千億市場！碳捕捉與封存助力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和

前面我們提到國家的“雙碳”目標(biāo) －－ 2030年碳達(dá)峰，2060年實現(xiàn)碳中和。對比發(fā)達(dá)國家，我國在碳中和的道路上挑戰(zhàn)將會更大。中國作為最大的發(fā)展中國家如何在保證自己經(jīng)濟(jì)增長邁向發(fā)達(dá)國家的同時穩(wěn)步推進(jìn)碳中和的目標(biāo)呢？其中除去之前提到的碳交易市場之外，還有另外一個技術(shù)實現(xiàn)至關(guān)重要。也就是我們今天要了解的碳捕捉、碳利用與碳封存，即CCUS（Carbon Capture， Utilisation and Storage）。

什么是CCUS

碳捕捉與封存（CCS）是一種減排技術(shù)工藝，將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的排放物中分離出來，旨在防止大量二氧化碳排放到大氣中。該技術(shù)涉及捕捉二氧化碳，將其壓縮純化以便運輸，后將其注入精心挑選的地點巖層或深海中，已達(dá)到永久封存的目的。另外加上碳利用，二氧化碳的利用形式也更加豐富，如提高產(chǎn)品完整性的添加劑等，即CCUS。

CCUS相關(guān)方案

目前整體CCUS系統(tǒng)中涉及到捕獲、運輸、地質(zhì)封存、海洋封存、礦石碳化和二氧化碳的工業(yè)利用。

CCUS技術(shù)類型

二氧化碳捕獲

其中捕獲環(huán)節(jié)主要為將化工、電力、鋼鐵、水泥等行業(yè)利用化石能源過程中產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行分離和富集的過程，主要分為燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集。

二氧化碳捕獲流程和系統(tǒng)概況

燃燒后系統(tǒng)從一次燃料在空氣中燃燒所產(chǎn)生的煙道氣體中分離CO2。這些系統(tǒng)通常使用液態(tài)溶劑從主要成分為氮（來自空氣）的煙氣中捕獲少量的CO2成分（一般占體積的3－15％）。

燃燒前系統(tǒng)在一個有蒸汽和空氣或氧的反應(yīng)器中處理一次燃料，產(chǎn)生主要成分為一氧化碳和氫的混合氣體（“合成”氣體）。在第二個反應(yīng)器內(nèi)（“變換反應(yīng)器”）通過一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)生成其余的氫和CO2?？蓮淖詈螽a(chǎn)生的由氫和CO2組成的混合氣體分離出一個CO2氣流和一個氫流。與燃燒后系統(tǒng)相比成本較高，但由變換反應(yīng)器產(chǎn)生的高濃度CO2（在烘干條件下一般占體積的15—60％），以及在這些應(yīng)用中采用的高壓則更有利于CO2的分離。

氧化燃料系統(tǒng)用氧代替空氣作為一次燃燒進(jìn)行燃料，產(chǎn)生以水汽和CO2為主的煙道氣體。這種方法產(chǎn)生的煙道氣體具有很高的CO2濃度（占體積的80％以上）。

二氧化碳的運輸

除非工廠直接位于地址封存點附近，否則必須將捕獲的二氧化碳從捕獲地點運輸至封存地點。目前管道是一種成熟的市場技術(shù)也是最常用的方法。也可以將液態(tài)二氧化碳裝在船舶、公路或鐵路罐車中運輸，通常會被裝在絕緣罐中。

根據(jù)《中國碳捕集與封存示范和推廣路線圖研究》提到中國二氧化碳排放源和封存地的優(yōu)先地點顯示，現(xiàn)有的和規(guī)劃中的煤化工廠和發(fā)電廠均位于重點封存地周邊200公里范圍以內(nèi)。只有氧燃料燃燒200兆瓦CCUS示范項目在靜安油田及安塞油田和廣東省電子資源－中國海洋石油總公司項目的二氧化碳運輸距離超過200公里。

中國二氧化碳排放源和封存地優(yōu)先地點

地質(zhì)封存

目前可以用于二氧化碳的地質(zhì)封存有：石油和天然氣儲層、深鹽沼池構(gòu)造和不可開采的煤層。在每種方案中，都是將二氧化碳壓縮液注入地下巖石構(gòu)造中。含流體或曾經(jīng)含流體的多空巖石構(gòu)造都是潛在的封存地點的選擇對象。在沿岸和沿海的沉積盆地中存在合適的封存構(gòu)造。假設(shè)煤床有充分的滲透性且這些煤炭以后不可能開采，那么也可以用于封存。

地質(zhì)封存方案

海洋封存

一個潛在的封存方案是將捕獲的二氧化碳直接注入深海（深度在1000米以上），大部分二氧化碳在這里與大氣隔離若干世紀(jì)。該方案的實施辦法是：通過管道或船舶將CO2運輸?shù)胶Ｑ蠓獯娴攸c，從那里再把CO2注入海洋的水柱體或海底。被溶解和消散的CO2隨后會成為全球碳循環(huán)的一部分。

海洋占地表的70％以上，海洋的平均深度為3，800米。由于CO2可在水中溶解，所以大氣與水體在海洋表面不斷進(jìn)行CO2的自然交換，直到達(dá)到平衡為止。

海洋封存的方法

礦石碳化和工業(yè)利用

礦石碳化主要是利用化學(xué)反應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)為為固體無機碳酸鹽。工業(yè)上對二氧化碳的利用是直接或者以生產(chǎn)各種含碳化學(xué)物填料形式加以利用。

礦石碳化是指利用堿性和堿土氧化物，如氧化鎂（（MgO）和氧化鈣（CaO）將CO2固化，這些物質(zhì)目前都存在于天然形成的硅酸鹽巖中，例如蛇紋巖和橄欖石。這些物質(zhì)與CO2化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生諸如碳酸鎂（MgCO3）和碳酸鈣（CaCO3，通常稱作石灰石）這類化合物。

一般來說碳石礦化的過程是自然發(fā)生的，在自然界，這個過程非常緩慢。因此，封存已捕獲的各種二氧化碳的進(jìn)程必須大大加快，使之成為一種方法。

礦石碳化

工業(yè)利用是工業(yè)上對CO2的利用包括CO2作為反應(yīng)物的生化過程，例如，那些在尿素和甲醇生產(chǎn)中利用CO2的生化過程，以及各種直接利用CO2的技術(shù)應(yīng)用，比如在園藝、冷藏冷凍、食品包裝、焊接、飲料和滅火材料的應(yīng)用。但此種利用量總體較少，對減緩氣候變化的貢獻(xiàn)不大。

中國踐行CCUS的項目

目前中國在二氧化碳捕集領(lǐng)域的示范項目主要分布在華東、華北地區(qū)。項目涵蓋了上文提到的燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集。

目前主要在煤化工行業(yè)開展。其次為火電行業(yè)、天然氣廠以及甲醇、水泥、化肥等工廠。

中國捕集項目分布

在地質(zhì)封存領(lǐng)域，主要以提高石油采收率為主，目前圍繞幾個油氣盆地開展，包括東北松遼盆地、華北渤海灣盆地、西北鄂爾多斯盆地及準(zhǔn)格爾盆地。

二氧化碳提高石油采收率項目在國內(nèi)的三大石油公司中石油、中石化以及延長石油的油田開展。如吉林油田注氣產(chǎn)油比大概為4．67：1，即注入4．67噸二氧化碳能夠產(chǎn)出1噸油。

地址封存和利用工程分布

二氧化碳驅(qū)替煤層氣利用目前處于先導(dǎo)試驗階段，于2004年起在沁水－臨汾盆地的柳林和柿莊開展研究。

二氧化碳驅(qū)替煤層氣先導(dǎo)示范

上文提到各種碳捕捉、利用及封存的方案依然面臨著諸多挑戰(zhàn)，如知識上的不足、封存地點的評估、封存能力和效果的評估、海洋封存的影響、法律法規(guī)問題等都需要在不斷的理論聯(lián)合實際的檢驗中積累經(jīng)驗。

好了，本期文章就到這里了，我們下篇文章再見。如果你喜歡公眾號的內(nèi)容，請關(guān)注“非正式科普”公眾號并給我點贊轉(zhuǎn)發(fā)和看一看哦！您的支持是我?guī)砀鄡?yōu)質(zhì)的干貨內(nèi)容的動力哦～

參考資料：

二氧化碳捕獲和封存決策者摘要和技術(shù)摘要

中國二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）報告

中國碳捕集與封存示范和推廣路線圖研究

我國碳捕集、利用和封存的現(xiàn)狀評估和發(fā)展建議

全球碳捕集與封存現(xiàn)狀2020