本文摘要：摘要:隨著全球工業(yè)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(shù)的應(yīng)用可有效改善碳排放問題。目前，全球許多國家和地區(qū)已建有不同規(guī)模的CC
摘要:隨著全球工業(yè)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(shù)的應(yīng)用可有效改善碳排放問題。目前，全球許多國家和地區(qū)已建有不同規(guī)模的CCUS項目，對CCUS技術(shù)和項目進行了系統(tǒng)總結(jié)。分析結(jié)果表明，CCUS項目在解決碳排放問題上有著較好的工業(yè)前景。
關(guān)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(guān)乎國家政策的規(guī)劃承諾，更與我們賴以生存的地球環(huán)境息息相關(guān)。早在20世紀70年代，國外就已經(jīng)開始對碳捕集進行相關(guān)研究。IPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)關(guān)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(shù)可有效改善全球氣候的變化，并且明確指出CCUS技術(shù)對于實現(xiàn)2050年碳零排放意義重大。
2019年，二十國集團(G20)能源與環(huán)境部長級會議首次將CCUS技術(shù)納入議題。國外科研工作者對碳捕集已經(jīng)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(shù)，分離效率可達到90%。Dutcher等[2]通過胺基技術(shù)捕集CO2，由于反應(yīng)的高度可逆性，可有效應(yīng)用于工程項目。
我國對CCUS技術(shù)的研究起步較晚，自2006年開始才陸續(xù)出臺關(guān)于CCUS技術(shù)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�！吨袊鴳�(yīng)對氣候變化國家方案》《中國應(yīng)對氣候變化科技專項行動》《中國應(yīng)對氣候變化的政策與行動》白皮書等都將CCUS技術(shù)作為重點研究的技術(shù)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(nèi)生產(chǎn)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(xiàn)，2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)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。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)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(yè)均進行了CO2的捕集、利用和封存方面的研究探索，每個行業(yè)又根據(jù)自身行業(yè)特點，形成了多種CO2捕集、利用和封存的技術(shù)方法。
2CCUS技術(shù)概述
2.1碳捕集技術(shù)
CO2捕集的方法按照對燃料、氧化劑和燃燒產(chǎn)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(yīng)將CO轉(zhuǎn)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(shù)局限于基于煤氣化聯(lián)合發(fā)電裝置(IntegratedGasificationCombinedCycle，IGCC)，因此以此技術(shù)投產(chǎn)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(shù)采用純氧或者富氧將化石燃料進行燃燒，燃燒后的主要產(chǎn)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(huán)境來滿足高溫要求，因此這兩種技術(shù)的研究與開發(fā)和示范性項目較少。相比較而言，燃燒后捕集技術(shù)是當前煉廠應(yīng)用較為廣泛且成熟的技術(shù)，該技術(shù)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(yīng)用。以當前的技術(shù)，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(shù)
從國內(nèi)外項目經(jīng)驗看，地下封存、驅(qū)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(yīng)對全球氣候變化，國外很早就展開了CO2捕集項目的相關(guān)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(chǎn)生的CO2進行油田驅(qū)油，CO2捕集能力達70萬t/a。
1/3國土面積在北極圈內(nèi)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(yè)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(lián)酋等國家加速推進CO2捕集項目的工業(yè)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(yīng)用于發(fā)電廠CO2捕集項目。該項目將150MW燃煤發(fā)電機產(chǎn)生的CO2捕集后，一部分封存地下，一部分用于美國Weyburn油田驅(qū)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(chǎn)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(yè)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(jīng)累計捕集CO2達400萬t，以更低的成本提前完成預(yù)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(shù)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(jié)論與展望
工業(yè)是現(xiàn)代社會的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟發(fā)展的源泉，在帶來了經(jīng)濟效益和工作機會的同時，也帶來了許多問題。工業(yè)消耗了全球1/3的能源，卻產(chǎn)生了全球1/3的溫室氣體。在實現(xiàn)近零排放目標和實現(xiàn)全球溫控1.5℃路線圖的進程中，CCUS技術(shù)將起到至關(guān)重要的作用。IEA預(yù)估利用CCUS技術(shù)，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(shù)將會在材料的創(chuàng)新、工藝或設(shè)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(huán)技術(shù)等，都已經(jīng)在FEED(FrontandEndEngineeringDesign，前端工程設(shè)計)工程設(shè)計項目中進行了實踐。隨著工業(yè)的進步，下一代捕集技術(shù)將助推CCUS技術(shù)的進步和發(fā)展[9]。
未來幾十年，對于應(yīng)對全球氣候變暖，碳利用將起到重要作用。縱觀國內(nèi)外成熟的工程項目，地下封存、驅(qū)油和食品級利用是當前較主流的方向。其中，驅(qū)油技術(shù)可以通過CO2把煤化工或天然氣化工產(chǎn)生的碳源和油田聯(lián)系起來，有較好的收益，有較好的應(yīng)用前景。而未來，與氫能利用相結(jié)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(shù)相結(jié)合的氣體重整(主要是甲烷蒸汽重整)和煤氣化技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)生產(chǎn)低碳氫能的目標。歐盟和一些國家已經(jīng)直接將CCUS作為一個關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)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，F(xiàn)anM，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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