摘要
綜述了國內外二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）全鏈條技術研究進展，探討了燃燒前、富氧燃燒、燃燒后等CO?捕集技術，其中化學吸收法技術最成熟、應用最廣泛；分析了化學利用、生物利用、地質利用與封存等CO?下游消納技術，拓展轉化利用途徑和提升循環利用效率是關鍵；總結了煤電和煤化工CCUS典型工程案例，指出了探索典型能源基地CCUS產業集群具有重要意義，可為雙碳目標提供兜底保障。
關鍵詞：煤基能源；CO?捕集；CO?利用與封存；化學吸收；雙碳目標
自工業革命以來，人類能源活動造成的以CO?為主的溫室氣體排放是導致全球溫室效應加劇的主要原因。2015年12月巴黎氣候變化大會通過的《巴黎協定》明確指出，要將全球溫升控制在不超過2℃甚至1.5℃。作為負責任的發展中大國，2020年9月，習近平總書記在聯合國大會一般性辯論上提出了中國“3060”碳達峰碳中和目標。我國作為全球最大的碳排放國，碳減排壓力巨大，雙碳目標將成為煤基能源應對氣候變化、構建新發展格局的重要抓手。
根據國際能源署（IEA）2020年發布的能源技術展望報告，可持續發展情景下，到2070年二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）仍將是主要碳減排路徑之一，全球累計減排貢獻15%。我國能源消費以煤為主，CCUS將是未來大幅減少煤基能源CO?排放和保障能源安全的重要戰略技術選擇。然而，煤電和煤化工行業低碳發展在當前面臨著高能耗、高成本等缺陷，以及成本下降明顯、技術發展多元等優勢，CCUS技術發展的機遇和挑戰并存。因此，亟需發展低成本、低能耗的大規模煤基能源CCUS技術和示范，本文中重點對國內外CCUS全鏈條技術研究現狀和典型工程案例進行了總結分析。
一CCUS技術研究現狀
1.1 CO?捕集
1.1.1 燃燒前捕集
在碳基燃料燃燒前將其化學能從碳元素中轉移出來，利用煤氣化等方式將燃料轉化為合成氣（CO+H?），然后通過水煤氣變換反應將CO轉化為 CO?和H?，再通過吸收、吸附等工藝將CO?分離出來，從而得到相對純凈的富氫燃料氣。燃燒前捕集需要以整體煤氣化聯合循環（IGCC）技術為基礎，待分離混合氣體的體積較小、壓力較高且CO?濃度較高（干基可達 30%以上），美國、歐洲、中國在IGCC發電技術示范上已取得重大進展，并開展了大量CO?捕集研究。2016年，華能集團依托250MW級IGCC示范工程，建成世界最大規模的10萬t級燃燒前CO?捕集裝置，單位能耗達到2.2GJ/t，CO?回收率超過90%。
1.1.2 燃燒中捕集
富氧燃燒是指用純氧/富氧與部分燃燒后煙氣混合，代替空氣作為化石燃料燃燒的氧化劑，在燃燒前利用空氣分離系統去除大量氮，燃燒產物主要成分為CO?和水蒸汽，經冷凝脫水后產生純度較高的CO（2 85%以上），可不用進行分離處理，直接經過壓縮液化后用于運輸和儲存。目前，國內外學者針對常壓/加壓富氧燃燒的燃燒特性、傳熱特性、污染排放控制機理，以及關鍵設備、系統集成等方面開展了大量研究。常壓富氧燃燒方面，2008年，瑞典瀑布電力公司在德國黑泵建成世界首個30MWth等級煤粉富氧燃燒工業示范裝置；2006年以來，華中科技大學聯合國家能源集團等單位實施了中國富氧燃燒“0.3MWth-3MWth-35MWth-200MWe”技術路線，2015年建成的湖北應城35MWth煤粉富氧燃燒示范裝置為全球第四套、國內首套且規模最大。加壓富氧燃燒方面，意大利國家電力公司和美國氣體技術公司分別建成首個MW 級（5MW水煤漿）加壓煤粉富氧燃燒和首個MW級加壓CFB富氧燃燒中試平臺，東南大學和中國科學院工程熱物理研究所分別建成0.1MWth加壓CFB富氧燃燒和MW級加CFB富氧燃燒/氣化中試平臺。
1.1.3 燃燒后捕集
在眾多碳捕集技術路線中，燃燒后分離CO?對煤基能源系統現有運行方式影響最小，通常對尾部煙氣進行處理，CO?捕集、回收、純化等單元相對獨立。目前，燃燒后CO?捕集主要有吸收法、吸附法、膜分離法等，其中吸收法是分離脫除煙氣CO?中技術最成熟、應用最廣泛的方法。
吸收法主要分為物理吸收和化學吸收，通過加熱或減壓等方式實現CO?的解吸提純。物理法以低溫甲醇洗為代表，適用于分離煤化工原料氣中高分壓CO?；化學法是當前唯一實現了大規模商業應用的一種，適用于煤電、鋼鐵、水泥等低濃度CO?氣源，國內外學者們致力于開發低能耗化學吸收劑，比較典型的有有機胺溶液[單乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、哌嗪（PZ）、2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）、多元復合胺（如日本三菱重工KS系列、中石化南化院MA系列）等]、兩相吸收劑[如法國石油研究院的DMXTM溶劑、浙江大學的二乙氨基乙醇（DEEA）型或環丁砜型、肌氨酸鉀鹽]、少水或無水吸收劑（如AMP/AEEA/NMP無水溶液、多種胺與多種有機溶劑混合溶液）、離子液體（如咪唑基物理離子液體、功能化離子液體）等，具有吸收效率高、反應速率快等優點，但再生能耗高、污染物排放、吸收劑氧化降解和腐蝕性等問題不容忽視。
吸附法通過范德華力或化學鍵將CO?捕集到吸附劑表面，通常分為物理吸附和化學吸附，分別以變壓吸附（PSA）和變溫吸附（TSA）為代表工藝。根據工作溫區的差異還可分為低溫吸附劑（<200℃，如固體胺、碳基、沸石類、金屬有機骨架等吸附劑）、中溫吸附劑（200~400℃，如類水滑石基和MgO基吸附劑）、高溫吸附劑（>400℃，如CaO基、硅酸鹽基、鋰基吸附劑），與吸收法相比，吸附法具有工藝流程簡單、理論能耗低、污染和腐蝕風險小等優點，但吸附容量小、選擇性較低、對水分敏感、存在動力學限制、成型造粒及規?；苽潆y等問題限制了其工業化應用。
膜分離法根據CO?和其他氣體在膜內滲透性和選擇性上的差異，在壓力差驅動作用下實現分離，當前研究主要聚焦開發膜材料（聚合物膜、無機膜、復合膜等）和膜分離工藝（原料側壓縮、滲透側抽真空等），比較具有代表性的有美國MTR公司的 PolarisTM膜、德國HZG研究中心的PolyactiveTM膜、天津大學PVAm復合膜，已進行中試規模的測試驗證，但高性能膜材料和組件對低濃度及成分復雜氣源適配性較差、難以規?；苽洌I化推廣進程受到了限制。
1.2 CO?利用與封存
1.2.1 CO?化學利用
CO?的化學利用是突破C-C、C-O鍵的精準調控技術，通過研發高效廉價催化劑、碳酸化礦化配方，將 CO?轉化為高附加值化學物質，實現捕集后CO?的資源化和能源化利用。根據反應過程中C原子價態的變化可分為還原性和非還原性，其中還原性化學采用加氫還原、電催化還原等方式制備甲醇、合成氣、甲烷、甲酸、烯烴，中科院上海高等研究院、大連化學物理研究所等單位均已建成千噸級CO?加氫制甲醇中試裝置，催化轉化主要瓶頸在于高性能催化劑單程轉化率低、定向選擇性差，以及示范規模較小、制氫成本較高。非還原性化學利用將CO?分子整體合成到產物中，一方面CO?與環氧化合物反應生成環狀碳酸酯，并可進一步合成碳酸二甲酯、聚碳酸酯等一系列化學品；另一方面，CO?與富含Ca、Mg等堿金屬的工業固廢（如灰渣、鋼渣、磷石膏等）發生礦化反應，形成穩定的碳酸鹽，并產出肥料、混凝土、建筑材料等產品，四川大學、浙江大學已分別建成1.5萬t/aCO?礦化利用脫硫渣和1萬t/aCO?礦化養護混凝土示范裝置，未來仍需進一步提升不同體系礦物的碳化速率，降低強化固碳過程的能耗。
1.2.2 CO?生物利用
CO?的生物利用主要通過微生物、植物的光合作用，將CO?轉化為食品和飼料添加劑、化學品和生物燃料、生物肥料，以及CO?溫室氣肥利用（大棚蔬菜）。其中，微藻轉化利用CO?具有固碳效率高、生物質產品應用范圍廣等優點，目前已實現萬噸級商業化應用的有螺旋藻、小球藻、雨生紅球藻等，將CO?轉化生物燃料、肥料等技術尚處于中試驗證階段，未來仍需著力開發高效低成本固碳優良藻株的大規模培育及高效生物光反應器放大技術。
1.2.3 CO?地質利用與封存
CO?地質利用與封存是指以CO?作為工質，在適宜地質條件下將其注入地下，驅替石油、天然氣或直接封存，主要包括CO?強化驅油（EOR）、驅替煤層氣（ECBM）、強化天然氣開采（EGR）、強化地熱系統（EGS）、陸上和海底咸水層地質封存（SWR）等。目前，CO?-EOR和CO?-SWR技術較為成熟，國內外均有十萬噸級乃至百萬噸級的全流程CO?驅油與封存示范項目，基本達到商業化應用階段。但是，要想實現大規模推廣應用，未來仍需結合CO?源匯匹配進行經濟可行的產業集群規劃，并深入研究CO?規模化注入、場地表征與篩選、安全性監測、風險評價處置等技術及裝備。
二CCUS典型工程案例分析
目前，世界多國正在積極推進規?；?、集群化CCUS工業示范乃至商業化項目的落地實施。根據全球碳捕集與封存研究院（Global CCS Institute）的最新報告，截至2022年9月，全球建設運行、正在開發的商業化CCUS項目已增長到近200個，總的CO?捕集能力可超過2.4億t/a。其中，運行中的CCUS設施主要分布在美國、加拿大、中國、歐洲、澳大利亞等國家和地區。世界上最成功的CCUS-EOR示范項目是加拿大Weyburn項目，首次實現煤氣化廠產生高濃度CO?的大規模捕集、長距離運輸、驅油與封存，自2000年10月開始注入CO?，至今累積封存超過3500萬tCO?。世界上首個燃煤電廠百萬噸/年燃燒后CCUS示范項目于2014年10月在加拿大邊界大壩（Boundary Dam）電廠建成投運，將低濃度CO?進行捕集，絕大部分運輸到Weyburn油田進行驅油與封存。世界上最大的燃煤電廠燃燒后CCUS示范項目于2017年1月在美國佩特拉諾瓦（Petra Nova）電廠建成投運，CO?捕集能力達到140萬t/a，通過管道輸送至西部牧場油田，用于提高原油采收率。
在中國，盡管CCUS技術起步晚于西方發達國家，但在政府的支持下，通過“產學研用”協同攻關，CCUS全鏈條關鍵技術取得較大突破，商業化進程持續加速。截至2022年9月，我國建設運行、正在開發的CCUS示范項目約100個，已投運項目近60個，具備CO?捕集能力超過400萬t/a。其中，針對煤基能源已建成多個十萬噸級以上CCUS示范項目，具備大規模示范的條件，當前國家能源集團、華能集團已啟動百萬噸級規模的煤電和煤化工CCUS全流程示范項目。
2.1 15萬t級煤電燃燒后CCUS示范工程
2016年以來，在國家重點研發計劃和系列企業級科技項目支持下，國家能源集團聯合國內高等院校、科研院所、設計院等相關優勢單位，依托國能錦界公司600MW機組，開展燃煤電廠化學吸收法CO?捕集技術研究和工業示范。項目發明了新型低能耗、低腐蝕性、抗氧化降解的高性能吸收劑，研制了增強型改性塑料填料、低端差貧富液換熱器、汽提式降膜再沸器等新設備，首創了“級間冷卻+分流解吸+機械式蒸汽再壓縮（MVR）閃蒸”等新型高效節能工藝，建成國內最大規模的15萬t/a燃煤電廠燃燒后CO?捕集-利用/封存全流程示范工程。該工程于2019年11月1日正式開工建設，2021年6月25日一次通過168h試運行，實現了低分壓、大流量、復雜燃煤煙氣CO?捕集率>90%、CO?體積分數>99.95%、再生能耗達到2.35GJ/tCO?的重大突破，投資及捕集成本較傳統MEA工藝降低30%以上，性能指標國際領先，CO?全部用于驅油封存和化工利用。
2.2 10萬t級富氧燃燒碳捕集關鍵技術裝備及示范
2006年以來，在國家級和系列企業級科技項目支持下，華中科技大學聯合國家能源集團等單位攻克了煤粉富氧燃燒碳捕集關鍵核心技術與裝備，先后建成 0.3、3、35MWth等一系列高水平的小試、中試裝置和工業示范裝置，并完成200MWe富氧燃燒發電系統全流程方案設計和系統集成優化。2015年1月，在湖北應城建成國內首套且規模最大的35MWth富氧燃燒示范裝置，CO?年捕集能力約10萬t，具有干煙氣和濕煙氣循環能力，成功實現了煤粉燃燒“空氣-富氧”和“富氧-空氣”的切換運行，煙氣CO?體積分數達到了82.7%的國際最高值，并于2021年7月成功通過168h連續穩定運行。
2.3 萬噸級CO?礦化利用固廢關鍵技術及示范
在國家重點研發計劃項目支持下，浙江大學等單位開發了基于工業固廢的CO?礦化封存協同養護混凝土技術，形成了以鋼渣、粉煤灰、爐底渣、電石渣、水泥為主料的多元復合輕質實心混凝土配方。2020年8月，在河南強耐新材股份有限公司建成全球首個萬噸級CO?礦化養護混凝土示范工程，以化工廠高濃度CO?排放廢氣和鋼渣、粉煤灰等工業固廢為原料，每年生產1億塊MU15標準的輕質實心混凝土磚。
目前，國家能源集團正聯合浙江大學以燃煤電廠捕集到的CO?氣體，以及發電過程中產生的粉煤灰、脫硫石膏、爐渣等固廢為原料，開展萬噸級以上CO?礦化煤基固廢制混凝土協同廢水治理技術研究與工業示范，產品砌塊固碳率>5%，CO?吸收轉化率>90%，CO?礦化凈封存率>80%，強度達到 MU15 國家標準，實現煤電CO?、固廢和廢水協同消納。
2.4 10萬t級煤化工CO?捕集與咸水層地質封存示范工程
2009年以來，在國家級和系列企業級科技項目支持下，國家能源集團聯合國內多家優勢單位，依托鄂爾多斯煤制油公司煤直接液化廠，全球首次建成10萬 t/a煤制油高濃度CO?捕集與低孔低滲陸相咸水層封存全流程示范工程，首創了CO?一步壓縮吸附冷凍精餾捕集工藝和陸相超低滲儲層規?；瘜嵤〤CS關鍵技術，建立了多位一體、相互印證的CCS監測與評價體系，并研發了保證CCS地下工程安全的配套技術。該工程2011年5月起連續生產、注入、監測，并于2015年4月完成既定注入任務，將CO?通過捕集、壓縮、注入、封存到地下1500~2500m之間的咸水層，累計注入封存CO?超過30萬t。
三結論
（1）在CCUS的整體技術鏈條中，CO?捕集處于上游，主要有燃燒前捕集、富氧燃燒、燃燒后捕集等技術，其中燃燒后化學吸收法可用于絕大部分煤基能源應用場景，需要重點突破新型吸收劑成本、能耗、降解、腐蝕等瓶頸問題；CO?利用與封存技術處于下游，通過能源、化工等行業深度耦合，可實現化學利用、生物利用、地質利用與封存，需要重點突破CO?定向轉化的高效催化體系和過程強化工藝、礦化固碳過程碳化效率和經濟性提升、CCUS產業集群規劃等瓶頸問題。
（2）全球范圍內CCUS工業示范項目數量逐年增多、規模逐步擴大，發展勢頭良好，國外已建成百萬噸級規模的煤基能源CCUS示范項目；我國已投運煤基能源CCUS項目捕集規模雖以10萬噸級為主，但正在規劃百萬噸級煤電和煤化工CCUS全流程示范工程，有望加快推動CCUS項目的商業化運營和產業化推廣。
（3）CCUS技術有助于實現傳統煤基能源行業低碳化轉型和可持續發展的雙贏目標，未來應充分考慮新型能源體系中煤基能源與可再生能源的深度耦合，探索典型能源基地CCUS產業集群“電化耦合、協同脫碳”新模式，持續提升CCUS整體鏈條的經濟性。
文章來源：顧永正．煤基能源碳捕集利用與封存技術研究進展[J/OL]．現代化工.https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2172.TQ.20230724.1039.032.html
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