工業用能過程碳捕集與封存技術發展研究

師志成 趙珊珊 張永學 李北辰 曹 毅 張 強 劉 悅

1. 北京航天動力研究所, 北京 100176; 2. 北京航化節能環保技術有限公司, 北京 100176; 3. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院, 北京 102299

0 前言

隨著全球資源開發與利用的深度化和掠奪化發展,能源緊缺、生態失衡、氣候變暖等問題日益嚴峻,人類不得不在生產和生活方式上進行必要的轉變。全球碳計劃組織在2020年12月發布的《2020年全球碳預算報告》中指出,2020年全球碳排放量約為340×108t,相比2019年下降24×108t,是有記錄以來下降絕對值最大的一年,也是二戰以來下降相對值最大的一年[1]。至此,碳足跡受到了政界、產業界和學術界的空前關注。截至2021年4月,全球已有超過120個國家制定了碳中和目標或發展路線圖,低碳技術已成為全球科技大國的重點部署領域。我國經濟轉型升級、能源結構重組的壓力大,2019年我國第二產業增加值占GDP比例下降到39%,煤炭及相關的化工產業消費占全國能源消費總量的58%,占全國二氧化碳總排放的80%,能源消費的二氧化碳排放強度比世界平均水平高30%以上[2],化工用能過程仍呈現出高投入、高能耗、高污染、低效益的惡性循環狀態。

構建生態文明體系已成為我國乃至世界范圍的重大任務,碳中和將轉變傳統的低效污染發展模式,構建綠色、低碳、循環的可持續發展模式,為能源結構轉型和經濟高質量發展提供有利的支撐。碳中和的實施應綜合考量我國宏觀經濟增長、產業結構升級和碳排放空間等關鍵要素,《中國2060年前碳中和研究報告》指出預計到2060年一次能源消費總量在60×108t左右,力爭2030年石油化工消費達峰,峰值10.6×108t標準煤,到2060年下降至約2.2×108t標準煤[3],石油化工行業能源消耗作為化石能源消耗的主體,任務重大而艱巨。

縱觀工業能源消費過程,低碳技術已經逐步鋪墊。碳減排裝置或裝備,碳回收和捕集工藝,碳檢測和消納手段,碳封存與中和技術的發展已有幾十年的歷史[4-7],但尚未達到全面中和的程度,且目前尚未達峰,綠色主導的相關技術仍有待于深入創新和孵化。隨著國際和我國全面開展碳達峰、碳中和任務的推進,工業用能行業的碳捕集與封存技術正進入全面創新和穩步推向應用的階段。本文以工業用能過程碳捕集與封存技術為著眼點,綜合該技術在科學、技術和應用領域的情報,對其研究發展進行綜述,并主要從技術數量和功效的視角,通過時空等不同維度的量化分析,力求為低碳相關技術的未來發展和實現我國“雙碳”目標提供有效的支撐。

1 技術功效綜合評價

1.1 技術布局

20世紀,二氧化碳的排放主要來源于石化能源消費[7],但隨著科技發展進程的不斷深入,人類生產生活模式逐漸多樣化,碳排放也逐漸滲透到了多個領域和行業中,碳減排與處理的相關科學技術研究逐漸在各個產業領域興起,碳足跡與碳稅的研究逐漸成為熱點[8]。本節從技術分布領域、技術所在的國民經濟行業和技術聚類圖譜綜合評價碳捕集與封存技術的布局情況。

碳捕集與封存技術的分布領域見圖1。

圖1 碳捕集與封存技術分布領域圖Fig.1 The fields of CCS technology distribution

從圖1可以看出,該技術主要分布于石化能源消費行業及其附屬行業。近年來綠色建筑、智能城市等生活相關行業的興起[9-11],使得碳減排相關技術滲透到了建筑、汽車和材料領域。總體來看,物理分離設備領域、合成化合物工藝領域和石油化工燃燒過程領域占據了整個碳捕集與封存技術分布領域的一半以上,其他如催化、壓縮、建筑和材料、氧化、有機高分子等領域占比相當。隨著對碳減排技術的進一步聚焦和相關政策的引領[12-15],碳捕集與封存技術將進一步擴張到石油化工和能源消費行業的細分領域中,技術顆粒度也將進一步細化,整個產業的創新熱度將居高不下。

碳捕集與封存技術所在的國民經濟行業分布情況見圖2。

圖2 碳捕集與封存技術所在的國民經濟行業分布圖Fig.2 The national economy industries of CCS technology distribution

通過國民經濟構成可以看出,通用設備制造業是碳減排技術的主戰場[16-17],其主要與石油化工行業中的裝備制造過程相對應,是該技術的發展根源,也是該技術的主要應用落腳點。未來,隨著綠色和智能裝備制造技術的普及與深化[18-21],通用設備制造業將進一步依賴碳捕集與封存技術,逐步形成以綠色、可持續為核心理念的技術發展脈絡。化學原料和化學制品制造業,石油加工、煉焦和核燃料加工業是碳捕集與封存技術的次主要應用行業[22],這兩大行業是石油化工行業產值的重要貢獻行業。其他國民經濟行業,如計算機、金屬、電氣等行業呈現均等的分布狀況。

基于技術聚類理論的碳捕集與封存技術的二級技術分類情況見圖3[23-24]。

圖3 碳捕集與封存技術聚類圖Fig.3 CCS technology clustering

在技術聚類理論模型下,燃燒工藝技術和遠程監控與測量技術是一級技術聚類中的主導技術門類,低濃度控制技術、輸運動力技術和材料技術3個技術門類次之,且比例均衡。二級技術聚類分布下的技術門類逐步細化,但未呈現出差異較大的分布,整體細化技術總體均衡。

1.2 技術功效

碳捕集與封存技術的主要應用產業集中于以石油化工領域為主導的相關化學工藝、裝備制造和能量供應與消費領域,究其技術功效,主要歸納為以下10個維度:1)排放物總量降低;2)裝備/工藝/設備成本降低;3)系統效率提高;4)技術復雜性降低;5)能源消耗降低;6)綜合消耗降低;7)經濟性/收益水平提高;8)環境綜合改善;9)充分性提高;10)污染避免。碳捕集與封存技術在各個主導分布領域中所產生的功效分布見表1。表1從技術數量的視角展示了各領域關注的技術功效側重點。可以看出,物理分離設備與合成化合物工藝領域的技術應用數量較高,自該技術開始發展以來共涌現了不低于1 000項可以獨立發揮功效的技術種類,且技術創新的功效主要集中于排放與成本降低、效率提高、整體復雜性降低和能耗降低層面。此外,降低排放量和成本、提高效率也是整個碳捕集與封存技術在其各個應用領域的關注重點,其中通過物理分離手段解決成本降低問題的技術公開數量達102個之多。

表1 碳捕集與封存技術功效領域分布表

碳捕集與封存技術的深入發展與全球環境變暖趨勢下世界經濟大國對環境保護的高度重視密不可分,《世界環境公約》《聯合國氣候變化框架公約》和《巴黎協定》等世界范圍內的環境保護公約與協定的簽署,進一步促進了碳排放相關技術的發展[25-28]。專利是集技術、經濟和法律資源信息于一體的、全球通用的知識產權信息載體,而發明問題解決理論(以下簡稱TRIZ理論)是支持發明創造的方法論[29-33]。通過TRIZ理論分析的視角展示碳捕集與封存技術的功效維度,能夠更加清晰和客觀地呈現該技術的創新發展脈絡。圖4為碳捕集與封存技術功效TRIZ理論分析氣泡圖,橫軸為該技術重點應用的TRIZ參數,縱軸為該技術的細化功效,氣泡面積表示了技術活躍程度。可以看出,排放、成本、效率和能耗是該技術的重要功效點,而其體現的TRIZ參數方法主要是39-生產率、31-物質產生的有害因素、19-能耗、23-物質損失和36-系統的復雜性,相比之下，其他TRIZ參數方法的應用基本均等。

圖4 碳捕集與封存技術功效TRIZ理論分析圖Fig.4 TRIZ theoretical analysis of CCS technology-function

2 技術發展綜合評價

2.1 技術發展格局

工業領域碳捕集與封存技術的發展受政策、環境發展和資源分布情況實時變化的影響而呈現出不同的階段。通過技術生命周期定量分析的方法能夠有效地呈現其發展態勢,并可靠地預測該技術的未來發展趨勢[34-35]。圖5為碳捕集與封存技術涌現數量隨時間的變化情況,可以整體展現出該技術的發展情況。工業領域碳捕集與封存技術萌芽于20世紀70年代,發展起步于2002年。在2002—2006年技術公開的情況零星出現,標志著該技術的出現,但該階段技術整體創新活躍度較為低迷,為該技術的導入期;2006—2010年技術數量快速增長,為該技術的成長期;2010—2015年,該技術總量已達千余項的量級,年增長數量略為緩慢,呈現出平穩增長的趨勢,此為該技術的成熟期。由于技術情報公開延遲,2019年以后的數據不具有參考價值,但從圖5中技術數量線和技術趨勢線的整體走勢來看,未來仍會呈現較大的增長。同時隨著我國乃至世界范圍內在2020年對環境技術和碳排放相關技術的重視,以及低碳政策的大量出臺,碳捕集與封存技術有可能迎來新一波的增長高潮[36]。

圖5 碳捕集與封存技術生命周期圖Fig.5 Life cycle of CCS technology

碳捕集與封存技術數量發展趨勢見表2。由表2可以得出與上文相同的結論,即在排放降低和成本降低以及效率提高的功效層面,該技術的創新程度較為活躍。

表2 碳捕集與封存技術發展趨勢表

時間維度上可以從逐漸發展趨勢上判斷技術發展所處的階段;空間維度上,可以從技術發源的國家和地區判斷技術的目標市場和產業定位。碳捕集與封存技術的產出國仍主要分布于世界發達國家,中國是其產出大國,技術數量上遠超世界其他國家,美國次之,加拿大、澳大利亞、日本、韓國和歐洲(瑞士、德國、芬蘭為主)也有較為活躍的技術產出。中國作為碳捕集和封存技術的產出大國,其技術發源地主要集中于北京、江蘇、廣東、山東和上海,其中首都北京的技術數量最多,中部和東部是我國碳排放技術的主要產出地域。

中國、美國、加拿大、日本、韓國、瑞士、德國、芬蘭作為碳捕集與封存技術的主要產出國,其技術布局的側重有所區別。碳捕集與封存技術在以上主要產出國的主要技術布局情況見圖6,以技術沙盤的形式直觀地呈現其發展重點。通過數據分析,選取燃燒技術、合成化工技術、燃料技術、生物技術和發電系統技術等主要技術點作為以上國家碳捕集與封存技術的布局對抗點進行分析。中國在以上各技術點上的布局均有所涉獵,美國則將技術布局的重點聚焦在流化床技術、富氫氣體與廢氣流技術和燃料技術上,其中以富氫氣體與廢氣流技術尤為側重,在其他技術門類上也有一定的布局。加拿大、日本、韓國、瑞士、德國和芬蘭作為技術產出的第二梯隊國家,在技術沙盤中的對抗點與中美相比,較為薄弱。

圖6 碳捕集與封存技術主要國家布局圖Fig.6 Layout of CCS technology in the main countries

2.2 技術發展路線分析

通過綜合分析碳捕集與封存技術的整體發展,可知該技術的發展沿革呈現出逐步深入和精細化的趨勢。碳捕集與封存技術發展路線見表3。表3基本呈現出了碳捕集與封存技術的發展路線。碳捕集與封存技術的發展脈絡為:通過減排裝置降低碳排放量(設備裝置的優化)→通過生物方法實現碳排放消耗/轉化(動植物介入的方法)→通過燃燒與燃料處理技術實現碳減排(燃料處理與燃燒工藝)→通過碳排放組分再合成/利用(回收利用)→通過碳排放量化/控制工藝(量化控制)→通過碳足跡跟蹤與捕集技術(足跡跟蹤與捕集)→通過碳封存技術(封存)。通過對碳捕集與封存技術標志性技術發展路線的分析可以看出,碳捕集與封存技術整體向著專業化、精細化和應用廣泛化的方向發展。

20世紀70年代,碳捕集與封存技術未直接誕生,但已產生了相關的鋪墊技術——避免轉爐廢氣中一氧化碳排放的方法和裝置(US4054274 A,1977,Method and apparatus for avoiding the emission of carbon monoxide from converter exhaust gase),美國開始研發減排裝置來降低碳排放量,標志著碳排放相關技術的研發已經拉開帷幕;80年代,澳大利亞通過燃燒與燃料處理技術實現了碳減排(AU7306587 A,1987,Process and plant for reducing nitrogen monoxide emissions when burning solid fuels),此后數十年內,燃料與燃燒領域相關的碳減排技術一直處于非常活躍的狀態;90年代,加拿大研發了碳排放組分再合成/利用技術,通過碳回收和二次循環實現碳減排(CA2029101 A1,1992,Process for reduction of carbon dioxide emissions and recycling of waste products),該技術的誕生標志著碳足跡研發步入正軌,人類對碳減排相關技術的認知達到了新層面;與此同時,碳排放量化/控制工藝逐步得到發展(EP508657 A2,1992,Integrated process for producing ethanol,methanol and butyl ethers),碳排放的精密控制工藝依賴于先進測控技術的大力發展[37-39],排放量的標準化和當量化也促使生物化學、煤化工和煉油等工業領域的產業鏈下游對碳排放的認識提升到新的高度[40-42];20世紀末期,美國學者正式提出“碳捕集”的定義(US5724805 A,1998,Power plant with carbon dioxide capture and zero pollutant emissions),在美國科技界引起了碳捕集相關技術的研發熱潮,碳足跡跟蹤與捕集技術多次以專有名詞的形式被提出,并發展迅速,捕集二氧化碳開始成為學術界、能源產業界的焦點。

21世紀初期,加拿大學者提出了一種以生物方法實現碳排放消耗/轉化的概念(CA2499264 A1,2004,A process and a plant for recycling carbon dioxide emissions from power plants into useful carbonated species),直接引領了低碳技術在生物、醫藥、食品、地質等其他交叉領域的研發熱潮,后續技術諸如利用海洋生物等自然環境和資源進行碳減排的創新技術接連問世;2014年,碳封存技術(EP2438977 B1,2014,Carbon dioxide sequestration system;EP2406189 B1,2014,Method for using carbon dioxide sequestered from seawater in the remineralization of process water)正式問世,是低碳技術發展進程中的重要里程碑,此后,碳封存技術大量公開,利用海洋地質、特殊材料和先進裝備與工藝進行碳組分封存的技術逐步完善并得到廣泛應用。

3 結論

本文以工業用能過程碳捕集與封存技術為著眼點,綜合該技術在科學、技術和產業應用領域的文獻情報信息,通過數據分析和情報梳理,對碳捕集與封存技術研究發展進行綜述,得出以下主要結論。

1)全球低碳技術的公開數量已達3 000項以上,石油化工行業是低碳技術的主要應用領域,排放、成本、效率和能耗是該技術創新發展的主要功效承載維度。

2)從國際發展布局的角度而言,中美兩國是碳捕集與封存技術創新和應用大國,其技術發展興起于裝備領域,發展脈絡歷經生物技術、燃料與燃燒工藝技術、回收再利用技術、量化/控制技術,逐步發展到目前最為熱門的碳足跡、碳捕集與封存技術。

3)碳捕集與封存技術萌芽于20世紀70年代,已經歷了導入期、成長期、成熟期和穩定期,未來隨著全球低碳政策的大量出臺,以及碳稅、碳交易制度的逐步成熟,碳捕集與封存技術可能會迎來第二輪快速增長。

4)通過分析,得到了碳捕集與封存技術發展路線圖,可知碳捕集與封存技術整體向著專業化、精細化和應用廣泛化的方向發展。