【6·5世界环境日】碳捕集、利用与封存技术应用前景

火力发电协同CCUS技术未来在我国将充分发挥“兜底保障”重要作用，保障电力安全的同时实现电力部门的碳减排。碳捕集、利用与封存技术体系是实现碳中和目标，同时推进低碳发展的重要方向。

碳捕集、利用与封存技术体系

01

碳利用技术

碳利用技术包括化工利用和生物利用。

CO2利用方式（来源：IEA，2019）

化工利用

CO2化工利用是以化学转化为主要手段，将CO2和共反应物转化成目标产物，实现CO2资源化利用的过程，主要产品有合成能源、高附加值化学品以及材料三大类。以CO2加氢催化转化制甲醇为例，CO2催化转化途径包括热催化、光催化、电催化和生物催化等，技术核心是发展高效的CO2转化催化剂。化工利用不仅能实现减排，还可以创造额外收益，对传统产业的转型升级发挥重要作用。近年来，我国CO2化工利用技术取得了较大的进展，当前合成能源燃料的CO2利用量约为10万吨/年，产值约为1亿元/年，合成高附加值化学品的CO2利用量约为10万吨/年，产值约为 4 亿元 /年，合成材料的CO2利用量约为5万吨/年，产值约为2亿元/年。

CO2加氢制甲醇技术

生物利用

CO2生物利用是以生物转化为主要手段，将CO2用于生物质合成，实现CO2资源化利用的过程，主要产品有食品和饲料、生物肥料、化学品与生物燃料和气肥等。生物利用技术的产品附加值较高，经济效益较好。目前转化为食品和饲料的技术已实现大规模商业化。转化为食品和饲料技术的CO2利用量约为 0.1 万吨/年，产值约为 0.5 亿元 /年，转化为生物肥料技术的 CO2 利用量约为 5万吨 /年，产值约为 5 亿元 /年，转化为化学品技术的 CO2利用量约为 1 万吨 /年，产值约为 0.2 亿元/年，气肥利用技术的 CO2利用量约为 1 万吨 /年，产值约为 0.2 亿元/年。

02

碳封存技术

地质封存

地质封存是模仿自然界储存化石燃料的机制，把CO2封存在地层中，可经由输送管线或车船运输至适当地点后，注入特定地质条件及特定深度的地层中，如废弃的石油田，不可开采的煤田以及高盐含水层构造等。封存深度一般要在800m以下，该深度条件下CO2处于液态或超临界状态。地质构造必须满足盖层、储集层和圈闭构造等特性，方可实现安全有效埋藏。

我国主要的CO2地质封存圈

CO2驱油是较成熟的碳封存技术应用，把CO2注入油层中以提高油田采油率的技术，在加压情况下向井中注入CO2，在700米以上的深度，CO2变成超临界状态，并作为一种很好的溶剂，从岩层中释放石油和天然气。液体CO2在得到充分气化的情况下，体积可迅速发生膨胀，膨胀的气体可有效提高蒸汽波及体积、补充地层能量、驱动原油向目的层流动。CO2驱油具有良好的驱油效果和广泛的适应性，可以实现碳捕集封存和提高原油采收率的双重目的（CCUS）。

CO2驱油地质封存

海洋封存

海洋封存主要有溶解型和湖泊型两种封存方式，是指将CO2通过管道或者船舶运送并储存在深海的海洋水或者深海海床上。溶解型海洋封存即将CO2运送到深海中，让CO2自然分解然后变成自然界碳循环的组成部分；湖泊型海洋封存是指将CO2送入到地下3000米的深海里，因为海水密度比CO2的密度小，所以会在海底变成液态，成为CO2湖，进而推迟了CO2分解到环境中的程序。

CO2海洋封存

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国内外典型的CCUS应用工程

加拿大边界大坝CCUS工程

2014年10月2日，世界上首个燃煤电站百万吨/年CO2捕集项目在加拿大边界大坝（Boundary Dam）电厂正式投入运营。该项目是加拿大萨斯克彻温电力集团SaskPower旗下CCS产业公司的边界大坝工程，该工程主要是对原有的煤炭发电厂3号机组进行改造，改造后的电厂3号燃煤机组发电能力为139MW，每年大约可以捕集100万吨CO2气体，CO2捕集率约为90%。捕获的CO2绝大部分出售给Cenovus 能源石油公司，被运输到Weyburn油田用于驱油,未出售的CO2注入盐水层,作为Aquistore项目的一部分，用于验证地下CO2封存的可能性。

加拿大Boundary Dam电厂CCUS工程

美国Petra Nova 电厂CCUS工程

2017年1月10日，美国Petra Nova电厂首次投运燃烧后碳捕集项目工程，该项目每年捕获约33％（或140万吨）来自8号工厂锅炉排放的二氧化碳。该项目由NRG Energy和JX Nippon Oil共同承担建设，对其中一台锅炉进行翻新，配备燃烧后碳捕集处理系统，旨在减少从锅炉燃烧系统的碳排放问题。

美国Petra Nova电厂

该项目可以捕获到纯度为99％的二氧化碳气体，对气体压缩后，经管道运输送到约82英里外的西牧场油田，可以用于提高石油的采收率。原先，该油田每天可生产300桶石油。在通过向油田中注入新的高压二氧化碳后，油田的石油产量每天增加了50到15,000桶。当前该项目预估至少还可以再运行20年。Petra Nova项目捕集的二氧化碳最终将进入西部牧场油田Frio组的砂岩中，将被保留在地下约5,000英尺处，占地面积超过4,000英亩。

Petra Nova碳减排系统的安装成本约为10亿美元，并根据“清洁煤计划”获得了美国政府的近1.9亿美元赠款，以及日本政府提供的2.5亿美元贷款。并且随着油田采油量的增加，采收率的提高将带来更多的净收入。但是，当该项目首次提出时，油价很高（每桶100美元），而截至2017年，当前的石油价格约为每桶50美元，因此导致该油田的石油生产出现净亏损。2020年5月1日，由于COVID-19大流行导致石油价格低廉，NRG关闭了Petra Nova。

上海石洞口CCUS项目

华能国际电力股份有限公司上海石洞口第二电厂是我国首座建成2×600MW超临界机组的大型燃煤发电企业，于1992年投产。为支持2010年上海“世博会”的配套绿色电源工程，华能集团公司决定在华能上海石洞口第二电厂投资兴建二氧化碳捕集装置，这是对发展“低碳经济”城市做出的最为积极的响应。2009年12月，石洞口二厂10万吨级二氧化碳捕集项目顺利投产，这是我国第一个十万吨级燃煤电厂捕集装置。

上海石洞口碳捕集系统

该项目年CO2捕集能力为12万吨，捕集的CO2经制精制提纯后用于食品行业。上海地区CO2市场年需求量在15～18万吨之间，用户主要集中在焊接和干冰两方面，其中用于焊接的CO2年消耗量约为8万吨，占45%，用于制造干冰的CO2年消耗量约为6万吨，占35%。用于碳酸饮料、啤酒、冷冻、卷烟以及粮食包装储运的CO2年消耗量共约4万吨，占20%。

据测算，由于CCUS装置的运行，使得发电系统的能效下降8%~10%，能耗也相应地增加了8%~11%，发电成本也上升了20%~30%，项目投资回收周期长。CCUS商业化一直面临高成本、高能耗的挑战，相关激励政策、产业部署及管理体系有待完善。未来，应加快开展CCUS大规模全链条集成示范，科学制定CCUS技术发展规划和激励政策，为实现碳中和目标、保障能源安全、促进经济社会可持续发展提供技术支撑。

原标题：《【6·5世界环境日】碳捕集、利用与封存技术应用前景》

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