xiàn)有運(yùn)行方式影響最小，通常對(duì)尾部煙氣進(jìn)行處理，CO?捕集、回收、純化等單元相對(duì)獨(dú)立。目前，燃燒后CO?捕集主要有吸收法、吸附法、膜分離法等，其中吸收法是分離脫除煙氣CO?中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的方法。
吸收法主要分為物理吸收和化學(xué)吸收，通過加熱或減壓等方式實(shí)現(xiàn)CO?的解吸提純。物理法以低溫甲醇洗為代表，適用于分離煤化工原料氣中高分壓CO?；化學(xué)法是當(dāng)前唯一實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的一種，適用于煤電、鋼鐵、水泥等低濃度CO?氣源，國內(nèi)外學(xué)者們致力于開發(fā)低能耗化學(xué)吸收劑，比較典型的有有機(jī)胺溶液[單乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、哌嗪（PZ）、2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）、多元復(fù)合胺（如日本三菱重工KS系列、中石化南化院MA系列）等]、兩相吸收劑[如法國石油研究院的DMXTM溶劑、浙江大學(xué)的二乙氨基乙醇（DEEA）型或環(huán)丁砜型、肌氨酸鉀鹽]、少水或無水吸收劑（如AMP/AEEA/NMP無水溶液、多種胺與多種有機(jī)溶劑混合溶液）、離子液體（如咪唑基物理離子液體、功能化離子液體）等，具有吸收效率高、反應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn)，但再生能耗高、污染物排放、吸收劑氧化降解和腐蝕性等問題不容忽視。
吸附法通過范德華力或化學(xué)鍵將CO?捕集到吸附劑表面，通常分為物理吸附和化學(xué)吸附，分別以變壓吸附（PSA）和變溫吸附（TSA）為代表工藝。根據(jù)工作溫區(qū)的差異還可分為低溫吸附劑（<200℃，如固體胺、碳基、沸石類、金屬有機(jī)骨架等吸附劑）、中溫吸附劑（200~400℃，如類水滑石基和MgO基吸附劑）、高溫吸附劑（>400℃，如CaO基、硅酸鹽基、鋰基吸附劑），與吸收法相比，吸附法具有工藝流程簡單、理論能耗低、污染和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，但吸附容量小、選擇性較低、對(duì)水分敏感、存在動(dòng)力學(xué)限制、成型造粒及規(guī)?；苽潆y等問題限制了其工業(yè)化應(yīng)用。
膜分離法根據(jù)CO?和其他氣體在膜內(nèi)滲透性和選擇性上的差異，在壓力差驅(qū)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)分離，當(dāng)前研究主要聚焦開發(fā)膜材料（聚合物膜、無機(jī)膜、復(fù)合膜等）和膜分離工藝（原料側(cè)壓縮、滲透側(cè)抽真空等），比較具有代表性的有美國MTR公司的 PolarisTM膜、德國HZG研究中心的PolyactiveTM膜、天津大學(xué)PVAm復(fù)合膜，已進(jìn)行中試規(guī)模的測(cè)試驗(yàn)證，但高性能膜材料和組件對(duì)低濃度及成分復(fù)雜氣源適配性較差、難以規(guī)模化制備，工業(yè)化推廣進(jìn)程受到了限制。
1.2 CO?利用與封存
1.2.1 CO?化學(xué)利用
CO?的化學(xué)利用是突破C-C、C-O鍵的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，通過研發(fā)高效廉價(jià)催化劑、碳酸化礦化配方，將 CO?轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)捕集后CO?的資源化和能源化利用。根據(jù)反應(yīng)過程中C原子價(jià)態(tài)的變化可分為還原性和非還原性，其中還原性化學(xué)采用加氫還原、電催化還原等方式制備甲醇、合成氣、甲烷、甲酸、烯烴，中科院上海高等研究院、大連化學(xué)物理研究所等單位均已建成千噸級(jí)CO?加氫制甲醇中試裝置，催化轉(zhuǎn)化主要瓶頸在于高性能催化劑單程轉(zhuǎn)化率低、定向選擇性差，以及示范規(guī)模較小、制氫成本較高。非還原性化學(xué)利用將CO?分子整體合成到產(chǎn)物中，一方面CO?與環(huán)氧化合物反應(yīng)生成環(huán)狀碳酸酯，并可進(jìn)一步合成碳酸二甲酯、聚碳酸酯等一系列化學(xué)品；另一方面，CO?與富含Ca、Mg等堿金屬的工業(yè)固廢（如灰渣、鋼渣、磷石膏等）發(fā)生礦化反應(yīng)，形成穩(wěn)定的碳酸鹽，并產(chǎn)出肥料、混凝土、建筑材料等產(chǎn)品，四川大學(xué)、浙江大學(xué)已分別建成1.5萬t/aCO?礦化利用脫硫渣和1萬t/aCO?礦化養(yǎng)護(hù)混凝土示范裝置，未來仍需進(jìn)一步提升不同體系礦物的碳化速率，降低強(qiáng)化固碳過程的能耗。
1.2.2 CO?生物利用
CO?的生物利用主要通過微生物、植物的光合作用，將CO?轉(zhuǎn)化為食品和飼料添加劑、化學(xué)品和生物燃料、生物肥料，以及CO?溫室氣肥利用（大棚蔬菜）。其中，微藻轉(zhuǎn)化利用CO?具有固碳效率高、生物質(zhì)產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，目前已實(shí)現(xiàn)萬噸級(jí)商業(yè)化應(yīng)用的有螺旋藻、小球藻、雨生紅球藻等，將CO?轉(zhuǎn)化生物燃料、肥料等技術(shù)尚處于中試驗(yàn)證階段，未來仍需著力開發(fā)高效低成本固碳優(yōu)良藻株的大規(guī)模培育及高效生物光反應(yīng)器放大技術(shù)。
1.2.3 CO?地質(zhì)利用與封存
CO?地質(zhì)利用與封存是指以CO?作為工質(zhì)，在適宜地質(zhì)條件下將其注入地下，驅(qū)替石油、天然氣或直接封存，主要包括CO?強(qiáng)化驅(qū)油（EOR）、驅(qū)替煤層氣（ECBM）、強(qiáng)化天然氣開采（EGR）、強(qiáng)化地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）、陸上和海底咸水層地質(zhì)封存（SWR）等。目前，CO?-EOR和CO?-SWR技術(shù)較為成熟，國內(nèi)外均有十萬噸級(jí)乃至百萬噸級(jí)的全流程CO?驅(qū)油與封存示范項(xiàng)目，基本達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用階段。但是，要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，未來仍需結(jié)合CO?源匯匹配進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行的產(chǎn)業(yè)集群規(guī)劃，并深入研究CO?規(guī)?；⑷搿龅乇碚髋c篩選、安全性監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)處置等技術(shù)及裝備。
二CCUS典型工程案例分析
目前，世界多國正在積極推進(jìn)規(guī)?；?、集群化CCUS工業(yè)示范乃至商業(yè)化項(xiàng)目的落地實(shí)施。根據(jù)全球碳捕集與封存研究院（Global CCS Institute）的最新報(bào)告，截至2022年9月，全球建設(shè)運(yùn)行、正在開發(fā)的商業(yè)化CCUS項(xiàng)目已增長到近200個(gè)，總的CO?捕集能力可超過2.4億t/a。其中，運(yùn)行中的CCUS設(shè)施主要分布在美國、加拿大、中國、歐洲、澳大利亞等國家和地區(qū)。世界上最成功的CCUS-EOR示范項(xiàng)目是加拿大Weyburn項(xiàng)目，首次實(shí)現(xiàn)煤氣化廠產(chǎn)生高濃度CO?的大規(guī)模捕集、長距離運(yùn)輸、驅(qū)油與封存，自2000年10月開始注入CO?，至今累積封存超過3500萬tCO?。世界上首個(gè)燃煤電廠百萬噸/年燃燒后CCUS示范項(xiàng)目于2014年10月在加拿大邊界大壩（Boundary Dam）電廠建成投運(yùn)，將低濃度CO?進(jìn)行捕集，絕大部分運(yùn)輸?shù)絎eyburn油田進(jìn)行驅(qū)油與封存。世界上最大的燃煤電廠燃燒后CCUS示范項(xiàng)目于2017年1月在美國佩特拉諾瓦（Petra Nova）電廠建成投運(yùn)，CO?捕集能力達(dá)到140萬t/a，通過管道輸送至西部牧場油田，用于提高原油采收率。
在中國，盡管CCUS技術(shù)起步晚于西方發(fā)達(dá)國家，但在政府的支持下，通過“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同攻關(guān)，CCUS全鏈條關(guān)鍵技術(shù)取得較大突破，商業(yè)化進(jìn)程持續(xù)加速。截至2022年9月，我國建設(shè)運(yùn)行、正在開發(fā)的CCUS示范項(xiàng)目約100個(gè)，已投運(yùn)項(xiàng)目近60個(gè)，具備CO?捕集能力超過400萬t/a。其中，針對(duì)煤基能源已建成多個(gè)十萬噸級(jí)以上CCUS示范項(xiàng)目，具備大規(guī)模示范的條件，當(dāng)前國家能源集團(tuán)、華能集團(tuán)已啟動(dòng)百萬噸級(jí)規(guī)模的煤電和煤化工CCUS全流程示范項(xiàng)目。
2.1 15萬t級(jí)煤電燃燒后CCUS示范工程
2016年以來，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和系列企業(yè)級(jí)科技項(xiàng)目支持下，國家能源集團(tuán)聯(lián)合國內(nèi)高等院校、科研院所、設(shè)計(jì)院等相關(guān)優(yōu)勢(shì)單位，依托國能錦界公司600MW機(jī)組，開展燃煤電廠化學(xué)吸收法CO?捕集技術(shù)研究和工業(yè)示范。項(xiàng)目發(fā)明了新型低能耗、低腐蝕性、抗氧化降解的高性能吸收劑，研制了增強(qiáng)型改性塑料填料、低端差貧富液換熱器、汽提式降膜再沸器等新設(shè)備，首創(chuàng)了“級(jí)間冷卻+分流解吸+機(jī)械式蒸汽再壓縮（MVR）閃蒸”等新型高效節(jié)能工藝，建成國內(nèi)最大規(guī)模的15萬t/a燃煤電廠燃燒后CO?捕集-利用/封存全流程示范工程。該工程于2019年11月1日正式開工建設(shè)，2021年6月25日一次通過168h試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了低分壓、大流量、復(fù)雜燃煤煙氣CO?捕集率>90%、CO?體積分?jǐn)?shù)>99.95%、再生能耗達(dá)到2.35GJ/tCO?的重大突破，投資及捕集成本較傳統(tǒng)MEA工藝降低30%以上，性能指標(biāo)國際領(lǐng)先，CO?全部用于驅(qū)油封存和化工利用。
2.2 10萬t級(jí)富氧燃燒碳捕集關(guān)鍵技術(shù)裝備及示范
2006年以來，在國家級(jí)和系列企業(yè)級(jí)科技項(xiàng)目支持下，華中科技大學(xué)聯(lián)合國家能源集團(tuán)等單位攻克了煤粉富氧燃燒碳捕集關(guān)鍵核心技術(shù)與裝備，先后建成 0.3、3、35MWth等一系列高水平的小試、中試裝置和工業(yè)示范裝置，并完成200MWe富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)全流程方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成優(yōu)化。2015年1月，在湖北應(yīng)城建成國內(nèi)首套且規(guī)模最大的35MWth富氧燃燒示范裝置，CO?年捕集能力約10萬t，具有干煙氣和濕煙氣循環(huán)能力，成功實(shí)現(xiàn)了煤粉燃燒“空氣-富氧”和“富氧-空氣”的切換運(yùn)行，煙氣CO?體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了82.7%的國際最高值，并于2021年7月成功通過168h連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
2.3 萬噸級(jí)CO?礦化利用固廢關(guān)鍵技術(shù)及示范
在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下，浙江大學(xué)等單位開發(fā)了基于工業(yè)固廢的CO?礦化封存協(xié)同養(yǎng)護(hù)混凝土技術(shù)，形成了以鋼渣、粉煤灰、爐底渣、電石渣、水泥為主料的多元復(fù)合輕質(zhì)實(shí)心混凝土配方。2020年8月，在河南強(qiáng)耐新材股份有限公司建成全球首個(gè)萬噸級(jí)CO?礦化養(yǎng)護(hù)混凝土示范工程，以化工廠高濃度CO?排放廢氣和鋼渣、粉煤灰等工業(yè)固廢為原料，每年生產(chǎn)1億塊MU15標(biāo)準(zhǔn)的輕質(zhì)實(shí)心混凝土磚。
目前，國家能源集團(tuán)正聯(lián)合浙江大學(xué)以燃煤電廠捕集到的CO?氣體，以及發(fā)電過程中產(chǎn)生的粉煤灰、脫硫石膏、爐渣等固廢為原料，開展萬噸級(jí)以上CO?礦化煤基固廢制混凝土協(xié)同廢水治理技術(shù)研究與工業(yè)示范，產(chǎn)品砌塊固碳率>5%，CO?吸收轉(zhuǎn)化率>90%，CO?礦化凈封存率>80%，強(qiáng)度達(dá)到 MU15 國家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)煤電CO?、固廢和廢水協(xié)同消納。
2.4 10萬t級(jí)煤化工CO?捕集與咸水層地質(zhì)封存示范工程
2009年以來，在國家級(jí)和系列企業(yè)級(jí)科技項(xiàng)目支持下，國家能源集團(tuán)聯(lián)合國內(nèi)多家優(yōu)勢(shì)單位，依托鄂爾多斯煤制油公司煤直接液化廠，全球首次建成10萬 t/a煤制油高濃度CO?捕集與低孔低滲陸相咸水層封存全流程示范工程，首創(chuàng)了CO?一步壓縮吸附冷凍精餾捕集工藝和陸相超低滲儲(chǔ)層規(guī)?；瘜?shí)施CCS關(guān)鍵技術(shù)，建立了多位一體、相互印證的CCS監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系，并研發(fā)了保證CCS地下工程安全的配套技術(shù)。該工程2011年5月起連續(xù)生產(chǎn)、注入、監(jiān)測(cè)，并于2015年4月完成既定注入任務(wù)，將CO?通過捕集、壓縮、注入、封存到地下1500~2500m之間的咸水層，累計(jì)注入封存CO?超過30萬t。
三結(jié)論
（1）在CCUS的整體技術(shù)鏈條中，CO?捕集處于上游，主要有燃燒前捕集、富氧燃燒、燃燒后捕集等技術(shù)，其中燃燒后化學(xué)吸收法可用于絕大部分煤基能源應(yīng)用場景，需要重點(diǎn)突破新型吸收劑成本、能耗、降解、腐蝕等瓶頸問題；CO?利用與封存技術(shù)處于下游，通過能源、化工等行業(yè)深度耦合，可實(shí)現(xiàn)化學(xué)利用、生物利用、地質(zhì)利用與封存，需要重點(diǎn)突破CO?定向轉(zhuǎn)化的高效催化體系和過程強(qiáng)化工藝、礦化固碳過程碳化效率和經(jīng)濟(jì)性提升、CCUS產(chǎn)業(yè)集群規(guī)劃等瓶頸問題。
（2）全球范圍內(nèi)CCUS工業(yè)示范項(xiàng)目數(shù)量逐年增多、規(guī)模逐步擴(kuò)大，發(fā)展勢(shì)頭良好，國外已建成百萬噸級(jí)規(guī)模的煤基能源CCUS示范項(xiàng)目；我國已投運(yùn)煤基能源CCUS項(xiàng)目捕集規(guī)模雖以10萬噸級(jí)為主，但正在規(guī)劃百萬噸級(jí)煤電和煤化工CCUS全流程示范工程，有望加快推動(dòng)CCUS項(xiàng)目的商業(yè)化運(yùn)營和產(chǎn)業(yè)化推廣。
（3）CCUS技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)煤基能源行業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的雙贏目標(biāo)，未來應(yīng)充分考慮新型能源體系中煤基能源與可再生能源的深度耦合，探索典型能源基地CCUS產(chǎn)業(yè)集群“電化耦合、協(xié)同脫碳”新模式，持續(xù)提升CCUS整體鏈條的經(jīng)濟(jì)性。
文章來源：顧永正．煤基能源碳捕集利用與封存技術(shù)研究進(jìn)展[J/OL]．現(xiàn)代化工.https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2172.TQ.20230724.1039.032.html
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