碳捕捉技术未来可期

■本刊记者王睿佳/ 编辑白宇

在我国碳达峰碳中和目标背景下，落实碳减排技术手段成为各方关注的焦点，碳捕捉相关技术无疑为此带来一种新的思路。

碳捕捉相关技术概念及主要形式

碳捕捉、利用与封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS），简而言之是将工业生产中的二氧化碳用各种手段捕捉然后储存或者利用的技术。

碳捕捉方式

现阶段至少有3 种不同形式的碳捕捉技术，即燃烧前处理、燃烧后处理、富氧燃烧。其中大部分技术已经被证实是可行的。

燃烧前处理。此种方法通常应用于燃煤气化循环式发电厂。燃煤被气化后产生由一氧化碳和氢气组成的合成气体。一氧化碳和水反应后产生二氧化碳，即可被捕集；反应也会产生更多的氢气，氢气可经利用进行发电或作为氢燃料电池填充。

燃烧后处理。顾名思义，就是在工艺的燃烧部分之后进行捕捉。由于一般对二氧化碳的捕捉多用于发电厂，因此往往在电厂燃烧段之后放置吸收分离装置，使用溶剂对二氧化碳进行吸收并压缩，然后进入运输管道。

富氧燃烧。当煤、石油、天然气在空气中燃烧后，二氧化碳占废气组成的3%～15%。在此种情况下，若要分离出二氧化碳是非常困难且耗能的。一种可行的方式是将燃料在纯氧中燃烧。在这样的环境里，燃烧产生的废气成分很单纯，只有二氧化碳和水蒸气。水蒸气可被降温凝结排掉，二氧化碳则直接运输到储存设备。

另外，还有一种生物质能碳捕捉技术。生物质能与碳捕捉技术相结合，将森林与庄稼转化为能源燃料并从大气中消除二氧化碳排放，可以实现大规模的二氧化碳减排。其中，由于藻类的数量每隔几小时就能翻倍，对阳光的利用比植物更有效，这一特性长久以来就吸引着世界各地的科学家，因此微藻碳捕捉技术应运而生。

碳利用方式

目前，二氧化碳的资源化利用方式主要有化工利用、生物利用和矿化利用。

二氧化碳的化工利用是指以二氧化碳为原料，与其他物质发生化学转化，产出附加值较高的化工产品，这是真正消耗二氧化碳的过程。在传统化学工业中，二氧化碳大量用于生产纯碱、小苏打、白炭黑、硼砂、各种金属碳酸盐等大宗无机化工产品以及能源、燃料以及大分子聚合物等高附加值含碳化学品。2020 年底，世界首套从煤电厂烟气捕集二氧化碳，并转化为碳纳米管的百吨级工业化系统由山西清洁碳研究院在山西大同大唐云冈热电厂建成并运行。

二氧化碳的生物利用是指利用生态系统中植物的光合作用吸收二氧化碳，此法具有固有的有效性和可持续性。由于微藻生长周期短、光合效率高，目前研究主要集中在微藻固碳和二氧化碳气肥的使用。二氧化碳气肥技术是将来自能源和工业生产过程中捕集的二氧化碳调节到一定浓度注入温室，来提升农作物光合作用速率，以提高作物产量。我国拥有世界最大面积的种植大棚，二氧化碳气肥技术应用前景比较可观。

二氧化碳矿化封存技术主要是指模仿自然界二氧化碳矿物吸收过程，利用天然硅酸盐矿石或固体废渣中的碱性氧化物将二氧化碳化学吸收转化成稳定无机碳酸盐的过程。目前已开发出基于氯化物的二氧化碳矿物碳酸化反应技术、湿法矿物碳酸法技术、干法碳酸法技术以及生物碳酸法技术等。我国在钢渣、磷石膏矿化利用技术方面取得了重要进展。

碳捕捉相关技术的应用现状

国际碳捕捉相关技术应用

近年来，全球范围内碳捕捉、利用及封存工业示范项目数目逐步增多、规模逐步扩大，发展势头良好。根据全球碳捕捉与封存研究院（Global CCS Institute）发布的《2020 全球碳捕捉与封存发展现状》，截至2020年底，全球有28个处于运行阶段的大规模碳捕捉、利用及封存项目，其中有14个分布在美国，总装机容量约为4000万吨/年。此外，全球有30 多个大规模碳捕捉相关项目处于在建或开发阶段。

在美国的得克萨斯州，新佩特拉（Petra Nova）项目用来捕捉WA Parish 火电站所产生的二氧化碳，并将收集到的二氧化碳注入附近油田，有效提高油田产量。WA Parish 发电站位于得克萨斯州首府休斯敦西南部，是州内一家大型燃煤发电站。新佩特拉项目使用胺类化学物质从电站尾气中捕集二氧化碳，属燃烧后处理。投产后，设施每年将从发电站尾气中捕集超过140 万吨的二氧化碳。被收集的二氧化碳随后通过132 千米长的管道被送至西农场油田（West Ranch oilfield）用于驱油，可有效提高油田产量。

我国碳捕捉相关技术应用

“我国碳捕捉、封存与利用技术整体处于工业示范阶段。由于我国富煤、贫油、少气的能源结构特点，发展碳捕捉、封存与利用技术意义重大，目前已经在胜利油田等实现规模化应用。通过向油田注入二氧化碳驱油，提高采收效率，降低采油成本，同时实现二氧化碳的地下封存。而当前存在的二氧化碳气源问题，则正好为火电、钢铁、水泥、石化等行业的碳减排提供了出路。”华南理工大学电力经济与电力市场研究所所长陈皓勇如是说。

我国二氧化碳捕集示范项目主要集中在火电、煤化工、天然气处理以及甲醇、水泥、化肥生产等行业。运输环节以罐车运输为主，仅有中国石油吉林油田CCS-EOR 示范项目铺设了20 千米的管道，输送二氧化碳至采油区进行驱油作业。我国罐车运输和内陆船舶运输已经成熟，管道运输正在建立健全相关标准体系和安全控制技术体系。

目前，我国已建成华润电力海丰碳捕集测试平台、山西清洁碳研究院烟气二氧化碳捕集及转化碳纳米管示范、延长石油陕北煤化工5 万吨/年二氧化碳捕集与示范、华能绿色煤电IGCC电厂捕集利用和封存项目等一批二氧化碳捕集、利用项目。2022年1月17日，中国石化对外宣布，我国首个百万吨级CCUS 项目——齐鲁石化-胜利油田CCUS 项目即将建成投产，涵盖碳捕集、利用和封存3 个环节，该项目每年可减排二氧化碳100 万吨，相当于近60 万辆经济型轿车停开一年，预计未来15年可实现增油296.5万吨。

坐落于山东省东营市的港城热力有限公司碳捕捉项目于2020 年1 月16 日成功投入运营，年产二氧化碳8.5 万吨。该项目首批液态二氧化碳成果捕集入罐，纯度达99.9%以上，超过了工业级二氧化碳国家标准，同时产出了纯度达99.9%的氮气产品。该项目在烟气捕集制二氧化碳工程设计能力的基础上，对于不同的项目可以根据用户需求进行改变，不光利用废气生产出了液体二氧化碳，也生产出了合格的氮气，可以说是变废为多宝。

困难阻力接踵而至，产业布局面临挑战

目前，碳捕捉相关技术总体还处于研发和示范的初级阶段，面临着经济、技术、市场等方面的困难和问题，要实现规模化发展还面临很多阻力和挑战。

经济成本相对高昂

碳捕捉相关示范项目的成本相对较高，是阻碍其发展的主要原因。据统计，目前我国碳捕捉相关示范工程投资及运行维护成本都在数亿元的规模，如华润集团海丰超临界燃煤电厂燃烧后捕集示范项目仅投资成本就达到8000多万元。

同时，在现有技术条件下，引入碳捕捉后每吨二氧化碳将额外增加140～600 元的运行成本，如中国华能集团上海石洞口捕集示范项目的发电成本就从大约每千瓦时0.26元提高到0.5元。

技术水平有待提升

厦门大学中国能源政策研究院院长林伯强表示：“在我国，碳捕捉相关技术由于目前投入太少，研究该技术及其应用的人才投入不够，所以导致其规模效应和技术进步一直上不去。”

技术水平是制约碳捕捉相关项目发展的一大障碍。首先，在我国，碳捕捉、利用与封存试验示范还处于起步阶段，缺乏大规模、全流程示范经验，特别是在现有技术条件下，企业应用碳捕捉相关技术将使一次能耗增加10%～20%，效率损失大。

其次，地质利用封存环节的地质勘查存在不确定性的风险，二氧化碳地质封存的信息支持不够，企业无法对地层结构、储存潜力、封存风险和检测方案等问题做全面评估，增加了企业经营风险。

最后，在“双碳”目标背景下，据北京理工大学能源与环境政策研究中心预测,我国需要通过碳捕捉、利用与封存技术完成约175 亿～315 亿吨的累计减排任务。但目前我国碳捕捉相关示范工程捕获二氧化碳能力大多在万吨到十几万吨之间，缺少大规模、可复制的经济效益明显的全流程集成项目示范工程。

市场需求尚不明确

当前，全国碳市场处于起步阶段，没有形成规模化的二氧化碳需求市场，无法从经济上合理衡量该部分减排能力，致使碳捕捉项目商业化发展的基础较弱，许多企业和潜在的投资者对其望而却步。我国碳捕捉相关项目资金主要源于国家科技计划、央企自筹款、国际合作项目资金，金融机构参与较少，呈现出资金来源少、总量小、渠道窄的特征，存在巨大的投资缺口。

除此之外，碳捕捉相关产业链几乎囊括了能源生产和消费的各个环节，如电力、钢铁、水泥、石油、化工等行业，目前碳捕捉全流程示范项目较少，缺乏跨行业、跨部门的合作模式，二氧化碳捕捉项目与利用、封存项目存在对接不畅的问题。

政策体系还未完善

自2006年起，我国陆续发布了20多项涉及碳捕捉、利用与封存的国家政策，确定了碳捕捉相关技术在应对气候变化领域的重要地位，并积极推动碳捕捉相关技术研发和示范项目的建设。2013年，我国发布了《关于加强碳捕集、利用和封存试验示范项目环境保护工作的通知》，为有效降低和控制碳捕集、利用和封存全过程可能出现的各类环境影响与风险，推动相关工作健康有序发展提供了政策支持；2016年，《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》发布，规定了碳捕捉、利用与封存项目环境风险评估的原则、内容以及框架性程序、方法和要求。

但是，我国尚未建立碳捕捉相关应用的专项法律法规和标准体系。中关村发展集团高级专家、中国能源研究会政策研究中心研究员董晓宇表示：“我国的碳捕捉、封存与利用技术缺乏相应的行业标准和规范以及激励约束机制与监管制度。”同时，缺少有效的政策激励，没有具体的财税支持，是目前企业开展碳捕捉相关研究和示范项目的主要障碍；示范项目的选址、建设、运营和地质利用与封存场地关闭及关闭后的环境风险评估、监控等方面同样需要相关法律法规和标准的支撑。因此，尽快出台明确的政府政策与建立专项法律法规和标准是碳捕捉项目大规模实施的重要保障。

发挥优势引领作用，政策扶持助力发展

充分利用现有优势，发展煤电+碳捕捉相关技术

林伯强指出：“中国拥有全球最好的煤电系统，庞大且布局比较合理，在应对电力系统不稳定因素、极端气候条件等问题上具有优势，所以‘煤电+碳捕捉、利用与封存’这个板块值得大规模去发展，且成本会不断下降。因为良好的煤电系统是保障，如果真正大规模投入布局去发展碳捕捉相关技术，取得技术突破，那么其成本在未来是会大幅度下降的。我们要把风电、光伏发电加储能，煤电加碳捕捉、利用与封存同时进行发展，这样整个电力系统的经济成本也应该会下降。”

当前，国内燃煤电厂加装碳捕捉相关技术装置项目已经进入公众视野。相信未来实现煤电+碳捕捉相关技术大规模发展将指日可待。

发挥央企引领作用，助推碳捕捉相关技术突破

国有企业特别是央企，是国民经济的重要支柱，在关系国家安全和国民经济命脉的主要行业和关键领域占据支配地位，也承担着更多的服务国家战略目标和保障国家安全等方面的责任。因此，电力、钢铁、建材、石化、电子、通信等领域的国有骨干企业，应整合上下游产业链，担当碳捕捉相关技术研发的先锋，跟踪全球碳捕捉先进技术，准确把握前沿技术方向，抓紧布局技术和装备研发，实现技术突破和自身高质量发展的双赢。

出台系列扶持政策，鼓励地方“弯道超车”

当前，我国应建立碳捕捉相关技术应用的专项法律法规和标准体系，引导、支持重点企业开展污染物和二氧化碳协同减排示范工程。有关部门应借鉴国内外成功经验，尽快将碳捕捉、利用与封存纳入政策支持范围，并予以国家相关技术创新基金支持，激励相关技术研发和项目建设。

碳纳米管、石墨烯、碳基芯片等，是世界各国争相占领的科技高地，也是当前我国主要的“卡脖子”技术领域。应鼓励有条件的地方区域抓住二氧化碳资源化利用契机，打造新格局下高质量发展典范，另辟蹊径，实现高科技关键领域的“弯道超车”，是碳捕捉作为未来产业实现跨越式发展的不二选择。

我国的碳捕捉、封存与利用技术发展虽起步较晚，但在油气行业、化工利用、高附加值碳基新材料利用、富碳农业、建筑行业、环保行业、人工生物合成等多领域均有可观前景。随着碳达峰、碳中和目标被写入“十四五”规划和政府工作报告，未来相关政策的完善与支持将会为碳捕捉相关技术发展带来新的机遇。

“在‘双碳’目标下，碳捕捉、封存与利用技术在减排降碳中的战略地位非常重要，发展前景看好，特别是对火电、钢铁、水泥等减排难度较大的重点行业意义重大。”董晓宇强调。实现能源转型，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，碳捕捉相关技术的广泛应用必将功不可没。在支撑经济可持续发展、应对气候变化、保障能源安全的多重目标下，发展碳捕捉相关技术将是实现我国大规模深度减排的明智之举。■