二氧化碳捕集研究进展及对策建议

徐文佳，王万福，王文思

（中国石油安全环保技术研究院，北京 100085）

1 引言

全球极端天气频发，气候变化问题备受关注。2010年全球化石能源温室气体排放已达306亿t，较2002年的235亿t大幅增长，新增排放主要来自发展中国家。气候变化谈判举步维艰，我国面临国际巨大减排压力。我国政府提出，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。“十二五”规划进一步要求，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降17%。2011年6月国家发改委提出设置重点行业能耗总量“天花板”。

石油和天然气工业大约占全球CO2排放量的6%国际水平［1］。根据中科院研究成果，我国工业二氧化碳排放量中，石油加工、炼焦及核燃料加工业排第二位，占二氧化碳排放总量的比例为15.7%［2］。同时，石油行业还是我国能源结构调整的重要依托，因此我国石油石化行业大力发展低碳经济具有重要现实意义和战略意义。

CO2减排是一项系统工程。减排途径包括节能、发展低碳能源（如核能和可再生能源等）、增加生物碳汇、CO2捕集和封存（CO2capture and storage，简称 CCS）等，其中CCS是应对气候变化问题最具发展前景的解决方案之一［3］。根据经济合作发展组织（OECD）和国际能源署（IEA）数据显示，现有电厂二氧化碳年排放量约106亿t，占全世界排放总量的40.6%，其中燃煤电厂76亿t，占发电行业排放量的72%。因此，对电厂二氧化碳进行捕集是缓解二氧化碳排放危机的有效手段，同时还能通过回收有价值副产品而降低减排成本。在CCS过程中，CO2捕集技术成本高昂，是目前研究的重点，因此本文对目前国内外CO2捕集技术的研究进展进行总结和展望。

2 国内外二氧化碳捕集技术现状

目前国内外CO2捕集主要有3条技术路线：燃烧前分离、燃烧后分离和富氧燃烧。

（1）燃烧前分离，此技术适合煤气化联合发电厂（简称IGCC）；从长远看，IGCC电厂采用燃烧前捕集会有优势，因为IGCC电厂有更高的浓度和气压，收集CO2能耗会降低；但是大规模地进行燃烧前CO2捕集，要先建IGCC电厂，本身投资很高，目前国内工业化应用还不实际。

（2）燃烧后分离，这种技术较成熟，适合于燃煤电厂，但目前能耗高、成本高；如果实现设备国产化、通过优化改进现有工艺技术等办法，成本和能耗是有降低潜力的；国内要实现电厂的减排，在20年内这种技术应该是最适合的，因此下文中主要对此类技术详细介绍。

（3）富氧燃烧，属于改造技术，结合了燃烧前和燃烧后技术；用富氧空气作为氧化剂能够提高燃烧后气体的CO2浓度，捕集起来更容易；但是所面临的问题是制氧的能耗较高，另外还要对锅炉进行改造。

以上3类技术的特点和发展现状如表1所示。

表1 CCS捕集技术分类

现有电厂、炼厂等烟气中CO2燃烧后捕集技术主要有溶剂吸收法、膜分离法、吸附法和低温分离法。

溶剂吸收法又分为物理吸收法和化学吸收法。物理吸收法是以有机化合物作为溶剂，在高压低温下使CO2组分溶解于溶剂内，吸收CO2的溶剂又在低压、高温下释放CO2，使溶剂恢复吸收能力，脱碳过程可循环操作，常用的物理吸收法有Flour法、Selexol法和低温甲醇法。化学吸收法是利用一种含碱或碱性溶液来吸收天然气中的酸性气体，经过加热再释放出CO2，使吸收溶剂再生恢复活性。常用的吸收剂有两大类：醇胺类和碳酸钾复合溶液。目前国际上研究常压二氧化碳捕集技术，大多采用吸收法捕集技术，包括加拿大雷吉纳大学和日本三菱重工等多套实验示范装置，研究的主要方向是吸收溶剂的研发、捕集设备性能的提高和过程优化节能技术。另外，氨法是近几年得到广泛开发的CO2捕集技术［4］。氨法的CO2吸收分离原理与醇胺法相似，在水溶液中氨与CO2反应生成碳酸铵，过量的CO2则可生成碳酸氢铵。当烟气中含有SO2和NOX时，氨水还可以与其反应生成硫酸铵和硝酸铵成为该工艺的副产品。阿尔斯通公司开发了基于氨的新工艺。氨水工艺与常规胺类相比，有3大优点：①蒸汽负荷小（500 BTU／磅二氧化碳）；②产生较浓缩的二氧化碳携带物；③较低的化学品成本。2011年5月，阿尔斯通电力宣布了美国电力公司Mountaineer电厂的冷氨碳捕集与封存验证项目的成功运行。烟气分流经过冷却后与碳酸氨溶液混合接触，溶液吸收二氧化碳生成碳酸氢氨，然后碳酸氢氨溶液在分离工艺中被加压和加热，从而安全有效地释放出高纯度的二氧化碳气体。

膜分离是根据聚合物膜对不同气体的相对渗透率不同而分离。当含杂质的天然气通过膜分离器时，CO2先被选择性地吸收到膜中，再扩散到低压侧形成渗透气，没有渗出的气体作为保留气体仍留在高压侧作为渗余气，从而脱除CO2［5］。膜分离技术具有投资少、能耗低、设备紧凑、维修方便等优点，作为二氧化碳捕集技术受到普遍关注。虽然膜分离法具有装置简单、操作方便、能耗较低等优点，是当今世界上发展较迅速的一项二氧化碳捕集技术，但是其缺点是很难得到高纯度的二氧化碳，为了得到高纯度的二氧化碳，它必须与溶剂吸收法结合起来。前者用于粗分离，后者做精分离，工艺极其复杂。

吸附法属于物理吸附法，根据吸附剂对CO2和CH4的选择性吸附能力不同来脱除天然气中的CO2。该工艺是以吸附剂在高压（吸附压力）下对吸附质的吸附容量大，而在低压（解吸压力）下吸附容量小的特征为依据，由选择吸附和解吸再生两个阶段组成的交替切换循环工艺。变压吸附法的优点在于工艺过程简单、装置操作弹性大、能耗低且无腐蚀和污染，主要用于合成氨等化工行业，但一直存在吸附剂选择性和产品气回收率不高的问题。变压吸附法用于电厂、水泥厂等烟道气中二氧化碳浓度较低的装置中，成本比较高。因此，变压吸附法脱碳的关键在于高效吸附剂的开发和选择。

CO2低温制冷捕集技术目前成本还比较高，此工艺基于冷却和冷凝的分离原理。这种方法适用于含有高浓度CO2气体的捕集，目前还没有应用于有较低CO2浓度的气体上。美国埃克森美孚石油公司投资1亿美元研发能够降低二氧化碳捕获和储藏成本的制冷技术，此项试验已于2009年开始，预计持续10年以上。

脱碳除了物理化学方法之外，还有藻类、细菌和植物的生物方法。CO2在光生物反应器的微藻生物固定化的脱碳方面最近再受关注，但光照不足，会限制微生物的生长，因此会减少碳的脱除。化学自养微生物使用无机化学品代替光能进行脱碳已成功得到试用。

通过以上技术介绍，可以看出目前用于CO2捕集的技术有很多，如溶剂吸收法、吸附法、膜分离、CO2低温制冷技术等，并各有优劣势。其中，溶剂吸收法分离效果好，可得到高纯度CO2，技术较成熟，易于实施。如进一步对高效捕集溶剂、高效吸收解吸传质设备进行研发，捕集过程的模拟进行优化，有望实现二氧化碳捕集能耗的大幅度降低，有较好的工业应用前景。

3 国内二氧化碳捕集技术应用现状

随着CCS技术的兴起，目前国内研究二氧化碳捕集的科研机构和公司越来越多，碳捕集研究越来越受到关注，并逐步开展试点和示范。2005年中国开始对CCS技术进行全面规划部署，CCS技术被编入《国家中长期科技发展规划纲要（2006～2020）》。目前国内已有的二氧化碳捕集装置中，采用的捕集方法包括化学吸收法、变压吸附法和富氧燃烧，其中以化学吸收法为主，包括华能北京高碑店热电厂二氧化碳捕集示范工程、华能石洞口第二电厂碳捕获、中石化胜利油田二氧化碳捕集驱油和中石油吉林油田二氧化碳捕集驱油；神华集团内蒙古自治区鄂尔多斯市二氧化碳捕集封存全流程项目是从煤制油生产线中变压吸附法捕捉碳。各示范工程详细情况如表2所示。

表2 国内碳捕集技术示范工程

由中国目前正在运行的二氧化碳捕集示范工程可以看出，电厂烟气是CO2捕集主要的源头，以燃烧后捕集方式为主。目前，制约我国碳捕集技术发展的问题主要有2个：一是从行业分布上，碳捕集技术的研究主体主要集中在油气行业、煤炭行业和电力行业，行业间合作瓶颈难以突破。二是鉴于成本高等原因，年减排量在万吨级别，与挪威国际石油公司Sleipner天然气田CCS项目、位于阿尔及利亚的InSalah项目、加拿大Weyburn项目百万吨的CO2减排量［9］相比还有一定差距。工业上的应用也主要是提高石油采收率。

4 对策与建议

中国政府已量化2020年的温室气体减排目标，可以预见中国石油石化行业未来将承担相应的减排任务。开展温室气体直接减排二氧化碳捕集是解决全球气候变暖问题的最具发展前景的解决方案之一，是企业应对国家减排要求的最有效手段。目前世界对此技术的研究仍都在起步阶段，因此我国越早开展此工作的引导作用和社会效益就越大。不同于其他新兴能源产业，因为CCS技术某种程度上可以看做化石能源燃烧的逆过程，传统石油天然气生产商在开发利用CCS技术方面具有先天优势。因此中国石油石化行业应进行战略部署，分步、分层次确立碳捕集技术的研发储备和应用。

（1）促进国家CCS技术相关利好政策的出台。CCS技术本身就是全球气候变暖下各方寻求CO2减排解决方式的产物，因此相信CCS技术未来在世界范围内将会有更多的利好政策出台。由于捕集－封存一体化集成项目往往跨企业、跨行业，涉及技术领域众多，资金需求量大，在我国没有明确政策和规范的条件下，研究力量和投入不够集中，国际化专家和人才少，行业间合作瓶颈难以突破。如果政府不能出台鼓励政策，与企业共担风险，企业开展相关工作将缺乏动力和资金支持。建议国家进一步推出鼓励CCS集成示范的补贴和税收优惠，促进相关产业的发展和成熟，提高中国CCS产业的竞争力。

（2）重视国际合作和技术研发，降低高昂的成本。经济效益是目前CCS技术发展的最大障碍。根据目前全球范围内CCS试验性项目的经济数据分析［10］，二氧化碳捕集成本占CCS整个工艺流程的90%，约耗费50～90欧元／t CO2，并且还需增加10%～40%的能源消耗量。欧盟各国目前是CCS技术的领跑者和拥有者，至2015年，欧洲将开展10多个示范性先导项目，并在2020～2030年间，将该技术实现商业化。虽然目前CCS发展中尚存在着巨大的挑战与不确定性，但是我国必须重视CCS的技术研发与国际合作，持续关注联合国气候变化会议的焦点，不断追踪最新CCS技术进展，适时开展国际合作，加强相关技术和装备制造的国产化率，以期降低捕集成本，在国际外交和科技竞争中处于主动地位。

［1］Mckinsey.CO2abatement：Exploring potions for oil and natural gas companies，2009，11.

［2］国内首份行业二氧化碳排放量名单公布［R］.北京：中国环境保护产业协会.

［3］碳减排：美国倚重CCS技术［N］.中国化工报，2010－8－26.

［4］曾 庆，郭印诚，牛振祺，等.氨法捕集烟道气二氧化碳的研究［C］／／中国金属学会.2010年全国能源环保生产技术会议文集.九江：中国金属学会，2010.

［5］蔡清峰，李有刚，张 林.膜技术用于CO2回收和捕集的研究进展。广州化工，2010，38（9）.

［6］Huang Bin，Xu Shisen，Gao Shiwang，et.Industrial test and techno－economic analysis of CO2capture in Huaneng Beijing coalfired power station.Applied Energy，2010（87）：3347～3354.

［7］佚 名.全球最大的燃煤电厂碳捕获项目落户上海［J］.电力建设，2009（9）：95.

［8］吴秀章，崔永君.神华10万t／a CO2盐水层封存研究［J］.石油学报，2010，10（增刊）.

［9］张丽君.二氧化碳捕集与地下埋存国际进展［J］.国土资源情报，2007（11）：16～21.

［10］PROJECT INFORMATION DOSSIER：Lacq CO2Capture and Geological Storage Pilot Project，Total http：／／www.total.com／en／corporate－social－responsibility／special－reports／capture／lacq－pilot－stakeholderconsultation／carbon－dioxide－storage－total－lacq－＿14131.htm.