梁鋒

(1. 中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048； 2. 全國氣體凈化信息站，江蘇南京 210048)

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表講話，承諾“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！盵1]。2020年12月12日，國家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會上進一步宣布：“到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上?！盵2]。為了實現(xiàn)這一莊嚴承諾，2020年12月召開的中央經(jīng)濟工作會議首次將“做好碳達峰、碳中和工作”列為2021年八大重點任務(wù)之一。2021年3月，十三屆全國人大四次會議通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中也強調(diào)，“落實2030年應(yīng)對氣候變化國家自主貢獻目標，制定2030年前碳排放達峰行動方案。”

我國碳中和目標的提出，彰顯了我國綠色低碳發(fā)展的決心，對應(yīng)對全球氣候變化和中國未來社會經(jīng)濟發(fā)展具有重大影響。為了實現(xiàn)這一目標，達到綠色低碳轉(zhuǎn)型，必須通過源頭減量、能源替代、節(jié)能提效、回收利用、工藝改造及碳捕集、利用和存封(carbon capture，utilization and storage，CCUS)等碳減排路線實現(xiàn)。其中，CCUS技術(shù)是CO2深度減排、應(yīng)對氣候變化的重要途徑之一。

1 實現(xiàn)碳中和目標的關(guān)鍵

碳中和目標的提出給CCUS技術(shù)的發(fā)展提供了新的動力，同時也提出了新的要求，如何在新的目標下發(fā)展CCUS技術(shù)成為當(dāng)下業(yè)界熱議的話題和研究方向。

1.1 CCUS技術(shù)發(fā)展新形勢

CCUS技術(shù)一直是近年來國際領(lǐng)域應(yīng)對氣候變化的熱點問題。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)評估報告指出，如果沒有CCUS技術(shù)，減排成本將會成倍增加，估計增幅平均高達138%。無論是政府還是能源企業(yè)，亦或是可持續(xù)發(fā)展以及人與自然和諧共生，CCUS技術(shù)作為低碳發(fā)展的重要途徑，將在世界能源領(lǐng)域扮演重要角色。

國際能源署(IEA)在《通過碳捕獲、利用與封存(CCUS)實現(xiàn)工業(yè)變革》(Transforming Industry through CCUS)(2019年)提出，在清潔技術(shù)情景(與《巴黎協(xié)定》路徑一致)下，2060年工業(yè)部門的CCUS累計量將達到280億t，能源加工和轉(zhuǎn)換部門CCUS累計量為310億t，電力部門CCUS累計量為560億t。CCUS將實現(xiàn)38%的化工行業(yè)減排，15%的水泥和鋼業(yè)行業(yè)減排。國際上許多政府、組織、企業(yè)等都在積極推動CCUS在全球的發(fā)展與布局，為CCUS技術(shù)的發(fā)展提供強有力的政策支持。

大規(guī)模實施碳捕獲、利用與封存，是目前唯一可在未來十年乃至可預(yù)見的將來應(yīng)用于現(xiàn)有最難減排的主要重工業(yè)設(shè)施、實現(xiàn)顯著并直接減排或避免排放的解決方案。在所有低碳能源解決方案中，CCUS技術(shù)將在我國的能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮越來越關(guān)鍵的作用[3]。

1.2 CCUS發(fā)展新需求

2060碳中和目標對科技提出了新的需求，CCUS技術(shù)是實現(xiàn)碳中和目標技術(shù)組合的重要構(gòu)成部分，未來潛力巨大，但目前還存在技術(shù)挑戰(zhàn)，我國CCUS技術(shù)已有較好基礎(chǔ)，但與國際差距仍較大，應(yīng)持續(xù)加強CCUS技術(shù)研發(fā)與示范，完善系統(tǒng)配套支持體系。

現(xiàn)階段我國CCUS技術(shù)類型齊全，發(fā)展迅速，但面臨著尚未形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，高成本制約CCUS 技術(shù)大規(guī)模推廣，融資渠道不暢通，缺乏成熟的商業(yè)模式，公眾認知度、接受度有待提高等諸多挑戰(zhàn)。

碳中和是一個長期的、需要全社會努力的結(jié)果，需要注意CCUS產(chǎn)業(yè)化中全生命周期的減碳問題和經(jīng)濟性問題，要盡快找準定位，抓住早期機會，實現(xiàn)一些專項技術(shù)的示范功能，盡快加快技術(shù)的應(yīng)用進程。

2 CCUS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 CCUS技術(shù)主要過程和技術(shù)環(huán)節(jié)

CCUS技術(shù)的主要過程和技術(shù)環(huán)節(jié)[4]見表1。

表1 CCUS技術(shù)的主要過程和技術(shù)環(huán)節(jié)

2.2 主要CO2捕集工藝

開發(fā)高效節(jié)能的CO2捕集工藝已成為CCUS的核心問題和關(guān)鍵技術(shù)。主要的CO2捕集工藝見表2。

表2 主要CO2捕集工藝

2.3 CCUS示范項目

國內(nèi)CO2捕集示范項目主要分布在華東、華北地區(qū)，項目類型包括燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集，目前已經(jīng)擁有了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CO2捕集技術(shù)。具有代表性的CO2捕集示范工程項目見表3。

表3 國內(nèi)已運營的萬噸級CCUS示范項目

從現(xiàn)階段來看，燃燒前、燃燒后的CO2捕集技術(shù)已接近或達到商業(yè)化應(yīng)用階段，燃燒前以物理吸收-低溫甲醇洗法為主，燃燒后以化學(xué)吸收-胺法為主，富氧燃燒尚未達到正常的示范運行。截至2020年，國內(nèi)共有21個捕集項目在運行，CO2捕集量約180萬t/a。

2.4 CCUS技術(shù)應(yīng)用成本

在CCUS技術(shù)的碳捕集、輸送、利用與封存環(huán)節(jié)中，捕集是能耗和成本最高的環(huán)節(jié)。二氧化碳排放源可以劃分為兩類：一類是高濃度源(如煤化工、煉化廠、天然氣凈化廠等)，另一類是低濃度源(如燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠等)。高濃度源的捕集成本大大低于低濃度源。據(jù)統(tǒng)計，目前CCUS示范工程投資額都在數(shù)億元人民幣，而且在現(xiàn)有技術(shù)條件下，引入碳捕集后每噸二氧化碳將額外增加140～600元的運行成本。如華能集團上海石洞口捕集示范項目的發(fā)電成本就從約0.26元/kWh提高到0.5元/kWh。

續(xù)表2

續(xù)表3

仍有待提升的CCUS技術(shù)水平是制約其發(fā)展的又一障礙。在我國，CCUS試驗示范還處于起步階段，缺乏大規(guī)模、全流程示范經(jīng)驗，特別是在現(xiàn)有CCUS技術(shù)條件下，企業(yè)實施CCUS將使一次能耗增加10%～20%，效率損失大。因此整體的CCUS應(yīng)用成本還處于較高水平。

3 CCUS技術(shù)發(fā)展機遇

在碳中和的目標下，CCUS技術(shù)的發(fā)展，在政策導(dǎo)向、技術(shù)積累、應(yīng)用市場等維度面臨著諸多機遇。從政策層面上來說，CCUS技術(shù)被列入了國家發(fā)改委、國家能源局共同發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》，有關(guān)二氧化碳的捕集、運輸、利用、埋存等方面的環(huán)境評價體系正在逐步完善；從技術(shù)層面上來說，我國掌握了碳捕集裝備的制造、強化采油、利用等技術(shù)，基本形成相應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈，積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗。目前，國內(nèi)已有一批由大型企業(yè)主導(dǎo)實施的相關(guān)項目正在進行；從應(yīng)用市場上來看，我國擁有廣闊的發(fā)展前景。初步預(yù)計，全球CCUS產(chǎn)業(yè)規(guī)?？蛇_數(shù)萬億美元，其中2060年中國CCUS投資規(guī)模將達到3.5萬億元人民幣。

3.1 美國CCUS發(fā)展路徑

近期，美國國家石油委員會(NPC)發(fā)布了受美國能源部委托完成的《迎接雙重挑戰(zhàn)：碳捕集、利用和封存規(guī)?；渴鹇肪€圖》[5]報告，提出了在25年內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模部署CCUS技術(shù)的發(fā)展路線。通過啟動階段(未來5～7年，投資500億美元，CCUS規(guī)模達6 000萬t/a)、擴張階段(未來15年，投資1 750億美元，CCUS規(guī)模達1.5億t/a)和規(guī)?；瘧?yīng)用階段(未來25年，投資6 800億美元，CCUS規(guī)模達5億t/a)3個階段，實現(xiàn)CCUS技術(shù)在美國的大規(guī)模應(yīng)用。其研發(fā)重點為3大部分，具體如下。

3.1.1 碳捕集技術(shù)

改進碳捕集技術(shù)以用于燃煤煙氣、天然氣煙氣和工業(yè)CO2排放源；推進開發(fā)用于氣體分離的溶劑、吸附劑、膜和低溫工藝，以及開發(fā)新型的具備碳捕集功能的能量循環(huán)系統(tǒng)；制定成本和性能基準并進行公開評估；降低碳捕集的總體成本以及資本、運營和維護成本；提升碳捕集系統(tǒng)的運行靈活性以適應(yīng)加速循環(huán)；評估碳捕集技術(shù)以確定最具技術(shù)性和經(jīng)濟性的選擇；探索復(fù)合碳捕集系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.1.2 碳封存技術(shù)

提高場址表征和封存方法的效率；通過CO2羽流固定機理研究及加快速度來增加對孔隙空間的利用； 改進耦合模型以優(yōu)化和預(yù)測CO2流動和輸運，以及地質(zhì)力學(xué)和地球化學(xué)反應(yīng)；降低監(jiān)測成本并開發(fā)新的監(jiān)測技術(shù)；量化和管理誘發(fā)地震的風(fēng)險；研究采用替代砂巖和碳酸鹽巖儲層實現(xiàn)年儲量百萬噸級的可行性，包括超鎂鐵質(zhì)巖石(玄武巖)和低滲透性巖石(頁巖)；進行社會科學(xué)研究，以提高相關(guān)參與度，并向大眾通報地質(zhì)構(gòu)造中碳封存的需求、機會、風(fēng)險和利益。

3.1.3 碳利用技術(shù)

3.1.3.1 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化

繼續(xù)提高催化材料的選擇性、活性和穩(wěn)定性，包括理論和試驗表征。對于已證明在較低溫度范圍(如373～573 K)內(nèi)具有活性、選擇性、耐水性的低成本催化劑，應(yīng)關(guān)注催化劑性能的長期穩(wěn)定性以及防止失活的解決方案。CO2轉(zhuǎn)化技術(shù)的其他關(guān)鍵挑戰(zhàn)是提高對產(chǎn)物的選擇性以及催化劑對副產(chǎn)物(如水和原料中的雜質(zhì))的穩(wěn)定性。此外還需進行更多實驗室研究和計算研究，以及中試規(guī)模的研究和開發(fā)。同時，研究開發(fā)更有效、更低成本的方法來使用可再生能源電解水制氫，對于短期內(nèi)提高CO2加氫轉(zhuǎn)化的環(huán)境和經(jīng)濟可行性也極為重要。

3.1.3.2 電化學(xué)和光化學(xué)轉(zhuǎn)化

該領(lǐng)域的主要研究包括：開發(fā)新型催化劑以提高選擇性、活性和穩(wěn)定性；具有高耐用性和離子電導(dǎo)率的聚合物膜；新型電解池設(shè)計和制造。電化學(xué)和光化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑面臨著相似的挑戰(zhàn)，但在光收集、裝置設(shè)計等方面有所不同。催化劑、膜系統(tǒng)和電解槽的規(guī)模擴大，以及高CO2溶解度的新型電解質(zhì)開發(fā)也是重要的研發(fā)領(lǐng)域，后者具有巨大的潛力將CO2的捕集和轉(zhuǎn)化結(jié)合到一個過程中。開發(fā)結(jié)合電化學(xué)和光化學(xué)系統(tǒng)以及熱化學(xué)和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑的復(fù)合系統(tǒng)，對于技術(shù)的變革發(fā)展非常重要。

3.1.3.3 碳化與水泥

研究主要關(guān)注如下方面：集成反應(yīng)路徑；化學(xué)(配體)和生物催化劑(碳酸酐酶)的使用；有價值產(chǎn)品(碳酸鹽)和副產(chǎn)物(金屬和稀土元素)的創(chuàng)新分離技術(shù)等。此外，還應(yīng)對各種碳化原料進行建模和試驗研究，以及對所生產(chǎn)材料的特性和性能進行測試。在較大規(guī)模的研發(fā)中，應(yīng)研究用于過程強化的能源和材料集成。

3.1.3.4 生物轉(zhuǎn)化

應(yīng)開發(fā)利用自然陽光的藻類技術(shù)以小批量生產(chǎn)高價值保健食品，還可將當(dāng)前正在商業(yè)化的人造光生物光反應(yīng)器技術(shù)用于具備可再生能源電力和高效LED光源的系統(tǒng)，以生產(chǎn)營養(yǎng)保健品、蛋白質(zhì)和化學(xué)藥品。上述2種途徑都應(yīng)研究光轉(zhuǎn)換效率、選擇性以及相關(guān)反應(yīng)器系統(tǒng)，以提高產(chǎn)量和降低成本。氣體發(fā)酵應(yīng)關(guān)注氣相至液相中的有效傳質(zhì)和產(chǎn)物分離，應(yīng)在實驗室規(guī)模和試點規(guī)模的項目中進行研究。結(jié)合不同轉(zhuǎn)化途徑的復(fù)合系統(tǒng)將是一個重要方向，如通過化學(xué)途徑將CO2轉(zhuǎn)化為C1化合物更容易，而通過生物學(xué)途徑將C1轉(zhuǎn)化至C2+化合物更容易，因此可考慮綜合上述2種途徑的復(fù)合系統(tǒng)。此外，還應(yīng)研究將波動性可再生能源整合到生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中。

美國NPC上述部署擴展到其研究所描述的規(guī)模將需要更有效地集成現(xiàn)有的技術(shù)，同時開發(fā)新的技術(shù)來提供新的CCUS路徑，并降低CCUS解決方案的成本。

3.2 中國CCUS發(fā)展路徑

中國十分重視CCUS技術(shù)，2016年國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》明確提出：“要推進工業(yè)領(lǐng)域碳捕集、利用和封存試點示范”。在CCUS技術(shù)研發(fā)、試驗示范和商業(yè)化探索方面已開展了大量工作，初步形成了政府引導(dǎo)、市場主導(dǎo)、企業(yè)參與、示范先行的工作格局，呈現(xiàn)了技術(shù)路徑多樣，項目種類齊全，部署發(fā)展有序的良好局面。

科學(xué)技術(shù)部社會發(fā)展科技司、中國21世紀議程管理中心發(fā)布了《中國碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖(2019)》[6]，全面評估中國CCUS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和潛力以及面臨的問題與挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮經(jīng)濟發(fā)展、能源轉(zhuǎn)型、排放達峰等約束因素，提出我國需分階段有序推進低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技術(shù)研發(fā)示范和產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展目標，從統(tǒng)籌戰(zhàn)略布局、實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、探索財稅支持和加強國際合作等方面對研發(fā)示范優(yōu)先行動提出相關(guān)政策建議。

生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院氣候變化與環(huán)境政策研究中心2020年發(fā)布了《中國碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖(2019)》，報告指出相對中國的二氧化碳排放量和減排需求，當(dāng)前CCUS的減排貢獻仍然很低(年封存量約為年排放量的萬分之一)，難以滿足中國低碳發(fā)展的迫切需求。為此，建議盡快建立較為全面的CCUS 發(fā)展政策環(huán)境，推動中國CCUS 健康發(fā)展，主要包括：①建立、健全CCUS法規(guī)和標準體系；②出臺鼓勵和補貼政策，探索市場化激勵機制，完善投融資環(huán)境；③建立跨部門、跨行業(yè)協(xié)調(diào)機制，分階段、分行業(yè)、分重點逐步推進CCUS 技術(shù)的商業(yè)化進程。

2021年《中國石油和化學(xué)工業(yè)碳達峰與碳中和宣言》明確提出：加快部署二氧化碳捕集驅(qū)油和封存項目、二氧化碳用作原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品項目。積極開發(fā)碳匯項目，發(fā)揮生態(tài)補償機制作用，踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。加大科技研發(fā)力度，瞄準新一代清潔高效可循環(huán)生產(chǎn)工藝、節(jié)能減碳及二氧化碳循環(huán)利用技術(shù)、化石能源清潔開發(fā)轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)等，增加科技創(chuàng)新投入，著力突破一批核心和關(guān)鍵技術(shù)，提高綠色低碳標準。

未來中國CCUS發(fā)展研究重點有以下幾點：①加強CO2捕集的基礎(chǔ)研究，深化新型捕集技術(shù)，開展新型捕集材料(新型活化劑混合胺、離子液體、膜、吸附劑)、捕集分離設(shè)備、工藝優(yōu)化集成等的研究，盡快實現(xiàn)新領(lǐng)域的技術(shù)突破；②在成本最大的制氧技術(shù)上尋求技術(shù)突破以外，發(fā)展符合中國國情的富氧燃燒技術(shù)；③發(fā)展與新能源耦合的負排放技術(shù)，驅(qū)動技術(shù)成本顯著下降；④提前儲備和部署生物質(zhì)耦合CCUS技術(shù)(BECCS)和直接空氣捕集(DAC)等負排放技術(shù)；⑤充分借鑒美國CCUS發(fā)展經(jīng)驗，在工程方面對國外先進示范項目進行調(diào)研和梳理，強化過程開發(fā)，對國內(nèi)示范項目進行及時的總結(jié)和完善，積累全產(chǎn)業(yè)鏈的工程經(jīng)驗和技術(shù)數(shù)據(jù)，為我國 CCUS 技術(shù)標準體系建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。

3.3 捕集技術(shù)示范預(yù)測

由于捕集部分占整個CCUS費用的2/3甚至更高[7]，因此國際上主要以“提高捕集效率及規(guī)模，降低捕集成本”為重點研發(fā)方向。國內(nèi)主流CO2捕集方法在研制新型捕集溶劑及材料、改進捕集節(jié)能工藝流程、開發(fā)高效吸收解吸傳質(zhì)傳熱設(shè)備等方面，已躍升為現(xiàn)階段研究CO2捕集技術(shù)中的重中之重。未來CO2捕集技術(shù)及示范預(yù)測見表4。

表4 未來CO2捕集技術(shù)及示范

4 結(jié)論

1) CCUS作為目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù)，是我國實現(xiàn)2060年碳中和目標技術(shù)組合的重要構(gòu)成部分。未來，應(yīng)加強CO2捕集的基礎(chǔ)研究，深化新型捕集技術(shù)，盡快實現(xiàn)新領(lǐng)域的技術(shù)突破。

2)以碳達峰、碳中和為目標導(dǎo)向，推進低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技術(shù)研發(fā)示范和產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展目標，科學(xué)制定CCUS 技術(shù)發(fā)展規(guī)劃和激勵政策，為實現(xiàn)碳中和目標、保障能源安全、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

3)充分借鑒國外CCUS發(fā)展經(jīng)驗，對先進示范項目進行調(diào)研和梳理，強化過程開發(fā)，對國內(nèi)示范項目進行及時的總結(jié)和完善，積累全產(chǎn)業(yè)鏈的工程經(jīng)驗和技術(shù)數(shù)據(jù)，為我國 CCUS 技術(shù)標準體系建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。

4)建立跨部門、跨行業(yè)協(xié)調(diào)機制，分階段、分行業(yè)、分重點逐步推進CCUS 技術(shù)的商業(yè)化進程。