在“雙碳”背景下，我國CCUS（二氧化碳捕集、利用與封存）技術(shù)迅速發(fā)展，但現(xiàn)階段仍面臨多方面挑戰(zhàn)，距離大規(guī)模商業(yè)化運行仍有一定的距離。為了推動CCUS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有必要搭建CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)研發(fā)平臺，加快CCUS技術(shù)各環(huán)節(jié)低成本、低能耗關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，超前部署前沿和顛覆性CCUS技術(shù)驗證，提高技術(shù)成熟度和市場競爭力，以實現(xiàn)其廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。
CCUS是將二氧化碳從工業(yè)生產(chǎn)、能源利用或大氣中分離出來，加以利用或注入地層以實現(xiàn)永久減排的過程。它是實現(xiàn)碳減排的重要途徑，也是保障我國能源安全和推動經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展的重要手段，同時有利于促進我國可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。目前，CCUS 技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。在捕集環(huán)節(jié)，主要有燃燒后捕集、燃燒前捕集、富氧燃燒和化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。在運輸環(huán)節(jié)，二氧化碳可以通過管道、船舶、鐵路、公路等多種方式進行運輸。在利用與封存環(huán)節(jié)，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品，如水泥、鋼鐵、化肥等，同時也可以將其封存于地下巖層中。國外規(guī)模化的典型項目主要集中在歐美地區(qū)。加拿大是全球最大的油砂生產(chǎn)國之一，油砂是一種非常規(guī)石油資源。加拿大政府在油砂領(lǐng)域?qū)嵤┝硕鄠�CCUS項目，通過將捕集的二氧化碳注入油砂中，可以促進油砂的開采和生產(chǎn)，同時可以提高石油采收率。例如 Suncor Energy（森科能源）公司的碳捕集和封存項目、Syncrude Canada（加拿大合成油）公司的低排放項目及Boundary Dam（邊界大壩）項目等。
美國政府在煤炭行業(yè)實施了多個CCUS項目，其中之一是在懷俄明州運營的 Petra Nova（佩特拉諾瓦）項目。該項目實施地在得克薩斯州的西部牧場油田，由NRG能源公司和JX Nippon（新日本石油）合作進行，每年捕集純度為99%的二氧化碳160萬噸，通過管道輸送至西部牧場油田，用于提高石油采收率。
澳大利亞政府在煤炭行業(yè)實施了多個CCUS項目。在昆士蘭州運營的Gorgon （高庚）項目，捕集液化天然氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳，并將其注入海底地下巖層中，以減少溫室氣體排放，每年可以儲存超過160萬噸的二氧化碳。歐洲北海地區(qū)是全球重要的石油和天然氣生產(chǎn)區(qū)域之一，實施了多個CCUS項目，例如在挪威運營的Snohvit項目，每年能夠捕集約70萬噸二氧化碳。我國也有很多典型CCUS示范項目。中國石化齊魯石化-勝利油田CCUS項目是我國首個百萬噸級CCUS項目，其將齊魯石化捕集的二氧化碳輸送至勝利油田注入地層驅(qū)油并封存，每年可減排二氧化碳100萬噸；華東油氣液碳公司與南化公司合作建設(shè)的CCUS示范基地，分4期建成每年35萬噸的二氧化碳捕集裝置。中國神華在煤炭開采和燃燒過程中實施了多個CCUS項目，在內(nèi)蒙古、新疆等地的多個礦區(qū)捕集并封存二氧化碳，減少溫室氣體排放，提高礦區(qū)的安全性。國家電投集團在上海、河北等地的多個發(fā)電廠實施了CCUS項目，減少了電力行業(yè)的溫室氣體排放。
目前，我國CCUS技術(shù)體系正在逐步完善和豐富。在二氧化碳捕集方面，燃燒后化學(xué)吸收技術(shù)、燃燒前物理吸收技術(shù)等已完成工程示范并投入商業(yè)運行，正在研發(fā)基于新型吸收劑的化學(xué)吸收技術(shù)、化學(xué)吸附技術(shù)等。運輸方面，管輸規(guī)模已突破百萬噸，管輸壓力邁入超臨界范圍，管輸經(jīng)濟優(yōu)勢日漸明顯。二氧化碳利用方面，正在由強化石油開采向化工利用和生物利用拓展，逐步實現(xiàn)高附加值化學(xué)品合成、生物產(chǎn)品轉(zhuǎn)化等綠色利用方式。
規(guī)模化發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)我國高度重視CCUS技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新，盡管目前我國CCUS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入成熟商業(yè)化運營階段，其規(guī)模化發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。一是技術(shù)成本高。目前最成熟的碳捕集技術(shù)是有機胺法，這種方法胺液和能源（蒸汽）消耗較大，每捕集1噸二氧化碳，需要消耗0.5~1公斤胺液和1.4噸蒸汽，成本較高。運輸方式主要有罐車運輸、管道運輸和船舶運輸，估算每百公里每噸碳的運輸成本在80~120元，如果考慮安全性和環(huán)境影響等因素，運輸成本還將進一步提高。二氧化碳封存可以分為陸地封存和海洋封存，陸地封存通常選擇地下深處的咸水層或枯竭油氣井，需要做大量的地質(zhì)勘探和工程設(shè)計工作，海洋封存選擇在海洋深處，需要進行海上施工和設(shè)備安裝，據(jù)估算，每噸二氧化碳的封存成本在50~100元，成本較高。二是技術(shù)成熟度不足。目前國際上二氧化碳捕集主要使用第一代技術(shù)——燃燒后捕集+化學(xué)吸收法，尚處于大規(guī)模示范和應(yīng)用階段。第二代和第三代技術(shù)，如新型膜分離技術(shù)、新型吸收技術(shù)（離子液體法、相變吸收劑等）、新型吸附技術(shù)、增壓富氧燃燒技術(shù)、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)等均處于不同研發(fā)階段，技術(shù)尚未完全成熟。二氧化碳化學(xué)利用技術(shù)均處于示范階段，仍需進一步研究和優(yōu)化，才能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。以二氧化碳制備合成氣和甲醇為例，目前重點圍繞常規(guī)催化反應(yīng)法或電化學(xué)法，催化反應(yīng)法需要解決催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性等問題，電化學(xué)法需要解決能耗較高和電極材料的問題。二氧化碳驅(qū)油技術(shù)雖然相對較成熟，但是如何評價并篩選出適合注二氧化碳提高采收率的油藏、如何進一步提高二氧化碳驅(qū)油效率、在二氧化碳驅(qū)油的過程中如何防腐防竄等問題均需要進一步攻關(guān)。
三是市場接受度不高。成本較高和技術(shù)成熟度不足導(dǎo)致了CCUS技術(shù)的市場接受度不高。CCUS技術(shù)成本主要包括設(shè)備投資、運營維護、二氧化碳捕集和運輸?shù)龋M用較高，使其在經(jīng)濟上不具備競爭力。尤其是在鋼鐵水泥和化工等排放源廣泛、排放量大的行業(yè)中，采用CCUS技術(shù)需要投入大量資金，很多企業(yè)現(xiàn)階段不愿主動行動。此外，對CCUS技術(shù)的支持力度不夠，缺乏相關(guān)政策和法規(guī)支持，在部分地區(qū)的應(yīng)用和發(fā)展受到限制。
必須提高技術(shù)的經(jīng)濟性和可靠性針對這些問題，要通過技術(shù)創(chuàng)新和政策推動，提高碳捕集、利用與封存技術(shù)的經(jīng)濟性和可靠性，實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用和普及。在捕集技術(shù)方面，要通過研發(fā)更先進的二氧化碳捕集技術(shù)，降低捕集成本、提高捕集效率，當(dāng)前主要有三個發(fā)展方向。一是開發(fā)吸收能力強、能耗低、成本低的吸收劑。美國能源部（DOE）支持研究機構(gòu)開展了離子液體法捕集二氧化碳的研究，其中美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）也進行了離子液體法捕集二氧化碳的研究，成功開發(fā)出一種具有高吸收容量和快速反應(yīng)速度的離子液體吸收劑。中國科學(xué)院過程工程研究所、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、華東師范大學(xué)等單位也不斷加強離子液體法捕集研究。二是開發(fā)能耗低、操作簡單、成本低的膜分離技術(shù)。天津大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國石化南京化工研究院等單位均開展了膜分離二氧化碳捕集技術(shù)研究，其中，天津大學(xué)牽頭的“十三五”國家重點研發(fā)計劃“膜法捕集二氧化碳技術(shù)及工業(yè)示范”項目，形成了國際領(lǐng)先的膜法捕集二氧化碳完整技術(shù)鏈，并建成50000標(biāo)準(zhǔn)立方米/日膜分離碳捕集工業(yè)示范裝置。三是攻關(guān)具有吸附容量大、能耗低的吸附技術(shù)。目前化學(xué)吸附中試與工業(yè)試驗項目多使用氧化鈣、堿金屬碳酸鹽、固體胺類吸附材料實現(xiàn)二氧化碳的捕集與分離。此外，通過優(yōu)化工藝流程（如采用先進的蒸汽壓縮制冷技術(shù)、低溫冷卻技術(shù)等）、強化傳熱技術(shù)（提高換熱器的傳熱效率和熱力學(xué)效率，降低能耗和成本）、根據(jù)排放源特性設(shè)計匹配的碳捕集技術(shù)路線等方式，也可以實現(xiàn)捕集成本降低、效率提升。
在輸送技術(shù)方面，要提高二氧化碳輸送效率、提高安全性、減少對環(huán)境的影響。在管道材料設(shè)計上，研發(fā)更高強度、耐腐蝕性和輕量化的材質(zhì)，提高輸送效率和安全性；在輸送工藝和技術(shù)上，采用先進的流體動力學(xué)技術(shù)和新型的泵送設(shè)備等來提高輸送效率；在安全控制和監(jiān)測技術(shù)上，采用先進的傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)來實時監(jiān)測管道的運行狀態(tài)和泄漏情況；在新能源利用上，在管道沿線設(shè)置太陽能發(fā)電裝置，為輸送過程供應(yīng)部分電力。
在利用技術(shù)方面，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值碳基新材料是一個重要的方向，如將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳納米管、石墨烯等高附加值的碳基新材料，推動在鋰電池導(dǎo)電漿料、導(dǎo)電塑料、防腐涂料等產(chǎn)品的應(yīng)用。對已有的二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)，不斷研發(fā)新型催化劑也是未來發(fā)展的重要方向。在驅(qū)油技術(shù)方面，發(fā)展重點主要集中在提高采收率及經(jīng)濟效益。針對低滲透油藏埋深大、物性差、儲量品位低等特點，重點攻關(guān)降低最小混相壓力技術(shù)，明確影響二氧化碳驅(qū)開發(fā)效果的主控因素，加強合理開發(fā)技術(shù)對策研究，最大程度地提高原油采收率。針對中高滲油藏長期注水后轉(zhuǎn)注二氧化碳開發(fā)中二氧化碳指進現(xiàn)象突出、腐蝕嚴(yán)重等問題，重點攻關(guān)高含水條件下二氧化碳與原油傳質(zhì)機理，泡沫復(fù)合驅(qū)技術(shù)、二氧化碳增稠技術(shù)和智能注采調(diào)整技術(shù)，低成本防腐工藝，降低開發(fā)成本，不斷擴大二氧化碳驅(qū)應(yīng)用規(guī)模，打造CCUS產(chǎn)業(yè)化示范工程。在封存技術(shù)方面，應(yīng)將發(fā)展重點集中在提高封存效率和降低封存風(fēng)險。封存技術(shù)的選擇和應(yīng)用需要考慮不同的場景和需求，如地質(zhì)封存技術(shù)需要針對不同的地質(zhì)條件和環(huán)境因素，研究適合的地質(zhì)封存技術(shù)，包括地下咸水層封存、枯竭油氣田封存等。同時，需要加強地質(zhì)封存技術(shù)的工程化應(yīng)用和示范，提高封存效率和降低封存風(fēng)險。化學(xué)封存技術(shù)需要加強包括催化劑的選擇和優(yōu)化、反應(yīng)機制的研究等。物理封存技術(shù)需要壓縮技術(shù)的優(yōu)化、儲存容器的設(shè)計和制造等。還需要加強二氧化碳捕集、利用與封存一體化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。
此外，政府應(yīng)加大對CCUS技術(shù)的支持力度，提高市場接受度。可通過提供財政補貼、稅收優(yōu)惠等政策措施，設(shè)立專門的政府基金，鼓勵對CCUS技術(shù)研發(fā)和示范項目的投資，同時引導(dǎo)金融機構(gòu)加大對CCUS產(chǎn)業(yè)的支持力度，鼓勵企業(yè)擴大對CCUS項目的投資；制定針對CCUS項目的稅收優(yōu)惠政策，例如，通過減免企業(yè)所得稅、增值稅減免等，降低CCUS項目的成本，鼓勵企業(yè)應(yīng)用；不斷建立完善CCUS標(biāo)準(zhǔn)體系，包括技術(shù)規(guī)范、設(shè)備檢測、封存場地標(biāo)準(zhǔn)等，提高CCUS技術(shù)的規(guī)范性和可操作性，推動CCUS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；進一步強化碳資產(chǎn)管理運營，建立完善的碳管理體系，通過加強碳交易、碳監(jiān)測和碳審計等相關(guān)工作，提高碳管理的科學(xué)化和規(guī)范化水平。
文/陳 曦 王海妹，中石化碳產(chǎn)業(yè)科技股份有限公司，中國石化報
來源：能源情報
