碳捕集利用与封存(CCUS)技术风险评估及应用展望_低碳生活_新闻中心

碳捕集利用与封存(CCUS)技术风险评估及应用展望

碳中和专委会2021-12-24

人与自然和谐共生，实现可持续和高质量发展已成为全球共识。气候变化对人类生存和发展构成严峻挑战和现实威胁，为达成《巴黎协定》的气温控制目标，以中国为首的国家提出碳达峰、碳中和时间表，是立在当下、着眼未来的战略之举。目前我国能源消费结构中，化石能源在一次能源消费中比重高达85%，煤电仍是保障我国电力安全和电力供应的主力，发电量所占比重高达60.8%，使得我国二氧化碳排放水平居高不下。为在短期内（相较于欧美发达国家）达成双碳目标，又保证经济安全平稳和高质量发展，我国需要同步发展多种低碳技术，即减碳技术、零碳技术和负碳技术。典型的负碳技术——碳捕集利用与封存技术(CCUS)是最直接的一种控制二氧化碳排放的措施，被科学界认为是碳存量治理最有潜力的和最具实效的减排手段，是未来减缓温室气体排放的重要技术路径之一。国际能源署（IEA）研究结果表明，到2060年累计减排量的14%来自于CCUS，而CCUS是唯一可以实现继续使用化石能源的同时大规模减排的低碳技术，也是工业领域深度减排的关键技术。因此CCUS技术是我国应对气候变化必不可少的技术手段，具有特殊的战略意义。

本文将重点介绍CCUS技术、风险评估及应用展望。

一、CCUS技术简介

CCUS技术是在二氧化碳排放前就对它进行捕集，从工业过程、能源利用或大气中分离出来，然后通过管道或船舶运输到新的生产过程进行提纯、循环再利用，或输送到封存地进行压缩注入到地下并使其发挥有效作用的过程，达到彻底减排和二氧化碳资源化利用的目的。CCUS技术主要包含碳捕集技术、碳运输技术和碳利用与封存技术。

1.1碳捕集技术

CCUS碳捕集方面，主要有3种技术路径：燃烧前捕集，通过燃烧前将碳从燃料中脱除；燃烧后捕集，从燃烧生成的烟气中分离二氧化碳；富氧燃烧，又称氧气、二氧化碳燃烧技术或空气分离、烟气再循环技术。其中燃烧前捕集技术只能用于新建发电厂，另两种技术则可同时应用于新建和已投产的发电厂、化工厂等。

如前所述，采用燃烧前和燃烧后捕获技术，后续需进行二氧化碳的分离。目前混合气体中的二氧化碳分离技术包括物理法和化学法。另外还有直接空气碳捕集技术（DAC），不同于CCUS技术针对工业固定源排放的二氧化碳进行捕集处置，DAC可对小型化石燃料燃烧装置以及交通工具等分布源排放的二氧化碳进行捕集处理，并有效降低大气中二氧化碳浓度。

1.2碳运输技术

二氧化碳运输是CCUS技术系统的中间环节，可选的运输方式有管道运输和各种交通工具运输，如罐车和船舶运输，适用于不同场景。如管道运输适用于大规模、长距离运输二氧化碳；公路罐车适用于小容量、短距离运输，铁路罐车适用于大容量、长距离运输；船舶运输运量大，运输距离超远，适合于近海碳封存运输。鉴于不同运输方式的优缺点，需从运输容量、运输距离、运输成本、市场因素以及运输沿线交通布局等方面综合考虑，以确定CCUS运输方案。

1.3 碳利用与封存技术

目前，二氧化碳的资源化利用方式主要有物理利用、化工利用、生物利用和矿化利用。二氧化碳的物理利用主要包括食品、制冷、发泡材料等行业；二氧化碳的化工利用是指以二氧化碳为原料，与其他物质发生化学转化，产出附加值较高的有机和无机化工产品，这是真正消耗二氧化碳的过程；二氧化碳的生物利用主要以微藻固碳技术和气肥技术为主；二氧化碳矿化封存技术主要是指模仿自然界二氧化碳矿物吸收过程，利用天然硅酸盐矿石或固体废渣中的碱性氧化物。

传统二氧化碳地质封存是指利用地下适合的地质体进行二氧化碳深部封存，封存介质包括深部不可采煤层、深部咸水层和枯竭油气藏、深海等。

二、CCUS技术的应用进展及风险评估

根据全球碳捕集与封存研究院发布的《全球碳捕集与封存现状2020》报告，截至2020年年底，全球有28个处于运行阶段的大规模CCUS项目，捕集能力约为4000万吨/年，其中14个分布在美国，此外全球有37个大规模CCUS项目处于在建或开发阶段。近年来我国CCUS示范项目发展很快，据《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)》显示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，从项目数量和封存规模来看，已成为继美国之后的第二大国家；同时我国以化石燃料为主体的能源结构和巨大的二氧化碳地质利用与封存潜力，也决定了CCUS技术在我国的发展前景十分广阔。但目前CCUS技术总体还处于研发和示范的初级阶段，面临着多方面的困难和问题，特别是CCUS技术的潜在风险应当重视和加强研究。本节主要从CCUS技术的捕集、运输、利用与封存环节进行风险评估及提出建议对策。

2.1 CCUS捕集环节应用进展及风险评估

二氧化碳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。

以燃煤电厂化学吸附法为例，整体技术包含4个操作单元：烟气预处理单元、有机胺捕集单元、压缩精制单元和产品储存供应单元，其中烟气预处理单元是对原料气所含的微尘和少量强酸性气体进行处理，以减少其对吸收剂造成的危害；捕集单元是通过吸收再生过程实现烟气中的二氧化碳分离；压缩精制单元是通过压缩、吸附、冷却液化和精馏提纯技术进一步提高二氧化碳纯度，以满足食品级标准要求；产品储存供应单元是将液化后的二氧化碳储存、制成干冰及装车外运。在捕集环节，为捕集高浓度的二氧化碳，首先将增加额外的能量消耗和水资源消耗，在现有的技术水平下，一次能耗将增加10%~20%甚至更多，效率损失很大，还导致增加大气排放污染风险；其次由于溶剂的泄漏、挥发和降解将产生有毒物质并对环境造成污染，另外吸附溶剂使用后的残留废弃物还可能对环境造成二次污染。

碳捕集技术CCUS技术的关键和基础，科研单位需进一步研究相关工艺优化手段对能耗的影响，提出碳捕集系统综合节能优化方案，同时还需要进行中大型碳捕集技术和溶剂环保技术研究，包括中大型碳捕集设备选型与设计、中大型碳捕集装置与燃煤电厂主机系统耦合、吸附溶剂环境友好型的研究等。

2.2 CCUS运输环节应用进展及风险评估

在现有二氧化碳输送技术中，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/年以下的二氧化碳输送。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二氧化碳通过船舶运输。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二氧化碳。海底管道运输的成本比陆上管道高 40%~70%，目前海底管道输送二氧化碳的技术缺乏经验，在国内尚处于研究阶段。

道路运输和船舶运输的主要风险是罐装设备在运送过程中受外力撞击或自身压力过载而发生爆炸，从而造成周边设施及人员的损伤；管道运输的主要污染源为各工艺站场产生的废水、废气、固体废物及噪声，主要风险为管道腐蚀、破裂、爆炸及突发性二氧化碳泄漏导致的局地生态环境破坏和对周边人群健康的威胁。

综合考虑规模、效率和成本等因素，预计未来管道输送二氧化碳技术成为重要攻关方向，科研单位需深入研究二氧化碳输送管道体系的腐蚀规律、机理及腐蚀控制技术，从而来有效降低和控制管道泄漏等主要风险。

2.3 CCUS利用与封存环节应用进展及风险评估

在二氧化碳地质利用及封存技术中，二氧化碳地浸采铀技术已经达到商业应用阶段，强化石油开采（EOR）已处于工业示范阶段，强化咸水开采（EWR）已完成先导性试验研究，驱替煤层气（ECBM）已完成中试阶段研究，矿化利用已经处于工业试验阶段，二氧化碳强化天然气、强化页岩气开采技术尚处于基础研究阶段。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。

从自然风险看，由于复杂的难以预见和不可控制的地质运动（如地震）以及二氧化碳对地层的腐蚀性而导致二氧化碳泄露并外逸至地表，形成灾难性的窒息区域和陡然剧增的温室效应，引发泄漏区附近土壤、地下水以及大气等一系列环境问题，并对动植物及人类健康产生致命威胁。

从人为风险看，封存环节如果工艺选择或封存场地选址不当，可能发生二氧化碳的突发性或缓慢性泄漏，泄漏的高风险可能会出现在二氧化碳地质封存项目的注入阶段或者注入结束后的短期阶段(可能是结束后的几十年内) ，主要是因为储层压力会在二氧化碳注入期间达到最高点;其次，注入结束后，固定和捕获二氧化碳的物理和化学过程开始活跃。

我国二氧化碳地质封存技术还处于示范阶段，亟待深入开展鄂尔多斯盆地、东北地区等地的国家级能源基地，以及京津冀、长三角、粤港澳大湾区等高碳排放源集中区等区域二氧化碳地质封存潜力评价与封存场地调查；积极创新合作机制，实施二氧化碳地质封存示范工程，研发关键技术，形成潜力评价、调查选址等技术标准，努力为我国实现碳中和作出更大贡献

三、CCUS技术在中国的应用展望

根据国际能源署（IEA）数据，碳中和目标下中国CCUS减排需求为：2030年0.2-4.08亿吨、2050年6-14.5亿吨、2060年10-18.2亿吨。下面就CCUS技术在我国主要行业应用前景进行展望。

火电行业：火电厂属低浓度的排放源，二氧化碳排放浓度在8%～15%，但就排放量而言，是规模最大的二氧化碳排放源，占据了总排放量的32%。电厂主要集中在我国的东南沿海一带和华北及东北地区。火电厂是当前中国CCUS 示范的重点，碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段。我国电力需求到2050年预计增长到12万亿~15万亿度，有4.3亿~16.4亿吨二氧化碳需通过CCUS技术减排才能实现电力系统的净零排放。燃煤电厂加装CCUS可捕获90%的碳排放量，使其变成一种低碳的发电技术。

水泥行业：近年来，我国水泥行业发展迅速，其二氧化碳排放量仅次于火力电厂，约占二氧化碳总排放量的22.4%。水泥企业主要分布在我国东南沿海一带经济发达地区和西南地区，在西北和东北地区分布较少。水泥属于低浓度的排放源，其排放浓度大约在11%～29%。预计2030年的减排需求为0.1亿吨-1.52亿吨/年，2060年减排需求为1.9亿吨-2.1亿吨/年。水泥行业石灰石分解产生的二氧化碳约占总排放量的60%，因此CCUS是水泥行业脱碳的必要手段。

钢铁行业：钢铁企业二氧化碳年排放量约占总排放量的21.2%，成为继热电厂和水泥之后的第三大二氧化碳排放行业。由于钢铁企业需要发达的交通支持，所以钢铁企业主要分布在我国交通比较发达的华东、华南地区。钢铁企业属于低浓度排放源。预计2030年减排需求为0.02亿吨-0.05亿吨/年，2060年减排需求为0.9亿吨-1.1亿吨/年。值得注意的是，钢铁行业的二氧化碳除了进行利用与封存外，还可以直接用于炼钢过程。充分利用这些技术，能够减排5%-10%。

石油化工：石油化工企业二氧化碳年排放量约占总排放量的21.01%，主要包含炼油、煤化工、合成氨及聚乙烯等。我国几大主要产油区附近均有比较丰富的二氧化碳排放源，其中新疆油田和长庆油田，其周围有相对较多的煤化工、合成氨和电石企业，这些都是高浓度的二氧化碳排放源；华北油田、冀东油田、大港油田周围主要是中浓度的聚乙烯和低浓度的水泥及电力企业，东北地区的大庆油田和吉林油田周围主要是低浓度的炼化企业。预计2030年的减排需求约为5000万吨，到2040年逐渐降低至0。这是由于石化和化工行业是二氧化碳的主要利用领域，并且捕集能耗低、投资成本与运行维护成本低，可为早期CCUS示范提供低成本的机会。

四、结语

目前我国在提高能效和发展清洁能源方面的进展已经居于世界前列，但在CCUS技术上，总体还处于研发和示范的初级阶段，还存在着经济、技术、环境和政策等方面的困难和问题。为进一步推动我国碳减排、利用与封存技术的发展，建议增强国家层面上对CCUS技术发展的政策指导和宏观协调，引导资源的有效配置；加快推进跨行业的CCUS技术合作平台建设，促进行业间技术集成；加强对CCUS技术示范与应用“支撑环境”的研究和能力建设；利用好国际社会CCS项目融资工具；进一步完善全国性碳排放权交易市场；积极引导企业通过保险创新产品获取政府财政补贴或税收减免，推动整个行业健康发展。