多维度视角下CO2捕集利用与封存技术的代际演变与预设
作者简介:
李 琦（1972—），男，研究员. 研究方向：CO2地质封存与碳中和技术研究. E-mail：qli@whrsm.ac.cn
李琦, 中国科学院武汉岩土力学研究所研究员，中国科学院海外杰出引进人材。任《 Environmental Geotechnics》《 Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》 《岩土力学》《工程地质学报》等编委，国际数学地球科学协会终身会员，国际标准化委员会二氧化碳捕集、运输和地质封存工作委员会（ISO/TC 265）中国小组成员。已经申请/授权国家发明专利30余项，主/参编ISO、国家行业标准、指南等8项，发表学术论文200余篇。2000年以来，一直从事二氧化碳地质利用与封存（CCUS）、酸气回注（AGI）和能源碳中和等理论与技术研究。2017年和2020年2次获湖北省科技进步一等奖（排1和排3）；2018年获中澳二氧化碳地质封存杰出贡献奖。
通信作者:
Intergenerational Evolution and Presupposition of CCUS Technology from a Multidimensional Perspective
-
摘要: “双碳”目标背景下，亟需深刻了解CO2捕集利用与封存（CCUS）技术及其未来在中国发展的前景，从时间、空间以及技术链3个维度对CCUS的历史演变、现状以及未来发展趋势进行总结与展望很有必要且意义重大。时间维度上，CCUS技术可划分为技术孕育阶段（1950—1980年）、诞生与发展阶段（1980—1995年）、研发与示范阶段（1995—2020年）、实施阶段（2020—2030年）以及商业化阶段（2030—2050年）。空间维度上，CCUS商业化部署水平处于领先地位的国家主要分布在发展时间较长、整体研发水平较高的北美和欧洲地区，此外，中国、澳大利亚，沙特阿拉伯和巴西也进入了先进行列。技术链方面，CCUS技术可划分为3个代际：在捕集环节，第1代捕集技术可应用于电厂，第2代捕集技术面向电力与工业应用，第3代能耗、运行成本以及维护费用均能降低至第1代的50%左右。在输送环节，第1代CO2输送技术建立CO2流动模型，研究扩散规律，控制CO2腐蚀，优选管道材料，评估泄漏影响，开发监测报告核实工具等；第2代CO2输送技术集中于大规模管网开发、标准规范制定；第3代可应用于大规模国家和国际管网。在封存环节，第1代优先发展地质封存共性技术，第2代针对安全监测、风险管理优化，第3代侧重完整监测与补救措施。目前，中国CCUS总体水平处于研发和示范的初期阶段，与其他领先水平国家相比存在一定差距，应加强CCUS领域的国际合作与交流，引进和学习国外CCUS核心技术和实践工程经验，为未来中国大规模全流程CCUS项目的实施做好准备和铺垫。
-
关键词:
- CO2捕集利用与封存 /
- 减排技术 /
- 代际演变 /
- 技术预测 /
- 国际合作与交流
Abstract: For an in-depth understanding of CCUS and its future development in China, the historical evolution, status and future trend of CCUS were explained from the three dimensions of time, space, and technology chain. In terms of time dimension, from 1950 to 2050, it can be divided into technology incubation phase (1950—1980), formative and development phase (1980—1995), R & D and demonstration phase (1995—2020), implementation phase (2020—2030) and commercialization phase (2030—2050). In terms of spatial dimension, countries in the leading position of CCUS technology are mainly distributed in North America and Europe, where the development time is relatively long and the overall R & D level is relatively high. In addition, Australia, Saudi Arabia, Brazil and China have also entered advanced ranks of CCUS. In terms of technology chain, CCUS technology can be divided into three generations. In the capture section, the first-generation capture technologies can be applied to the power plants; the second-generation capture technologies are oriented to power and industrial plants; the energy consumption, operating cost and maintenance cost of the third generation can be reduced to about 50% of the first generation. In the transportation section, the first-generation of CO2 transport technology breaks through the lows of flow and diffusion, corrosion material control, leakage impact assessment, monitoring report and verification tools, etc.; the second generation focuses on the large-scale pipeline network development and standard formulation; the third generation can be applied to the large scale national and international pipe networks. In the storage section, the first generation prioritizes the development of common geological storage technologies; the second generation focuses on the safety monitoring and risk management and optimization; the third generation focuses on the complete monitoring and remedial measures. The overall level of CCUS in China is in the early stage of R & D and demonstration, and there is a certain gap between China and other leading countries. It is necessary to strengthen international cooperation and exchanges in the field of CCUS, introduce and learn CCUS core technologies and practical engineering experience, and prepare for the implementation of large-scale full-process CCUS projects in China in the future. -
根据最新联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）气候变化评估报告，全球气候变化的真实性已经被近年频发的极端气候灾害所证明[1]。温室气体对全球气候变化的影响已成为共识，而CO2作为最主要的温室减排气体也越发受到关注[2]。2020年，国际能源署（IEA）提出在实现全球2070年净零排放的可持续发展情景下，CO2捕集与封存是第4大技术贡献，约占累积减排量的15%[3]。2050年全球能源系统净零排放情景下，2030年全球CO2捕集量为16.7亿t/a，2050年为76亿t/a[4]。2011年9月22日，由中国科学技术部、国家发展和改革委员会联合举办的“碳收集领导人论坛（CSLF）”第4届部长级会议上，中国明确提出“携手推动下一个十年的碳捕集、利用和封存（carbon dioxide capture, utilization and storage, CCUS）的研究、示范与部署”，极大地丰富了CO2捕集与封存的主题和内涵。
2020年9月，中国国家主席习近平在第75届联合国大会宣布中国2030年前实现碳达峰和力争2060年前实现碳中和，这是中国对全球气候治理和落实《巴黎协定》的最大贡献。全球和中国碳中和愿景的逐渐明确及加快推进，使得CCUS的作用愈加凸显，其地位正在发生显著变化[5]。
CCUS是指将CO2从工业、能源利用或大气中分离出来，加以利用或注入地层以实现CO2永久封存的过程（图1）[5-6]。作为实现碳中和目标技术组合的重要构成部分，CCUS是中国实现碳中和目标的兜底技术，并将有效强化中国实现碳中和目标的经济性，同时在保障中国能源安全、促进绿色经济发展和提高生态环境综合治理能力方面具备较好的协同效益[7]。为有效把握中国CCUS技术现状和发展前景，从时间、空间以及技术链3个维度对CCUS的历史演变、现状以及未来发展趋势进行总结和概述很有必要。
1. 时间维度
CCUS技术正在经历从技术诞生、发展，到未来实现商业化的演变过程，其时间维度可以划分为5个阶段（图2）：技术孕育阶段、诞生与发展阶段、研发与示范阶段、实施阶段以及商业化阶段。
图 2 CCUS技术发展阶段Fig. 2 CCUS technology development stage
下载:
全尺寸图片
CCUS技术的孕育阶段始于20世纪50年代初。Whorton等于1952年获得了注入CO2提高采收率技术的第一个专利[8]。1964年，美国Mead Strawn油田首次实施了注CO2项目[8]。1972年，美国开始商业使用CO2注入强驱油技术，并在Kelly−Snyder油田实施了第1个CO2−EOR项目[8]。诞生与萌芽阶段开始于20世纪80年代：1988年，IPCC成立[9]；1989年，麻省理工学院发起了第1个碳捕集与封存技术项目[10]；1991年，国际能源署温室气体研究与开发计划（IEAGHG）项目机构成立[11]。这一系列事件标志着CCUS技术作为一项以封存CO2的方式来减少碳排放的新型技术就此诞生。自此，CCUS技术在全球范围内开始获得认可和受到重视，并开展了大量的研究。从1995年起，CCUS技术正式进入示范与研发阶段，自1996年挪威国家石油公司实施首个将CO2封存在地下咸水深层的Sleipner项目到现在为止，全球已建、在建和计划建设的CCUS项目（包括单一捕集、运输或封存环节项目和全流程项目）超过300个，其中大规模全流程项目有65个[12]。虽然，CCUS某些环节（如CO2捕集）的技术水平已经成熟，可进入商业化应用，但对于全流程链技术组合及整体运营的状态仍处于发展的初级阶段。IEA的 CCUS 技术路线图[13]提出的发展目标为，到2050年，在政府支持政策与手段（碳交易市场、碳税等）的基础上，CCUS技术可以在市场上具有成本竞争力，以此推动全流程一体化项目进入商业应用阶段[14]。
2. 空间维度
通过3个筛选标准在全球范围内对各国CCUS现阶段商业化水平进行评鉴（图3）： 1）是否有正在实施的CCUS示范项目；2）是否有正在实施的大规模全流程CCUS项目；3）是否已经制定了国家性CCUS发展规划（即CCUS技术路线图）。通过这些筛选标准，将32个有潜力发展CCUS技术的国家分为领先水平、中发展水平、低发展水平和待发展水平。
图 3 国家CCUS技术商业化水平筛选流程Fig. 3 Screening process of country CCUS technology commercial development level下载:
全尺寸图片
从区域分布（表1）来看，CCUS商业化水平处于领先地位的国家主要分布在发展时间较长、整体研发水平较高的北美和欧洲地区，此外，还有中国、澳大利亚、沙特阿拉伯和巴西也进入了CCUS先进行列。以上这些国家运行着所有26个处于现役状态的大规模全流程CCUS项目，其工程经验均与石油、天然气开采领域直接相关，规模在百万吨以上，已达到工业化的生产能力[12]。CCUS项目得以顺利运营也得益于所在国CCUS技术路线图较早、科学的制定。以美国为例，美国能源部（DOE）国家能源技术实验室（NETL）于2002年制定了美国第1个CCUS技术路线图，并定期更新。2013年9月，美国更新路线图发布，旨为美国解决关键技术及其他实施障碍，以促使CCUS在2030年前后在美国范围内具有商业化的可能性[14]。2019年，美国发布大规模部署CCUS路线图。此外，欧洲的荷兰、法国等，亚洲的日本、韩国、印度，中东的阿联酋，以及非洲的南非和阿尔及利亚还处于CCUS技术正在发展的阶段。而西班牙、意大利等国，因缺少CCUS全流程项目或国家性指导规划，被划分为待发展国家。
表 1 CCUS技术发展现状Table 1 CCUS technology development status地区 国家 是否有R & D
CCUS项目是否有商业
CCUS项目项目是否处于现役状态
（商业化部署运行和
建设）或已完成是否制定国家性
的CCUS路线图CCUS发展水平 北美[15] 美国 Y Y Y Y 领先水平 加拿大 Y Y Y Y 领先水平 欧洲[15−17] 挪威 Y Y Y Y 领先水平 英国 Y Y N Y 中发展水平 荷兰 Y Y N Y 中发展水平 丹麦 Y Y Y 未见报道 中发展水平 爱尔兰 N Y N N 中发展水平 西班牙 Y N N N 待发展水平 意大利 Y N N N 待发展水平 法国 Y N N N 待发展水平 德国 Y N N N 待发展水平 罗马尼亚 N N N Y 低发展水平 波兰 N N N Y 低发展水平 希腊 N N N Y 低发展水平 俄罗斯 N N N N 待发展水平 瑞典 Y N N 未见报道 待发展水平 冰岛 Y N N 未见报道 待发展水平 克罗地亚 Y N N 未见报道 待发展水平 比利时 Y N N 未见报道 待发展水平 大洋洲[15−17] 澳大利亚 Y Y Y Y 领先水平 新西兰 Y Y N N 中发展水平 亚洲[15,18] 中国 Y Y Y Y 领先水平 韩国 Y Y N Y 中发展水平 卡塔尔 N Y Y 未见报道 中发展水平 日本 Y N N Y 低发展水平 印度尼西亚 Y N N Y 低发展水平 印度 Y N N N 待发展水平 中东[15] 沙特阿拉伯 N Y Y Y 领先水平 阿联酋 N Y Y 未见报道 中发展水平 南美[15] 巴西 Y Y Y Y 领先水平 非洲[15] 阿尔及利亚 N Y Y 未见报道 中发展水平 南非 Y N N Y 低发展水平 注：1.不包括针对欧盟范围制定的CCUS路线图。2.商业CCUS设施满足以下条件：1）作为当前商业运行的一部分，捕集CO2并进行永久 封存；2）封存工作可由第三方或捕集设施的所有者承担；3）一般来说，其经济寿命与所捕集CO2的来源设施相关；4）运行必须产 生商业回报及（或）满足监管要求[12]。3.数据截止到2021年8月。 对于所有具备CCUS发展潜力的国家，其驱动力不仅来源于改善全球气候变化以及承担碳减排任务，而且与保障本国能源可持续发展的需求密不可分。具体来说，国家能源发展的强可持续性（strong sustainability）[19]首先要确保能源供应的安全性。绝大多数大力发展CCUS的国家（如美国、中国、澳大利亚等）的电力行业对传统化石能源，特别是煤的依赖度颇高（表2）[20]，并在短时间内至少在未来的几十年内很难改变[21]，因此，需要通过CCUS技术对电力等能源部门进行减碳，以保证能源链的稳定性；其次，因为英国、挪威等国家多为气候变化灾害发生（或未来发生）的高频地区，因此这些国家还要满足区域环境的诉求；再者，能源可持续也意味着要不断提高本国低碳能源技术的竞争力，从而谋求未来CCUS产业成熟后技术输出以及行业市场的领导地位。
3. 技术代际
CCUS是一个系统技术工程，包括CO2捕集、运输、利用与封存3个环节（图1）。传统CCUS从化石燃料利用及工业过程捕集CO2，近年来生物质能碳捕集与封存 （BECCS）、直接空气碳捕集与封存（DACCS）作为负碳技术受到了高度重视，也纳入了CCUS的范畴。BECCS是指将生物质燃烧或转化过程中产生的CO2进行捕集、利用或封存的过程，DACCS则是直接从大气中捕集CO2，并将其利用或封存的过程。利用与封存环节包括化工利用、生物利用、地质利用与封存，本文仅讨论地质利用与封存。
3.1 捕集
CO2捕集技术是指将工业过程中产生的CO2进行分离和捕集，或者将氧气从空气中分离后用于富氧燃烧，提高烟气中CO2浓度，继而降低其捕集难度及能耗的技术。根据CO2从能源系统中分离过程和集成方式的不同，可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集（图4）。CO2的分离方法有化学吸收法（本菲尔法、甲基二乙醇胺法）、吸附法（变压、变温）、物理吸收法（聚乙二醇二甲醚法、低温甲醇洗法）和膜分离等[10,22-24]。
捕集过程的高能耗（因为增加了30%的燃料供应）、高成本，以及捕集溶剂使用后的残留废弃物处理等问题是现阶段捕集技术面临的主要挑战[23]。因此，根据技术能耗与成本发展趋势，2013年碳封存领导人论坛（CSLF）发布CO2捕集与封存技术路线图，将CO2捕集技术划分为3个代际：第1代技术是指已可应用于大规模CO2捕集与封存项目的首批技术集群；第2代技术（2020—2030年）是指基于第1代技术概念和技术设备进行一定程度的改进和优化的系统技术，从而降低能耗以及CO2捕集与封存成本；第3代技术（2030—2050年）是指一系列明显区别于第1代CO2捕集与封存技术的新型技术及优选工艺方案，如表3所示。
机理[25] 第1代技术[18] 第2、3代技术[18] 实施障碍[26−27] 燃烧前捕集 将燃料通过气化反应生成合成气（H2和CO），然后进一步通过变换反应将CO和H2O转换成H2和CO2，变换后再通过物理吸收工艺将CO2分离，典型代表为整体煤气化联合循环发电技术（IGCC） 先进CO2吸收剂和固体吸附剂
低温法空气分离装置氧气与合成气膜分离法
低NOx富氢燃机
根据醇胺溶液及混合胺作用机理，开发新型活化剂和高效吸收溶剂缺乏大型IGCC系统集成
优化技术
燃煤负载发电操作可行
性较低
缺乏商业担保富氧
捕集燃料在富氧（或纯氧） 和二氧化碳的混合气体中燃烧，燃烧产物经过冷却后二氧化碳含量在80% ～ 98%。目前， 富氧燃烧还处于实验研究阶段，应用于工业生产的条件还不成熟 低温法空气分离装置
深冷净化工艺
烟气再循环工艺新型高效分离技术，如新型膜
材料
优化锅炉系统
燃气轮机富氧燃烧室优化设计
化学链燃烧–化学链技术和新型载氧体制氧工艺能耗较高
需进一步优化全流程系统耦合
缺乏商业担保燃烧后捕集 从化石燃料燃烧后的烟气中分离捕集CO2 烟道气CO2分离
CO2吸收或物理
吸附技术新型吸收剂
第2、3代胺基复合吸收剂
新型氨吸收剂
高效固体吸附技术
新一代膜材料
CO2水合物法
深冷技术缺乏烟气净化系统的规模集成经验
吸收剂处置相关的健康、安全与环境问题
遗留在CO2流中的吸收剂
烟气污染物
能耗与水耗目前，第1代捕集技术已在电厂获得了商业应用，积累了大量实践工程经验；到2030年，面向电力与工业应用的第2代捕集技术目标可以在第1代技术能耗水平的基础上降30%（主要集中在CO2分离与CO2压缩单元的研发与优化），降低运营成本和维护费用；识别和发展第3代技术，使能耗、运行成本以及维护费用均能降低至第1代的50%左右[18]。
3.2 输送
目前，CO2运输技术发展较为成熟，主要有管道、船舶、罐车运输3种方式。管道运输是将CO2施加8×106 Pa以上的压力进行压缩，以液态或超临界态输送。管道适合远距离运输（通常大于1 000 km），并且运输量大，是一项成熟的市场技术，常用于CO2–EOR。罐车和船舶运输类似于液化石油气的运输，其适合少量CO2运输，大规模使用不具有经济性[9,28]。
第1代CO2运输技术的突破点包括建立CO2流动模型，研究扩散规律；针对CO2腐蚀控制和管道材料优选，研究CO2流动特性及杂质对管道材料的影响；研究CO2泄漏对环境的影响，开发监测、上报、验证（MRV）工具。第2代CO2运输技术主要集中于大规模区域型的CO2运输管网和基础设施的设计、CO2运输工艺标准和规范制定。第3代运输技术可应用于大规模国家和国际CO2运输管网及基础设施的设计要求，从而形成成熟的管道运输体系[18,29]。
3.3 利用与封存
CO2地质利用与封存是指将CO2注入条件适宜的地层，强化油、气、水、热等资源开采并实现CO2永久封存的过程。主要包括强化采油、强化开采甲烷（CH4）、浸采采矿与原位矿化、采热、强化咸水开采与封存技术等5大类（图5）[30]。这些类别的划分是随着对技术认知的不断提高，从地质封存概念演化而来的。注入到地下深部含水层或油气层的CO2，通过部分置换储层流体来挤占并充满岩石中的孔隙，其上覆盖层可确保CO2长期滞留在储层内，并随着时间发生化学反应生成碳酸盐矿物质，从而实现永久封存[2]。封存深度一般在800 m以下，以保证温压条件使CO2处于高密度的液态或超临界状态。CO2封存机理为储层的物理和（或）化学俘获，主要包括构造和地层圈闭、残余圈闭、吸附圈闭、溶解圈闭和矿化圈闭5种机制。
下载:
全尺寸图片
随着对技术认知的加深，最初的地质封存概念已演化为CO2驱水或具有驱水理念的CO2地质封存技术，深部咸水层封存最具有应用潜力[25,31-35]。当油气藏开采到没有经济价值时，CO2强化采油、强化天然气开采技术转化为枯竭油气藏CO2地质封存，注入后的CO2以各种圈闭方式被封存在地层中。
与其他技术环节不同，每个封存场地都具有独特的地质特性，这也意味着封存场地风险管理对场地条件的依存度很高，不能进行简单的归一化，但也有共性的部分。目前，CO2地质利用与封存在场地表征与筛选、大规模CO2注入、深部CO2运移监测、规模化封存的安全与风险评估仍需要深入研究和大规模工程验证。
第1代封存技术通过成熟度较高的驱油封存或具有一定技术储备的咸水层封存示范，发展地质封存共性技术，如封存机理、场地表征筛选、杂质气体的影响评价、地质封存潜力与适宜性评价、封存容量和注入性及试验与模拟技术等；第2代封存技术主要针对注入储层的数百万吨CO2进行安全监测、评价及风险管理的技术优化[36]，发展CO2泄漏的应急与补救技术。第3代封存技术侧重研发完整的监测系统与补救措施，建立标准化体系，使其适用于商业应用[2,18,37-38]。
4. 展 望
中国CCUS理论封存潜力巨大，约为1.21万亿t～4.13万亿t，未来减排需求与减排潜力大，碳中和目标下，2060年需要通过CCUS技术实现CO2的减排量为10亿t～18亿t，从源汇匹配情况看，2060年CCUS技术可提供的碳减排潜力可达6亿t～21亿t，基本可以满足实现碳中和目标的需求[5]。
中国CCUS技术研发主要以政府指导、企业为实施主体，科研单位和高等院校共同参与的方式进行。中国CCUS技术研发的起步晚于英、美等发达国家，但近十几年发展态势跌宕起伏。近年，中国CCUS各环节均取得了显著进展，与国外相比，中国整体技术发展水平相当且部分技术处于优势，但关键技术仍存在差距，总体水平还处于研发和示范的初期阶段，与CCUS领先水平国家存在一定差距。
中国CO2地浸采铀技术已成熟，并实现工业应用水平，但是减排潜力较小。CO2驱油技术在美国等发达国家已经实现广泛商业化，中国吉林油田等地开展了工业化应用，胜利油田百万吨驱油封存项目正在建设中，驱油封存是中国未来一段时间内CO2地质利用与封存技术主要增长点。中国松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地的大中型油气田具有较大的CO2驱油发展潜力。中国咸水层的理论封存容量占中国地质利用与封存理论封存容量的95%以上，目前中国该技术发展水平已经趋于成熟，但是尚无大规模工业示范项目，未来在西北富煤乏水地区具有良好的早期示范机会和广泛应用前景。中国CO2强化开采甲烷技术与采热总体发展缓慢，仅CO2驱替煤层气处于小规模现场示范阶段，其他均处于基础研究或理论探索阶段。
由于中国CCUS各环节关键技术成熟度不足及成本偏高，CCUS技术的商业化进程较为缓慢，尚未能发挥其大规模减排及在能源经济中的支撑作用。这就要求中国在加大CCUS技术自主研发力度的同时，需要加强CCUS领域的国际合作与交流，引进和学习国外CCUS核心技术和实践工程经验，为未来中国大规模全流程CCUS项目的实施做好准备和铺垫。特别重要的是，随着中国“双碳”目标的制定和实施，CCUS技术作为兜底技术，有望全面部署和迅猛发展（表4）[30]。
表 4 国际形势和国内政策对中国CCUS发展的影响[30]Table 4 Impact of the international situation and national policies on the development of China’s CCUS[30]年份 政策 项目 标准、指南、路线图 2003 — 大庆油田CO2–EOR投运，2021年规模为2×105 t/a — 2006 国家重点基础研究发展计划“十一五”发展纲要 — — 2007 中国应对气候变化国家方案 — — 2008 中国应对气候变化的政策与行动 首个燃煤电厂碳捕集示范项目投运——华能高碑店3×104 t/a燃烧后捕集，吉林油田CO2–EOR项目投运，2021年规模约为3.5×105 t/a — 2009 — 华能石洞口电厂1.2×105 t/a燃烧后捕集投运 — 2010 — 重庆双槐电厂1×104 t/a燃烧后捕集投运，胜利电厂4×104 t/a CO2–EOR项目投运 — 2011 国家“十二五”科学和技术发展规划 首个全流程CCUS项目投运 —— 国家能源集团1×105 t/a咸水层封存，2016年完成注入3×105 t目标，停止注入，华能连云港清洁能源动力系统研究设施投运，规模3×104 t/a 中国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术发展路线图研究 2012 国家“十二五”应对气候变化科技发展专项规划，工业领域应对气候变化行动方案（2012—2020年） 天津北塘热电厂2×104 t/a燃烧后捕集投运 — 2013 战略性新兴产业重点产品和服务指导目录， 关于推动碳捕集、利用和封存试验示范的通知，国家重大科技基础设施建设中长期计划（2012—2030），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 延长油田5×104 t/a CO2–EOR投运 — 2014 国家应对气候变化规划（2014—2020年），国家能源局、环境保护部、工业和信息化部关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见，中美气候变化联合声明 华中科技大学1×105 t/a富氧燃烧捕集投运 — 2015 煤炭清洁高效利用行动计划（2015—2020年），国家重点推广的低碳技术目录（第二批） 克拉玛依敦华石油–新疆油田1×105 t/a CO2–EOR投运 中国CCS技术路线图（亚洲开发银行） 2016 “十三五”国家科技创新规划，“十三五”控制温室气体排放工作方案 — 二氧化碳捕集、利用和封存环境风险评估技术指南（试行），JB/T 12909—2016燃煤烟气CO2捕集装备 2017 “十三五”应对气候变化科技创新专项规划， 国家重点节能低碳技术推广目录，亚行关于支持中国大规模碳捕集与封存示范技术援助项目谅解备忘录 长庆油田5×104 t/a CO2–EOR投运 — 2018 — 海螺集团白马山水泥厂5×104 t/a燃烧前捕集投运 GB/T 51316—2018烟气二氧化碳捕集纯化工程设计标准，SH/T 3202—2018 二氧化碳输送管道工程设计标准，JB/T 13413—2018燃煤烟气二氧化碳储存装备 2019 — 华润集团海丰碳捕集测试平台投运，规模2×104 t/a 中国碳捕集利用与封存技术发展路线图 2021 中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见，2030年前碳达峰行动方案 锦界电厂1×105 t/a燃烧后捕集投运，胜利油田1×106 t CO2–EOR建设中 — -
图 2 CCUS技术发展阶段
Fig. 2 CCUS technology development stage
下载:
全尺寸图片
图 3 国家CCUS技术商业化水平筛选流程
Fig. 3 Screening process of country CCUS technology commercial development level
下载:
全尺寸图片
下载:
全尺寸图片
表 1 CCUS技术发展现状
Table 1 CCUS technology development status
地区 国家 是否有R & D
CCUS项目是否有商业
CCUS项目项目是否处于现役状态
（商业化部署运行和
建设）或已完成是否制定国家性
的CCUS路线图CCUS发展水平 北美[15] 美国 Y Y Y Y 领先水平 加拿大 Y Y Y Y 领先水平 欧洲[15−17] 挪威 Y Y Y Y 领先水平 英国 Y Y N Y 中发展水平 荷兰 Y Y N Y 中发展水平 丹麦 Y Y Y 未见报道 中发展水平 爱尔兰 N Y N N 中发展水平 西班牙 Y N N N 待发展水平 意大利 Y N N N 待发展水平 法国 Y N N N 待发展水平 德国 Y N N N 待发展水平 罗马尼亚 N N N Y 低发展水平 波兰 N N N Y 低发展水平 希腊 N N N Y 低发展水平 俄罗斯 N N N N 待发展水平 瑞典 Y N N 未见报道 待发展水平 冰岛 Y N N 未见报道 待发展水平 克罗地亚 Y N N 未见报道 待发展水平 比利时 Y N N 未见报道 待发展水平 大洋洲[15−17] 澳大利亚 Y Y Y Y 领先水平 新西兰 Y Y N N 中发展水平 亚洲[15,18] 中国 Y Y Y Y 领先水平 韩国 Y Y N Y 中发展水平 卡塔尔 N Y Y 未见报道 中发展水平 日本 Y N N Y 低发展水平 印度尼西亚 Y N N Y 低发展水平 印度 Y N N N 待发展水平 中东[15] 沙特阿拉伯 N Y Y Y 领先水平 阿联酋 N Y Y 未见报道 中发展水平 南美[15] 巴西 Y Y Y Y 领先水平 非洲[15] 阿尔及利亚 N Y Y 未见报道 中发展水平 南非 Y N N Y 低发展水平 注：1.不包括针对欧盟范围制定的CCUS路线图。2.商业CCUS设施满足以下条件：1）作为当前商业运行的一部分，捕集CO2并进行永久 封存；2）封存工作可由第三方或捕集设施的所有者承担；3）一般来说，其经济寿命与所捕集CO2的来源设施相关；4）运行必须产 生商业回报及（或）满足监管要求[12]。3.数据截止到2021年8月。 国家 美国 南非 日本 澳大利亚 中国 波兰 德国 印度 燃煤比例/% 18 84 30 54 63 70 24 72 表 3 CO2捕集技术机理与代际研发重点[18,25−27]
Table 3 CO2 capture technology mechanism and development focus of intergenerational research[18,25−27]
机理[25] 第1代技术[18] 第2、3代技术[18] 实施障碍[26−27] 燃烧前捕集 将燃料通过气化反应生成合成气（H2和CO），然后进一步通过变换反应将CO和H2O转换成H2和CO2，变换后再通过物理吸收工艺将CO2分离，典型代表为整体煤气化联合循环发电技术（IGCC） 先进CO2吸收剂和固体吸附剂
低温法空气分离装置氧气与合成气膜分离法
低NOx富氢燃机
根据醇胺溶液及混合胺作用机理，开发新型活化剂和高效吸收溶剂缺乏大型IGCC系统集成
优化技术
燃煤负载发电操作可行
性较低
缺乏商业担保富氧
捕集燃料在富氧（或纯氧） 和二氧化碳的混合气体中燃烧，燃烧产物经过冷却后二氧化碳含量在80% ～ 98%。目前， 富氧燃烧还处于实验研究阶段，应用于工业生产的条件还不成熟 低温法空气分离装置
深冷净化工艺
烟气再循环工艺新型高效分离技术，如新型膜
材料
优化锅炉系统
燃气轮机富氧燃烧室优化设计
化学链燃烧–化学链技术和新型载氧体制氧工艺能耗较高
需进一步优化全流程系统耦合
缺乏商业担保燃烧后捕集 从化石燃料燃烧后的烟气中分离捕集CO2 烟道气CO2分离
CO2吸收或物理
吸附技术新型吸收剂
第2、3代胺基复合吸收剂
新型氨吸收剂
高效固体吸附技术
新一代膜材料
CO2水合物法
深冷技术缺乏烟气净化系统的规模集成经验
吸收剂处置相关的健康、安全与环境问题
遗留在CO2流中的吸收剂
烟气污染物
能耗与水耗表 4 国际形势和国内政策对中国CCUS发展的影响[30]
Table 4 Impact of the international situation and national policies on the development of China’s CCUS[30]
年份 政策 项目 标准、指南、路线图 2003 — 大庆油田CO2–EOR投运，2021年规模为2×105 t/a — 2006 国家重点基础研究发展计划“十一五”发展纲要 — — 2007 中国应对气候变化国家方案 — — 2008 中国应对气候变化的政策与行动 首个燃煤电厂碳捕集示范项目投运——华能高碑店3×104 t/a燃烧后捕集，吉林油田CO2–EOR项目投运，2021年规模约为3.5×105 t/a — 2009 — 华能石洞口电厂1.2×105 t/a燃烧后捕集投运 — 2010 — 重庆双槐电厂1×104 t/a燃烧后捕集投运，胜利电厂4×104 t/a CO2–EOR项目投运 — 2011 国家“十二五”科学和技术发展规划 首个全流程CCUS项目投运 —— 国家能源集团1×105 t/a咸水层封存，2016年完成注入3×105 t目标，停止注入，华能连云港清洁能源动力系统研究设施投运，规模3×104 t/a 中国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术发展路线图研究 2012 国家“十二五”应对气候变化科技发展专项规划，工业领域应对气候变化行动方案（2012—2020年） 天津北塘热电厂2×104 t/a燃烧后捕集投运 — 2013 战略性新兴产业重点产品和服务指导目录， 关于推动碳捕集、利用和封存试验示范的通知，国家重大科技基础设施建设中长期计划（2012—2030），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 延长油田5×104 t/a CO2–EOR投运 — 2014 国家应对气候变化规划（2014—2020年），国家能源局、环境保护部、工业和信息化部关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见，中美气候变化联合声明 华中科技大学1×105 t/a富氧燃烧捕集投运 — 2015 煤炭清洁高效利用行动计划（2015—2020年），国家重点推广的低碳技术目录（第二批） 克拉玛依敦华石油–新疆油田1×105 t/a CO2–EOR投运 中国CCS技术路线图（亚洲开发银行） 2016 “十三五”国家科技创新规划，“十三五”控制温室气体排放工作方案 — 二氧化碳捕集、利用和封存环境风险评估技术指南（试行），JB/T 12909—2016燃煤烟气CO2捕集装备 2017 “十三五”应对气候变化科技创新专项规划， 国家重点节能低碳技术推广目录，亚行关于支持中国大规模碳捕集与封存示范技术援助项目谅解备忘录 长庆油田5×104 t/a CO2–EOR投运 — 2018 — 海螺集团白马山水泥厂5×104 t/a燃烧前捕集投运 GB/T 51316—2018烟气二氧化碳捕集纯化工程设计标准，SH/T 3202—2018 二氧化碳输送管道工程设计标准，JB/T 13413—2018燃煤烟气二氧化碳储存装备 2019 — 华润集团海丰碳捕集测试平台投运，规模2×104 t/a 中国碳捕集利用与封存技术发展路线图 2021 中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见，2030年前碳达峰行动方案 锦界电厂1×105 t/a燃烧后捕集投运，胜利油田1×106 t CO2–EOR建设中 — -
[1] Masson–Delmotte V,Zhai P,Pirani A,et al.Climate change 2021:The physical science basis Summary for policymakers[R].Geneva:IPCC,2021. [2] Agency I E.Transforming industry through CCUS[M].Paris:IEA,2019. [3] IEA.Energy technology perspectives 2020—special report on carbon capture utilisation and storage[M].Paris:IEA,2020. [4] IEA.Net zero by 2050:A roadmap for the global energy sector[R].Paris:International Energy Agency,2021. [5] 生态环境部环境规划院,中国科学院武汉岩土力学研究所,中国21世纪议程管理中心.中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)—中国CCUS路径研究[R].北京:生态环境部,2021. CAEP,IRSM–CAS,ACCA21.China status of CO2 capture,utilization and storage(CCUS) 2021—China’s CCUS pathways[R].Beijing:Chinese Academy of Environmental Planning,2021. [6] 科技部社会发展科技司,中国21世纪议程管理中心.中国碳捕集利用与封存(CCUS)技术评估报告[R].北京:中国21世纪议程管理中心,2021. [7] 张贤.碳中和目标下中国碳捕集利用与封存技术应用前景[J].可持续发展经济导刊,2020(12):22–24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WTOK202012008.htm Zhang Xian.The application prospect of CCUS in China under the target of carbon neutrality[J].China Sustainability Tribune,2020(12):22–24 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WTOK202012008.htm [8] Stalkup F I.Carbon dioxide miscible flooding:Past,present,and outlook for the future[J].Journal of Petroleum Technology,1978,30(8):1102–1112. doi: 10.2118/7042-pa [9] Intergovernmental Panel on Climate Change.About IPCC [EB/OL].[2021−12−25].https://www.ipcc.ch/about/. [10] 柴俊.碳捕获与封存技术的开发现状与发展策略研究[D].杭州:浙江工业大学,2013. Chai Jun.Research on carbon capture and storage development status and strategies[D].Hangzhou:Zhejiang University of Technology,2013. [11] Who are IEAGHG?[EB/OL].[2021−12−25].https://ieaghg.org/about-us/what-do-we-do. [12] Global CCS Institute.The global status of CCS:2020[R].Melbourne:GCCSI,2020. [13] International Energy Agency(IEA).Technology roadmap:Carbon capture and storage 2013 edition[R].Paris:International Energy Agency,2013. [14] Aswathanarayana U.Deployment and role of technology learning[M]//Green Energy Technology,Economics and Policy.Vienna:CRC Press.2010:230–235. [15] 李琦,陈征澳,张九天,等.中国CCUS技术路线图未来版的(更新)启示—基于世界CCS路线图透视的分析[J].低碳世界,2014(13):7–8. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DTSJ201413005.htm Li Qi,Chen Zheng’ao,Zhang Jiutian,et al.Inspiration to a future update of CCUS technology roadmap in China—Based a synthetic analysis on global CCS roadmaps[J].Low Carbon World,2014(13):7–8 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DTSJ201413005.htm [16] IEA,UNIDO.Carbon capture and storage in industrial applications[R].Paris:OECD,IEA,2012. [17] Rübbelke D,Vögele S.Time and tide wait for no man pioneers and laggards in the deployment of CCS[J].Energy Conversion and Management,2014,83:330–336. doi: 10.1016/j.enconman.2014.03.074 [18] CSLF.Carbon sequestration leadership forum technology roadmap 2013[R].Washington:CSLF,2013. [19] 诸大建.超越增长:可持续发展经济学如何不同于新古典经济学[J].学术月刊,2013,45(10):79–89. doi: 10.19862/j.cnki.xsyk.2013.10.011 Zhu Dajian.Beyond growth:What are differences between sustainable development economics and neoclassical economics[J].Academic Monthly,2013,45(10):79–89 doi: 10.19862/j.cnki.xsyk.2013.10.011 [20] BP.BP Statistical Review of World Energy July 2021[EB/OL].[2021−12−25].http://www.bp.com/statisticalreview. [21] 陈征澳,李琦,张贤.欧洲能源复兴计划CCS示范项目实施进展与启示[J].中国人口·资源与环境,2013,23(10):81–86. doi: 10.3969/j.issn.1002-2104.2013.10.012 Chen Zheng’ao,Li Qi,Zhang Xian,et al.The implementation of European energy programme for recovery CCS demonstration projects and inspirations to China[J].China Population Resources and Environment,2013,23(10):81–86 doi: 10.3969/j.issn.1002-2104.2013.10.012 [22] 于方,宋宝华.二氧化碳捕集技术发展动态研究[J].中国环保产业,2009(10):27–30. doi: 10.3969/j.issn.1006-537 Yu Fang,Song Baohua.Study on development trend of CO2 capture technology[J].China Environmental Protection Industry,2009(10):27–30 doi: 10.3969/j.issn.1006-537 [23] 刘鸿志.对我国二氧化碳捕集利用与封存环境管理的思考[J].环境保护,2013,41(11):36–38. doi: 10.14026/j.cnki.0253-9705.2013.11.018 Liu Hongzhi.Thinking about the environmental management of carbon dioxide capture and utilization and storage in China[J].Environmental Protection,2013,41(11):36–38 doi: 10.14026/j.cnki.0253-9705.2013.11.018 [24] APGTF.Cleaner fossil power generation in the 21st century-maintaining a leading role[R/OL].[2021−12−25].http://www.apgtf-uk.com. [25] 韩东升,任吉萍,吴干学,等.碳捕获与封存技术综述[J].四川化工,2012,15(2):17–21. doi: 10.3969/j.issn.1672-4887.2012.02.009 Han Dongsheng,Ren Jiping,Wu Ganxue,et al.Overview of carbon capture and storage technology[J].Sichuan Chemical Industry,2012,15(2):17–21 doi: 10.3969/j.issn.1672-4887.2012.02.009 [26] 鹿雯.二氧化碳捕集技术进展研究[J].环境科学与管理,2017,42(4):84–88. doi: 10.3969/j.issn.1673-1212.2017.04.019 Lu Wen.Review on progress of carbon dioxide capture technology[J].Environmental Science and Management,2017,42(4):84–88 doi: 10.3969/j.issn.1673-1212.2017.04.019 [27] 肖远牲,刘光全,尹先清.二氧化碳捕集技术及机理研究进展[J].化工中间体,2012,9(10):1–5. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZJTY201210002.htm Xiao Yuansheng,Liu Guangquan,Yin Xianqing.Update progress in carbon capture technology and mechanism research[J].Chemical Intermediates,2012,9(10):1–5 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZJTY201210002.htm [28] 张鸿翔,李小春,魏宁.二氧化碳捕获与封存的主要技术环节与问题分析[J].地球科学进展,2010,25(3):335–340. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXJZ201003016.htm Zhang Hongxiang,Li Xiaochun,Wei Ning.The major technology track and analysis about carbon dioxide capture and storage[J].Advances in Earth Science,2010,25(3):335–340 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXJZ201003016.htm [29] 科技部社会发展科技司,中国21世纪议程管理中心.中国碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展路线图研究[R].北京:中国21世纪议程管理中心,2011. Department of science and technology for social development of ministry of science and technology of the people’s republic of China,ACCA21.Technical roadmap research on the development of carbon capture,utilization and storage (CCUS) technology in China[R].Beijing:ACCA21,2011. [30] 中国二氧化碳地质封存环境风险研究组.中国二氧化碳地质封存环境风险评估培训教材[M].北京:化学工业出版社,2017. [31] 李琦,魏亚妮.二氧化碳地质封存联合深部咸水开采技术进展[J].科技导报,2013,31(27):65–70. doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2013.27.010 Li Qi,Wei Yani.Progress in combination of CO2 geological storage and deep saline water recovery[J].Science & Technology Review,2013,31(27):65–70 doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2013.27.010 [32] 李小春,刘延锋,白冰,等.中国深部咸水含水层CO2储存优先区域选择[J].岩石力学与工程学报,2006,25(5):963–968. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2006.05.015 Li Xiaochun,Liu Yanfeng,Bai Bing,et al.Ranking and screening of CO2 saline aquifer storage zones in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(5):963–968 doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2006.05.015 [33] 李小春,张九天,李琦,等.中国碳捕集、利用与封存技术路线图(2011版)实施情况评估分析[J].科技导报,2018,36(4):85–95. doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2018.04.013 Li Xiaochun,Zhang Jiutian,Li Qi,et al.Implementation status and gap analysis of China’s carbon dioxide capture,utilization and geological storage technology roadmap (2011 edition)[J].Science & Technology Review,2018,36(4):85–95 doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2018.04.013 [34] Liu Hejuan,Pattrick W,Li Qi,et al.Worldwide status of CCUS technologies and their development and challenges in China[J].Geofluids,2017,2017:1–25. doi: 10.1155/2017/6126505 [35] Xie Heping,Li Xiaochun,Fang Zhiming,et al.Carbon geological utilization and storage in China:Current status and perspectives[J].Acta Geotechnica,2014,9(1):7–27. doi: 10.1007/s11440-013-0277-9 [36] 李琦,刘桂臻,张建,等.二氧化碳地质封存环境监测现状及建议[J].地球科学进展,2013,28(6):718–727. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2013.06.0718 Li Qi,Liu Guizhen,Zhang Jian,et al.Status and suggestion of environmental monitoring for CO2 geological storage[J].Advances in Earth Science,2013,28(6):718–727 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2013.06.0718 [37] 魏凤,李小春,刘玫,等.CCS国际标准化进展剖析及对我国的启示[J].科技管理研究,2014,34(6):201–205. doi: 10.3969/j.issn.1000-7695.2014.06.041 Wei Feng,Li Xiaochun,Liu Mei,et al.Current status of CCS international standardization activities and its suggestions for China[J].Science and Technology Management Research,2014,34(6):201–205 doi: 10.3969/j.issn.1000-7695.2014.06.041 [38] Li Qi,Liu Guizhen.Risk assessment of the geological storage of CO2:A review[M]//Geologic Carbon Sequestration:Understanding Reservoir Behavior.New York:Springer,2016:249–284.
