中國碳捕集、利用與封存技術(shù)研發(fā)與示范

仲 平 彭斯震 賈 莉 張九天

(中國21世紀議程管理中心，北京100038)

中國碳捕集、利用與封存技術(shù)研發(fā)與示范

仲 平 彭斯震 賈 莉 張九天

(中國21世紀議程管理中心，北京100038)

碳捕集、利用與封存(CCUS)是一項新興的、具有大規(guī)模減排潛力的技術(shù)，有望實現(xiàn)化石能源使用的CO2近零排放，被認為是進行溫室氣體深度減排最重要的技術(shù)路徑之一。開展CCUS技術(shù)的研發(fā)和儲備，將為中國未來溫室氣體減排提供一種重要的戰(zhàn)略性技術(shù)選擇，受到政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。本文從CCUS技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的背景出發(fā)，概括了該技術(shù)的特點及存在的主要問題，總結(jié)了當(dāng)前中國CCUS技術(shù)政策，介紹了中國CCUS技術(shù)研發(fā)、試點示范、國際合作等的開展情況，并通過與歐美等發(fā)達國家CCUS技術(shù)發(fā)展與示范活動現(xiàn)狀的對比，初步分析了中國CCUS技術(shù)發(fā)展方面存在的主要不足。為進一步推動我國CCUS技術(shù)的研發(fā)與示范，文章提出應(yīng)加強國家層面的技術(shù)政策指導(dǎo)和宏觀協(xié)調(diào)、引導(dǎo)資源有效配置;推動建設(shè)行業(yè)間的CCUS技術(shù)合作平臺;重視CCUS未來技術(shù)應(yīng)用軟環(huán)境建設(shè)等有針對性的建議。

碳捕集與封存(CCS);碳捕集、利用與封存(CCUS);CO2減排技術(shù);應(yīng)對氣候變化

以氣候變化為核心的全球環(huán)境問題日益嚴重，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。根據(jù)政府間氣候變化委員會第4次評估報告(IPCC AR4)結(jié)論，全球地表平均溫度近百年來(1906－2005年)升高了0．74℃，主要是由于化石燃料燃燒和土地利用變化等人類活動排放的溫室氣體(主要包括CO2、CH4和N2O等)導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度增加所引起的［1－2］。情景研究預(yù)測，到本世紀末，大氣中溫室氣體的濃度將增加1倍，全球平均溫度仍將上升1．1 －6．4℃，海平面可能上升 0．6m［1－2］。為避免對氣候系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的不利影響，必須采取措施減少和控制溫室氣體的產(chǎn)生和排放。削減以CO2為主的溫室氣體排放已成為當(dāng)今國際社會關(guān)注的熱點。碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，CCS)技術(shù)作為是一項新興的、具有大規(guī)模減排潛力的技術(shù)，有望實現(xiàn)化石能源使用的CO2近零排放，被認為是進行溫室氣體深度減排最重要的技術(shù)路徑之一。近年來，為促進該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，歐盟、美國、澳大利亞等發(fā)達國家均已啟動大規(guī)模的計劃推動CCS技術(shù)的研發(fā)與示范，并在8國集團(G8)、20國集團(G20)、碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇(CSLF)等框架下積極推動CCS在全球范圍的發(fā)展［3］。中國能耗總量大，能源結(jié)構(gòu)以煤為主的現(xiàn)實在未來將長期存在，在溫室氣體減排問題上也將面臨越來越大的壓力。開展CCS技術(shù)的研發(fā)和儲備，將為中國未來溫室氣體減排提供一種重要的戰(zhàn)略性技術(shù)選擇。為積極應(yīng)對氣候變化，增強控制溫室氣體排放技術(shù)能力，中國對CCS技術(shù)給予了積極的關(guān)注和高度重視，政府、科研機構(gòu)和企業(yè)從不同的層面圍繞該技術(shù)領(lǐng)域開展了大量的工作。

1 碳捕集、利用與封存技術(shù)及其特點

CCS技術(shù)是指將CO2從電廠等工業(yè)或其他排放源分離，經(jīng)富集、壓縮并運輸?shù)教囟ǖ攸c，注入儲層封存以實現(xiàn)被捕集的CO2與大氣長期分離的技術(shù)［4－5］。CCS是一項系統(tǒng)技術(shù)，包括CO2捕集技術(shù)、運輸技術(shù)和封存技術(shù)的系統(tǒng)集成，主要應(yīng)用對象為大規(guī)模的CO2排放點源，包括電廠、煤化工廠等。根據(jù)排放源類型的不同，捕集技術(shù)分為燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集，分別用于傳統(tǒng)燃煤電廠、IGCC電廠和富氧燃燒系統(tǒng)。運輸可采用槽車、船舶、管道等方式。封存方式包括地質(zhì)封存與海洋封存，地質(zhì)封存可在深層咸水層、油氣藏和深層煤層中進行。

CO2是工業(yè)活動的必然產(chǎn)物，對其進行捕集和封存在經(jīng)濟效益上是純耗費的行為，如能加以資源化利用，可創(chuàng)造額外的經(jīng)濟和環(huán)境效益。為此，我國格外關(guān)注創(chuàng)新型CO2資源化利用技術(shù)的研發(fā)，提出系統(tǒng)發(fā)展碳捕集、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技術(shù)，并在國際社會產(chǎn)生了一定影響。2010年7月，主要經(jīng)濟體能源安全與氣候變化論壇(MEF)成立了CCUS工作組，以推動CCUS技術(shù)在全球?qū)用娴难邪l(fā)、示范與推廣。

CCUS技術(shù)是一項具有戰(zhàn)略意義的新興溫室氣體控制技術(shù)，總體上尚處于研發(fā)和示范階段，目前仍存在許多制約其發(fā)展的突出問題［6－7］，主要包括:①高能耗，以電廠燃燒前捕集系統(tǒng)為例，在目前的技術(shù)水平下低濃度CO2的捕集、分離、提純將降低整個電廠發(fā)電效率約20%，此外運輸、注入等環(huán)節(jié)也均需消耗能量;②高成本，高能耗勢必帶來高成本，目前技術(shù)水平下CO2捕集成本約13－51美元，約占全流程成本80%左右;③可持續(xù)發(fā)展效益不顯著，除實現(xiàn)控制CO2排放外，沒有其他方面的經(jīng)濟、環(huán)境效益，額外的能源消耗還可能釋放更多的氮氧化物、硫化物和顆粒物等常規(guī)環(huán)境污染物;④長期封存的安全性和可靠性存在風(fēng)險，封存的CO2若發(fā)生泄漏可能危害人體健康、影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)，進行CO2封存還可能污染地下水，甚至可能誘發(fā)地震。因此，加強技術(shù)研發(fā)和示范以解決這些問題是現(xiàn)階段推動該技術(shù)發(fā)展的重點。

2 中國CCUS技術(shù)政策

為引導(dǎo)和推動該技術(shù)的發(fā)展，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006－2020年)》在先進能源技術(shù)重點研究領(lǐng)域提出了“開發(fā)高效、清潔和二氧化碳近零排放的化石能源開發(fā)利用技術(shù)”;《中國應(yīng)對氣候變化科技專項行動》明確將CO2捕集、利用與封存技術(shù)開發(fā)作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的重要任務(wù)之一;《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》將CCUS等煤清潔高效開發(fā)與利用技術(shù)的開發(fā)列為我國溫室氣體減排領(lǐng)域的重點工作之一。

“十一五”期間，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展(973)計劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計劃等支持對CO2捕集、資源化利用與封存相關(guān)科學(xué)理論、關(guān)鍵技術(shù)等展開研究，旨在加強技術(shù)創(chuàng)新，促進能耗和成本降低，深化和拓展CO2資源化利用途徑，提高其可持續(xù)發(fā)展效益。“973”計劃“十一五”期間安排了“溫室氣體提高石油采收率的資源化利用及地下埋存”項目，圍繞適合中國地質(zhì)特點的CO2埋存標準制訂及應(yīng)用潛力評價;CO2地下埋存的地質(zhì)學(xué)理論;CO2地下埋存的監(jiān)測和前緣預(yù)測技術(shù);注CO2提高原油采收率的多相多組分相態(tài)理論;CO2驅(qū)替過程中多相多組分非線性滲流機理和規(guī)律;O2/CO2循環(huán)燃燒及污染物的協(xié)同脫除;燃煤CO2分離與富集;CO2防腐、結(jié)垢等工程技術(shù)與方法等展開研究。“863”計劃資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域在“十一五”期間安排了“二氧化碳的捕集與封存技術(shù)”重點項目，研發(fā)吸附、吸收等CO2捕集技術(shù)，探索CO2封存技術(shù)。項目包括3個課題，分別圍繞新型高效吸收溶劑、特大型吸收設(shè)備強化和過程優(yōu)化;新型高效吸附材料的制備篩選和基礎(chǔ)物性、吸附分離過程優(yōu)化;咸水層封存能力評價、安全性以及封存效果監(jiān)測開展具體的研發(fā)與示范工作。

3 中國CCUS技術(shù)研發(fā)與示范

與國外發(fā)達國家相比，我國CCUS技術(shù)研發(fā)工作起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。在國家相關(guān)科技政策的引導(dǎo)下，一些國內(nèi)高校、研究院所、企業(yè)等已經(jīng)圍繞CO2封存、利用和埋存開展了許多具體的研究和示范工作，在部分技術(shù)領(lǐng)域，技術(shù)水平、示范規(guī)模及運行效果甚至已經(jīng)走在世界前列。在全流程CCUS技術(shù)整合與示范方面，部分國內(nèi)企業(yè)也已開始行動，一些工業(yè)級試驗和示范正在開展。

3．1 CO2捕集技術(shù)研發(fā)與示范

目前，我國專門圍繞CO2捕集技術(shù)開展的研發(fā)與示范活動主要集中在燃燒后和富氧燃燒，這是因為燃燒前捕集技術(shù)研發(fā)要以IGCC發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，而我國IGCC發(fā)電系統(tǒng)目前仍處于研發(fā)階段。當(dāng)前我國主要的CO2捕集技術(shù)示范活動的基本情況見表1。

3．2 CO2資源化利用技術(shù)研發(fā)與示范

CO2是一種重要的工業(yè)氣體，可以被廣泛用于制造碳酸飲料、煙絲膨化處理、金屬保護焊接、合成有機化合物、滅火、制冷，也可用于強化石油開采(Enhanced Oil Recovery，EOR)和強化煤層氣開采(Enhanced Coal-bed Methane Recovery，ECBM)。以EOR為例，初步測算，若在我國全面推廣CO2驅(qū)油與封存技術(shù)，可增加原油的可采儲量約3．5億t，相當(dāng)于新發(fā)現(xiàn)一個11億t儲量的大油田，應(yīng)用前景廣闊［8］。目前，中國企業(yè)在EOR、ECBM、微藻生物能源、化工合成等領(lǐng)域都開展了初步的研發(fā)和示范工作，具體見表2。

3．3 CO2封存相關(guān)研究

3．3．1 中國CO2地質(zhì)封存潛力初步評價

2009年，中國地質(zhì)調(diào)查局制定了“中國二氧化碳儲存地質(zhì)潛力調(diào)查評價實施綱要”。同年，國土資源部將CO2地質(zhì)儲存調(diào)查評價納入《地質(zhì)礦產(chǎn)保障工程實施方案(2010－2020年)》地質(zhì)基礎(chǔ)支撐計劃內(nèi)的全球變化調(diào)查監(jiān)測與評價和地下空間資源調(diào)查之中。目前，《中國二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價與示范工程》正式立項啟動，旨在開展中國主要沉積盆地CO2地質(zhì)儲存潛力調(diào)查，進行適宜性評價分區(qū)，圈定一批CO2地質(zhì)儲存適宜靶區(qū);以沉積盆地為單元編制CO2地質(zhì)儲存適宜性評價圖集與1∶500萬CO2地質(zhì)儲存適宜性評價成果圖系。同時，擬與有關(guān)企業(yè)聯(lián)合開展CO2地質(zhì)儲存示范工程。

此外，清華大學(xué)、中科院巖土力學(xué)所等高校和研究機構(gòu)對于源匯特征進行了研究，并對一些省份進行了源匯匹配分析。

3．3．2 CO2地質(zhì)封存相關(guān)研究

近年來，中科院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、清華大學(xué)、北京大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校和研究機構(gòu)對于CO2鹽水層封存過程中CO2在鹽水層中的運移規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)、固化機理以及鹽水層中CO2注入技術(shù)、封存控制技術(shù)等進行了初步研究。

3．4 全流程CCUS技術(shù)整合與示范

作為一項系統(tǒng)性技術(shù)，CCUS技術(shù)的成熟以捕集、運輸和埋存等各個環(huán)節(jié)技術(shù)的成熟和系統(tǒng)集成為基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)已有數(shù)個不同規(guī)模和路線的全流程CCUS示范正在開展或籌備，具體見表3。

3．5 CCUS相關(guān)國際科技合作

CCUS技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域也成為我國近年對外科技合作的熱點。在多邊或雙邊的合作框架下，國內(nèi)高校、科研機構(gòu)、企業(yè)與歐盟、澳大利亞、意大利、日本、美國等相關(guān)機構(gòu)開展了廣泛的科技交流與合作。

比較有代表性的合作包括:碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇(CSLF)、全球CCS研究院(GCCSI)多邊框架下的交流與合作;中歐氣候變化合作框架下的中歐/中英煤炭利用近零排放合作項目(NZEC)，包括中歐碳捕集與封存合作(COACH)和碳捕集與封存政策法規(guī)研究(STRACO2)等;亞太清潔發(fā)展和氣候伙伴關(guān)系(APP)框架下的中澳CO2地質(zhì)封存合作項目，以及中意CCS技術(shù)合作項目等。通過這些國際合作，不僅加強了中國相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)的能力建設(shè)，形成了中國在CCUS領(lǐng)域的核心研究團隊，同時圍繞捕集技術(shù)選擇、技術(shù)經(jīng)濟性評價、封存潛力評估、源匯匹配等開展了探索性的研究工作。

表1 我國CO2捕集研發(fā)與示范活動Tab．1 CO2 capture research and pilot activities in China

表2 我國CO2資源化利用研發(fā)與示范活動Tab．2 CO2 utilization research and pilot activities in China

表3 我國全流程CCUS技術(shù)集成與示范活動Tab．3 Full chain CCUS integration and pilot activities in China

4 進一步推動我國CCUS技術(shù)發(fā)展的建議

盡管起步較晚，我國CCUS技術(shù)在近些年來取得了長足發(fā)展，成功地開展了工業(yè)級的CO2捕集示范，并在CO2利用等技術(shù)環(huán)節(jié)形成了有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，形成自身的技術(shù)特點。但是，對比歐、美、澳等發(fā)達國家，我們尚存在一些明顯不足［6－7］，為進一步推動我國CCUS技術(shù)的發(fā)展，提出以下幾點建議:

(1)加強國家層面對CCUS技術(shù)發(fā)展的政策指導(dǎo)和宏觀協(xié)調(diào)，引導(dǎo)資源有效配置。近年來，國際能源署(IEA)、碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇(CSLF)、全球CCS研究院(GCCSI)等國際機構(gòu)或國際合作平臺，以及美國、加拿大、澳大利亞、英國等國家發(fā)布了多個全球或國家層面的CCS技術(shù)發(fā)展路線圖(Technology Roadmap)［3，7，9］。一方面明確未來 CCUS 技術(shù)發(fā)展重點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引導(dǎo)資源有效配置;另一方面從系統(tǒng)層面安排部署重大項目計劃，確保資源的有效使用。而我國目前還缺少國家層面針對CCUS技術(shù)的系統(tǒng)性技術(shù)政策，鑒于此，我國也應(yīng)適時發(fā)布CCUS技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(或路線圖)，明確我國發(fā)展CCUS技術(shù)的定位、目標、重點研究方向和重點任務(wù)。

(2)加快推進跨行業(yè)的CCUS技術(shù)合作平臺建設(shè)，促進行業(yè)間技術(shù)集成。為推動CCUS技術(shù)的發(fā)展，無論是歐盟的CCS旗艦計劃(Flagship Program)，美國的未來發(fā)電計劃(FutureGen)，還是澳大利亞的ZeroGen計劃，均建立了包括電企、油企、研究機構(gòu)在內(nèi)的跨行業(yè)合作平臺，比如歐盟的零排放技術(shù)合作聯(lián)盟(Zero Emission Platform，ZEP)、美國區(qū)域CCS伙伴計劃等，在技術(shù)研發(fā)、經(jīng)驗共享等方面取得了良好的效果。CCUS技術(shù)的發(fā)展需要原屬于不同行業(yè)技術(shù)間的系統(tǒng)集成和優(yōu)化，并開展跨行業(yè)的全流程示范，而我國目前尚缺少行業(yè)間合作平臺，示范項目往往側(cè)重于單個技術(shù)環(huán)節(jié)。因此，中國也應(yīng)盡早推動建立類似的合作平臺，集不同行業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢開拓合作共贏的局面。

(3)加強對CCUS技術(shù)示范與應(yīng)用“支撐環(huán)境”的研究和能力建設(shè)。作為一項系統(tǒng)型技術(shù)，CCUS涉及眾多非技術(shù)環(huán)節(jié)。一方面，封存場地選址、CO2監(jiān)測和長期安全管理等均需要全面細致的技術(shù)標準和相應(yīng)的管理規(guī)范［6－7，10］;另一方面，相關(guān)管理和審批涉及多個部門，有關(guān)CO2的長期監(jiān)測及安全管理等也均屬新鮮“事物”，健全的法律法規(guī)體系是順利開展CCUS的有利條件。此外，公眾了解和接受也是開展CO2封存的前提條件。中國現(xiàn)階段研發(fā)與示范工作均專注于“硬技術(shù)”，對于CCUS技術(shù)未來應(yīng)用的軟環(huán)境建設(shè)明顯缺失。盡管我國目前階段對CCUS技術(shù)的定位僅為戰(zhàn)略性技術(shù)儲備，但這些“軟”技術(shù)方面的工作也必須及早開展。

致謝:中國石油天然氣集團公司、中國石油化工集團公司、中國華能集團公司、中國電力投資集團公司、中國國電集團公司、中國神華集團公司、中聯(lián)煤層氣公司、新奧集團、江蘇中科金龍化工股份有限公司、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院地質(zhì)與地球物理研究所、中科院巖土力學(xué)研究所等單位和有關(guān)專家提供了關(guān)于CCUS相關(guān)研究和示范活動信息，在此一并致謝。

(編輯:劉照勝)

References)

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Development of Carbon Capture，Utilization and Storage(CCUS)Technology in China

ZHONG Ping PENG Si-zhen JIA Li ZHANG Jiu-tian
(The Administrative Centre for China’s Agenda 21，Beijing 100038，China)

Carbon capture，utilization and storage(CCUS)technology，widely acknowledged as an advanced technology that can reduce CO2emission in large scale，has been expected to realize the near zero emission of fossil fuel use．The technology has been considered one of themost important technical paths for deep cut of CO2emissions．In China，CCUS technology is also considered as an important strategic choice for emission reduction，and therefore draws extensive attention from various stakeholders including government，industry and academia．This paper summarizes the policies in China regarding the developmentof CCUS technology，and introduces the overall status of the CCUS R＆D＆D(research and development and demonstration)activities in China，as well as international cooperation on CCUS．The paper also compared the development of CCUS technology in China with CCS technical development in EU，the U．S．a(chǎn)nd other advanced developed countries，and puts forward some helpful near-term recommendations:develop national policy to guide and coordinate the developmentof CCUS technology，and better allocate resources;promote inter-sector cooperation on CCUS technology R＆D by establishing industrial cooperation platform;underscore the importance of research on supporting environment of CCUS technology development and application，so called non-technical issues．

carbon capture and storage(CCS);carbon capture，utilization and storage(CCUS);CO2mitigation technology;climate change

X51/G3.1

A

1002－2104(2011)12－0041－05

10．3969/j．issn．1002－2104．2011．12．007

2011－08－18

仲平，助理研究員，主要研究方向為環(huán)境政策和科技管理。

張九天，博士，副研究員，主要研究方向為應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略與科技管理。

“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“我國應(yīng)對全球環(huán)境變化的科技戰(zhàn)略研究”(編號:2007BAC03A12－5)。