魏宁：为CO2减排深情躬耕

本刊记者 石艳美

魏宁：为CO2减排深情躬耕

本刊记者 石艳美

神华现场

记忆里，冬天的模样该是“千里冰封，万里雪飘”，亦或是“终南阴岭秀，积雪浮云端”。“过雨荷花满园香，沈李浮瓜冰雪凉”“散发乘夕凉，开轩卧闲散”这应是夏天最美的姿态。还有春光的“暖日晴风”，秋日的“寒山转翠，夜凉如水”。地球温室效应，不仅模糊了人们对春、夏、秋、冬的最初界定，而且还导致了极端气候增加、全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等问题，这不仅破坏自然生态系统的平衡，还威胁人类的生存。温室气体的排放是全球变暖的罪魁祸首，而CO2是温室气体家族的第一“当家人”，按照全球升温的“贡献”百分比计算，C O2对温室效应增强的“贡献”约为70%。

“地球温暖化问题已是全球的热点问题，CO2是促成地球温暖化的主要因素。为了缓解地球温室效应，必须将大气温室气体浓度稳定在一个安全的水平上，减少CO2排放。”

每一个行业，总有一个先行者走在前方。在CO2地质利用与封存（CGUS）领域（隶属于CO2捕集与地质封存技术体系，即CCS技术），中国科学院武汉岩土力学研究所魏宁研究员在为中国的CGUS技术执着探索，孜孜不倦。

学以致用，吐纳自深

近50多年来，地球温室效应问题引起了全球的密切关注，1992年通过的《气候变动框架条约》《联合国气候变化框架公约》，2005年生效的《京都议定书》，2016年正式生效的《巴黎协定》等，全球都在为守护家园，减少温室气体的排放做各种努力。CCS技术是一种新型岩土工程，利用技术手段将CO2捕集、运输，最后永久封存于适宜的地质体内，使其与大气长期隔离。其主要目的在于降低碳排放，减缓气候变化。CCS技术具有规模大、成本较低、技术成熟度较高、与化石能源结构相容性好等特点，被认为可能具有较高减排贡献度，能够降低综合减排成本和减缓能源结构转变带来的经济冲击，因此一直是西方发达国家的深入研究对象。我国作为世界上最大的化石能源（主要为煤炭）生产和消费国，并且化石能源为主的能源结构将长期存在，CO2减排形势异常严峻，发展大规模的CCS技术在国内呼声越来越高。

武汉被称为中国三大火炉城市之一，生在武汉，学在武汉，工作还在武汉。作为地道的武汉人，魏宁或许更能感受到来自武汉夏天与日俱增的炎热。谈起选择CO2减排工作的缘由，魏宁说：“温室效应，这是我小时候读科技书时就接触到的事实。后来接触到美国副总统戈尔的‘不可忽视的真相（An Inconvenient Truth）’，更加深了对CO2温室效应的理解，一直关注CO2等温室气体处置问题。毕业后便毫不犹豫地加入了CCS的研究队伍。”从CCS技术到CCUS技术（碳利用与封存），在CO2减排这块阵地上魏宁坚守到底。

2006年，魏宁从武汉大学岩土工程博士毕业后，进入中国科学院武汉岩土力学研究所工作并加入CO2地质封存研究组。在这里，魏宁从事CO2在岩土介质中渗流规律、新型CGUS技术与宏观层面的研究，从孔隙尺度和岩心尺度上探索和回答CO2在多孔介质（岩土体）内流动与反应过程与规律的问题，从技术层面提升现有CGUS技术的安全性与经济性，从宏观层面回答CGUS技术的潜力与分布问题，这些研究为探索和发展CCS技术奠定了坚实基础。

2009年，魏宁探讨了我国CCS技术路线的发展。“CO2的减排任务非常艰巨，没有任何单一的技术方案能够全面满足这一要求而是需要各种减排技术的组合。CCS技术可以使这一目标的实现变得更为容易。”

魏宁说，CCS技术在发达国家已有数十年的研究历史。从一般概念、基本理论到实施系统，各主要环节都进行了广泛深入的研究。当时，我国在这方面的研究工作刚刚起步。CO2地质封存过程主要包括3个要素，从电厂、钢铁、煤化工等工业过程排放的CO2捕集与压缩，并输运至适宜的场地开展封存。其中的很多技术在现有工业以及石油天然气、采矿等行业中已经存在。因此，魏宁对这些技术现状进行调查并摸清情况，是开展CCS技术研究工作至关重要的一步。通过调查与分析，魏宁发现排放源方面，燃煤电厂、钢铁、水泥行业是主要的CO2排放源，也是CO2减排的主要对象，而煤化工、制氢、合成氨等企业具有部分高浓度甚至纯CO2排放，将是低捕集成本CO2源。从封存潜力方面看，CO2增采原油具有良好的经济效益，咸水层的封存潜力占到90%以上，是未来规模化减排的主要封存场所。因此，从煤化工等高浓度CO2排放源与油田封存结合的早期机遇到燃煤电厂结合CO2咸水层封存的深度减排（每年10亿吨CO2量级减排规模）将是中国CCS技术和产业发展之路。

在CCS技术上深厚的理论知识与丰富的实践经验，使魏宁在2010年作为主要技术支撑专家之一，协助了中国首个10万吨/年规模的神华CCS全流程项目。“该项目通过整合不同领域的专家、打通了整个煤化工（高浓度CO2部分）排放开展C O2捕集、运输与地质封存的全链条技术体系，并形成了一系列技术突破，例如：陆相低渗地层内安全高效注入技术、场地筛选技术、C O2封存过程的模拟技术、安全监测与预警技术等。并形成了一系

列的小技术突破与积累，真正做到了技术储备。”

在CO2地质封存之前需要挑选合适的封存场地，而在封存过程中和完成后，还需要长期的监测与评估工作，保障封存CO2的安全。为此，魏宁建立了中国第一个针对CO2地质封存的GIS数据库。数据库针对CO2地质利用与封存，整合了原有的地理信息数据，包含地质、社会等数据，并补充了部分地质数据。并在数据基础上形成了多尺度多精度的场地适宜性分析方法（依据数据质量开展定性到定量不同程度的评估），对场地进行适宜性评价与筛选，该方法在我国大部分碳封存项目中得到了具体应用，评价结果被国际能源署（IEA）、亚洲开发银行（ADB）等机构采用和引用。

C C S技术具有巨大的C O2减排潜力，但捕集成本高是C C S技术的关键障碍之一。如何降低成本费用，让企业普遍用得起？是否可以通过降低捕集（CO2中含有一定的杂质，如：N2和O2）要求降低综合成本？为此，魏宁设计并完成了通辽200吨规模的含杂质CO2咸水层封存先导试验。通过先导试验研究含杂质的CO2封存过程及其可能的影响。通过先导试验研究，魏宁得出对含少量杂质（如：N2和O2）的CO2进行咸水层封存在先导尺度上是可行的。另外杂质对于封存过程有显著影响，杂质O2、N2与CO2导致气液中化学成分的分带化（色谱现象)与储层内重金属的迁移现象。在准备先导试验过程中，魏宁根据中国特殊陆相地层的特点，开发了一套CO2注入及基于钻孔的取样监测的装置，为未来开展CCS的示范奠定了技术基础。

2011年在美国国家能源技术实验室合影

成功没有偶然，通过正确的做事态度，把未来很多看似偶然的事情变成必然，才是成功的唯一途径。魏宁说：“任何一项新技术的推广都是一场全面的战争，唯有不懈创新与细节完善才可能取得胜利。”CCS技术的经济性是其大规模应用的障碍，因此，魏宁把目光投向CO2捕集、地质利用与封存技术。

脚踏寸土，放眼世界

CCUS技术是CCS技术新的发展趋势，就是要把C O2从集中排放源（火电、钢铁、水泥、石油化工等）压缩并输送到适宜的深部地层内，并利用CO2与含有资源的复杂理化作用，增采地下资源的同时封存CO2，从而实现资源开采与CO2大规模减排。相对于节能增效与低碳能源，CCUS技术可在大幅度改变现有化石能源为主的能源结构条件下，缓解面临的资源开采与环境保护的双重困境。与CCS技术相比，CCUS技术可以将CO2资源化，能产生资源收益和经济效益，更具有现实操作性。

在2017中联煤试验现场

“CCUS技术是一个全方位的技术体系，CCUS面临的挑战非常多，最主要的是关于成本和安全的问题，要能成功改进和推广这项环境技术，需要解决一系列的问题。”

带着一股初生牛犊不怕虎的劲儿，魏宁一头扎进困难重重的CCUS技术领域。为解决面临的系列问题，魏宁时常问自己：中国的CO2在哪儿能安全的封存？能封存多少CO2？能够增采多少资源？以什么成本封存和利用？哪个行业开展CCUS技术更为有利？带着这些思考，魏宁披荆斩棘，拨开云雾，在国内首次形成CO2地质封存的预可研框架。该方法体系是一个多尺度集成的计算模型与方法，可进行国家与行业尺度的初步分析，也可以进行工程尺度的分析，具体包含：具体的工程可行性（技术经济与风险）和在行业范围内开展CCUS技术的能力。

你给世界一个什么样的姿态，世界还你一个怎样的人生。魏宁挥洒的汗水换来的是完成的众多CCUS相关的课题，包括科技部国际合作专项、国家支撑项目、863项目子课题、能源基金，还有亚洲开发银行、神华、中海油等企业资助课题30余项。

魏宁说，在这里面最具代表性的可能要属于国际合作。通过与世界上顶级的科学家合作，一起解决关键技术问题，例如亚岩心尺度上X-CT表征技术与数值模拟方法。通过多尺度X-CT表征与基于X-CT的CO2驱替试验，魏宁采用数值模拟手段研究亚岩心非均质结构对CO2流动的影响，在COMSOL基础上开发了高精度模拟模块。通过试验和数值对照研究表明：非均质对CO2的流动过程影响非常显著，中国陆相的刘家沟砂岩与美国海相Berea等砂岩的性质显著不同，这为在陆相沉积盆地内开展CO2注入提供了参考。这些研究成果被NETL（美国国家能源技术实验室）的科学家放在NETL的展板上，并对魏宁他们的研究能力表示惊叹。

2013年，魏宁对孔隙尺度的CO2驱替咸水过程进行研究，改进了美国西北太平洋国家实验室（PNNL）内的微观模型试验平台，大幅度提高了试验的流速控制范围和精度（超低流量范围），并在该设备上首次开展孔隙尺度的超临界CO2驱替咸水试验。在世界上首次通过可视化微观模型和超低流速控制技术研究了超临界CO2驱替咸水的过程，发现了“过渡”“干化”与“波动”等新现象。这一研究为新CCUS技术发展奠定了基础。

立功立言，不负初心

魏宁说，从CCS技术到CCUS技术的研究更需要回答CGUS技术大面上的问题。主要是让更多的人正确认识CGUS的优势与劣势，提高CGUS技术的经济可行性，从而推动C O2减排事业。目前，按照资源储层分类，CGUS技术主要有：CO2增采原油及封存、CO2增采地下咸水层及封存、CO2驱替煤层气及封存、CO2增采天然气及封存、CO2增采铀矿和CO2增采其它地下资源。

“这种前沿性的技术深受国际政治、经济与社会环境的影响。做这种前沿性的科学与技术需要坚定的信念与执着追逐的精神，还需要敢于大胆冒险的勇气。要形成一个庞大的CO2减排行业，更需要大家坚持不懈的努力，共同解决发展过程中的所有问题。”魏宁说，CGUS技术，从现在的研发与示范到未来大规模应用，需要一段比较长的时间。守清贫，坐冷板凳，坚持初心，这是魏宁形容自己的3个标签。就是这3个标签激励他在CGUS技术领域一步一步前行，不断探索。

人字有两笔，有人说，一笔写执着，一笔写放下。在魏宁看来不然，他说，人字一笔写执着，另一笔写的是坚持。他说：“在CGUS基础研究与技术研发方面，虽然研究小组填补了国内空白，一些领域形成特色并做到了世界顶尖水平，但在技术创新和产业应用方面还需要加强。我会在这方面继续出力。”