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(Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ，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 ( Ｃａｒｂｏｎ ＣａｐｔｕｒｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ，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。《“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。

現代工業生產中 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。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。

2 CCUS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，如圖1所示。

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（Integrated Gasification Combined Cycle，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/t CO2，尚需要更多的項目來進行驗證。

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%~98 vol%，提高了CO2捕集率。

由于燃燒前捕集合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就，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/t CO2。

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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，是當前較為主流的方向。圖2展示了主要的碳利用和封存技術。

2.2.1 碳利用

CCUS—EOR（Enhanced oil recovery，強化采油）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，如圖3所示，該技術通過把捕集來的CO2注入到油田中，使即將枯竭的油田再次采出石油的同時，也將CO2永久地貯存在地下。CO2驅油的主要原理是降低原油粘度、增加原油內能，從而提高原油流動性并增加油層壓力。CO2制化肥和食品級CO2商業利用也是目前較成熟的碳利用項目。

國外近年來碳利用有很多新興的利用方向，如荷蘭和日本均有較大規模的將工業產生的CO2送到園林，作為溫室氣體來強化植物生長的項目。包括溫室氣體利用技術在內，國外處于示范項目階段碳利用技術有CO2制化肥、油田驅油、食品級應用等；正處于發展階段的有CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2加氫制甲醇、海藻培育、動力循環等；尚處于理論研究階段的方向有CO2制碳纖維和乙酸等。

國內新興的碳利用方向主要有CO2加氫制甲醇、CO2加氫制異構烷烴、CO2加氫制芳烴、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大連化物所、中科院上海研究院、大連理工大學等，對這些技術進行了研究，但大多都處在催化劑研究的理論研究階段或中試階段。

2.2.2 碳封存

CO2捕集后，可以通過泵送到地下、海底長期儲存，或直接通過強化自然生物學作用把CO2儲存在植物、土地和地下沉積物中。當前的碳封存技術主要分為以下2種：

第一種是將CO2高壓液化注入海洋底。基于CO2的理化性質，在海平面2.5km以下，CO2主要以液態的形式存在。由于密度大于海水密度，將這一區域作為海洋碳封存的安全區域，如圖4（a）所示。

第二種是將CO2進行地質封存。在地下0.8~1.0km這一高度區域內，超臨界狀態的CO2具有流體性質。基于CO2的理化性質改變，可實現地質碳封存，如圖4（b）所示。

3 CCUS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。表1將國際大型CCS/CCUS項目做了總結。

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。

進入本世紀以來，由于個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Great Plain Sysfuels Plant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Boundary Dam Power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。

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。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。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。

3.2 國內已建/在建的CCUS項目進展

隨著工業化進程的加快，國內也開啟了CO2捕集項目的研究。相比國外，中國的CCUS項目起步較晚，且尚無百萬噸級規模的捕集項目。目前，國內以捕集量為10萬t級規模的項目為主。國內CCS/CCUS項目如表2所示。

2007年，中國石油吉林油田和中石化華東分公司草舍油田開啟了國內CO2捕集項目的新篇章。經過長期實踐，中國石油吉林油田于2007年首先實現CCUS—EOR技術的工業化，建立五類CO2驅油與埋存示范區，年埋存CO2能力可達35萬t；同年，中石化華東分公司草舍油田建成了CO2年注入量4萬t的先導試驗項目，后期建成了CO2回收裝置，年處理量可達2萬t。

隨后，基于日趨成熟的CO2捕集技術，中石化勝利油田、中國神華、延長石油及中石化中原油田加速推進CO2捕集項目的工業化。

2010年，中石化勝利油田建成了國內首個燃煤電廠的CCUS示范項目，以燃煤電廠煙氣CO2為源頭，采用燃燒-捕集技術，將捕集的CO2注入到油田中進行驅油，CO2捕集能力達3萬~4萬t/a；2011年，神華鄂爾多斯10萬t/a的CCS示范項目落成，采用甲醇吸收法捕集煤氣化制氫項目尾氣中的CO2，后向鹽水層中注入CO2，該項目是國內第一個鹽水層地質封存實驗項目；2012年，延長石油建成了5萬t/a的CO2捕集利用項目，該項目利用煤化工產生的CO2，經過低溫甲醇洗技術提純加壓液化后注入油田中，降低了原油粘度，提高了原油采收率并實現了CO2永久封存；2015年，中石化中原油田煉廠尾氣CCUS項目建成，項目將已經接近廢棄的油田，通過CO2驅油將油田采出率提高15%，目前已有百萬噸CO2注入到地下。

除了傳統CO2捕集技術，國內還開展了CO2新型再利用技術，應用于食品、精細化工等行業。

2009年，上海石洞口第二電廠碳捕集項目建成，捕集規模為10萬t/a，捕集后的CO2主要用于食品行業；2011年，經連云港清潔煤能源動力系統研究，將IGCC產生的CO2捕集后一部分用于尿素和純堿工業，一部分注入到鹽水層進行封存；2012年，天津北塘國電集團CO2捕集示范項目采用燃燒后捕集技術，年捕集量為2萬t，捕集后的CO2用于食品行業。

此外，微藻固碳技術世界范圍內仍處于發展階段，2010年，新奧集團在內蒙古達拉特旗利用微藻固碳技術，將煤制甲醇/二甲醚裝置的尾氣吸收后，一部分用作生物柴油，一部分用作生產私聊，處理量達2萬t/a。

除已建項目，國內將加速建設CO2捕集項目，如齊魯石化在建CCUS-EOR項目（2020年），CO2捕集能力4萬t/a。在一些雙邊協議中，中美將在中國開展一些大型CCUS項目，如中美氣候變化合作延長石油CCUS示范項目等。

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。

下一代碳捕集技術將會在材料創新、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Ion Engineering公司的非水溶劑、MTR公司的膜分離體系、三菱重工的KS-21溶劑、Lind-BASF的貧富溶劑吸收再生循環技術等，都已經在FEED（Front and End Engineering Desing，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。

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作為一個關鍵就來實現這一目標，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。