李阳 | 二氧化碳捕集利用与封存技术现状与展望

教授观点·2023.01.04·阅读 8 分钟

清华大学碳中和研究院 Institute for Carbon Neutrality, ICON

碳捕集、利用与封存（Carbon capture, Utilization and Storage, CCUS）是将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，并直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排，是应对气候变化、实现碳中和的关键技术。随着我国“双碳”目标的提出及碳减排工作的推进，CCUS技术研发和部署受到高度重视，处于快速发展阶段，未来有望形成具有技术经济性的新兴产业。

二氧化碳捕集利用与封存技术进展

碳捕集技术

我国已形成不同浓度排放源的捕集技术，其中化学吸收法技术成熟，捕集成本不断下降，在煤电、石化等行业开展了示范应用。

（1）燃煤电厂烟气低浓度捕集技术：燃煤电厂是我国主要的碳排放源，浓度低（14%），CO2捕集难度大。中国石化胜利油田燃煤电厂采用新型MSA复合吸收剂（以乙醇胺（MEA）法为主，辅助活性胺、缓蚀剂、抗氧化剂等成分）和工程工艺技术创新（“碱洗+微旋流”烟气预处理技术，“间冷却+吸收式热泵+MVR热泵”节能工艺），有效提高CO2吸收能力，降低捕集能耗。

（2）炼化厂尾气CO2捕集技术：已在中国石化中原炼化厂完成工程化应用（CO2排放浓度14.11%）。

（3）高碳天然气捕集技术：中国石化松南气田长岭气田营城组CO2含量为21-32%，经该技术脱碳后天然气可清洁使用。

驱油利用与封存技术

CO2驱油利用与封存是目前最为经济可行的大规模碳利用和埋存方式，技术成熟，经过多年的理论研究和示范工程，形成了完善的驱油封存全流程技术体系，主要包括油藏筛选评价技术、数值模拟及实时跟踪调整评价技术、化学辅助驱技术、注采工艺技术、防腐技术和产出气回收利用技术。

该技术在低渗透油藏和高含水油藏已有较大规模的应用，通过高压注入提高混相程度，扩大波及系数，有效提高了油藏动用率，大幅度提高了采收率。如草舍低渗透油藏采用连续注气混相驱方法，2005年投注已提高采收率8.89%，预计最终提高采收率17.2%。

资源化利用技术

目前我国主要从三个方面开展了CO2资源化利用研究：

（1）能源载体化利用，将CO2作为能源载体（物理/化学）。

（2）碳耦合转化利用，主要包括碳资源化转化和可再生能源耦合转化利用。利用风力、水力、太阳能等可再生能源，将CO2通过化学反应转化为化学化工产品（CO、H2、甲醇、乙醇、乙烯等）。其中，可再生合成燃料可广泛应用于能源、工业领域的化石燃料替代。

（3）多联产碳利用物质转化，构建完备的低碳/零碳产业链。

二氧化碳捕集利用与封存技术工程案例

百万吨级捕集-输送-驱油-封存全流程工程

齐鲁石化-胜利油田CCUS项目：建立了一体化的动态调控、安全评价及监测系统，采集的数据可以实时进入配套的评价预警系统，实时监测可能发生的泄露等情况。目前已取得较好的效果，预计15年提高采收率11.6%。该工程是我国规模最大的CCUS全流程项目，也是石化零碳产业链构建示范项目，标志着我国CCUS技术和工程示范进入一个新的阶段。

陆相页岩油CO2压裂开发工程

为破解陆相页岩油破裂压力高、地层能量不足、流动性不足等开发难题，研发CO2前置压裂技术（前置CO2+酸蚀降破+大液量渗吸置换+多级缝网全支撑），以助推陆相页岩油高效开发。该技术可提高压裂效果，补充地层能量，提高单井可采储量（EUR），已在吉木萨尔、胜利济阳页岩油全面应用。其中济阳页岩油正在建设百万吨级国家示范项目。

CO2利用技术示范工程

中国石化完成CO2加氢合成甲醇中试装置，与煤化工耦合后，CO2排放量大幅降低，能效和甲醇产量均有所增加。此外，中石化在四川普光天然气净化厂建设CO2矿化磷石膏中试装置，利用磷石膏与普光气田生产尾气中的CO2进行碳酸化反应，得到硫酸和碳酸钙，实现磷石膏中钙、硫资源的高值化回收利用，并固存二氧化碳。

二氧化碳捕集利用与封存技术展望

目前，CCUS技术和工业应用已具备了可行性，未来可考虑在以下三个方面进行重点突破：

CCUS贡献评价及发展策略研究

研究团队从消费侧入手，分析碳排放特征，综合考虑国家能源和产业发展战略，建立了能源、产业及CCUS之间的交互关系模型，构建CCUS固碳的计算方法，以评价CCUS在碳中和的贡献（图1）。

要加强CCUS与能源安全、碳减排耦合协同发展的战略研究，指导CCUS技术和产业的发展。当前我国处于能源消费以煤为主的高碳排放阶段，随着能源转型工作的稳步推进，预计2035年我国将形成煤、油气、新能源三分天下的能源体系，2050年新能源成为能源消费的主体。作为能源转型和碳减排的战略支撑技术，CCUS技术应加大发展力度，2030年驱油利用封存技术将进入规模化应用阶段，2040年CO2地质封存和综合利用将实现大规模应用。

图1. CCUS贡献分析模型

加强CCUS全创新链的理论、技术研究

2010年，我国在二氧化碳捕获与封存（CCS）的基础上提出了CCUS。与CCS相比，CCUS不但可以将CO2资源化，产生经济效益，还可以采用组合技术来保障“双碳”目标的实现。发展至今，CCUS形成了较为完善的技术体系，主要包括CO2捕集技术（低成本低能耗捕集技术、生物质能碳捕集与封存技术、空气捕集技术）、管道输送技术和利用与封存技术（碳的能源和物质转化技术体系、生物固碳利用技术体系、驱油封存及咸水层封存技术体系）三部分。

CCUS是一个较新的理论、技术体系，特别是CO2的高效利用需要新的理论和技术的支撑，且存在着成本高、产业链复杂等问题。未来应针对CCUS全产业链的重大科学与技术问题，开展基础理论研究，研发关键核心技术（低能耗、低成本捕集技术等），促进CCUS产业发展。

在捕集技术方面，我们正在研究新一代的低浓度CO2的化学吸收法捕集技术，期望把能耗降到2.0GJ/TCO2。

加快建立产业体系

产业体系建设方面，建设区域化产业化的全流程示范工程是未来的发展趋势。以含油气盆地为中心，充分发挥其地质和工程优势，建设源汇最优化的驱油和封存产业集群；加强区域CCUS技术和产业的发展，优化能源结构和产业结构，形成电力、煤炭、油气、运输等多个行业的协同发展机制，实现综合减排成本最小化。

目前CCUS技术已经基本成熟，在捕集、利用（驱油、化工、生物利用）和封存各技术环节均取得了显著进展。我国已初步具备CCUS技术规模化应用和产业化发展的基础，随着中国碳交易市场运行以及产业政策和金融生态建设，CCUS将进入快速发展的快车道。未来各企业应加强交流合作，共同推动CCUS产业发展，为碳中和目标实现贡献中国技术和方案。