千亿市场！碳捕捉与封存助力实现碳达峰、碳中和

前面我们提到国家的“双碳”目标 －－ 2030年碳达峰，2060年实现碳中和。对比发达国家，我国在碳中和的道路上挑战将会更大。中国作为最大的发展中国家如何在保证自己经济增长迈向发达国家的同时稳步推进碳中和的目标呢？其中除去之前提到的碳交易市场之外，还有另外一个技术实现至关重要。也就是我们今天要了解的碳捕捉、碳利用与碳封存，即CCUS（Carbon Capture， Utilisation and Storage）。

什么是CCUS

碳捕捉与封存（CCS）是一种减排技术工艺，将二氧化碳从工业或相关能源的排放物中分离出来，旨在防止大量二氧化碳排放到大气中。该技术涉及捕捉二氧化碳，将其压缩纯化以便运输，后将其注入精心挑选的地点岩层或深海中，已达到永久封存的目的。另外加上碳利用，二氧化碳的利用形式也更加丰富，如提高产品完整性的添加剂等，即CCUS。

CCUS相关方案

目前整体CCUS系统中涉及到捕获、运输、地质封存、海洋封存、矿石碳化和二氧化碳的工业利用。

CCUS技术类型

二氧化碳捕获

其中捕获环节主要为将化工、电力、钢铁、水泥等行业利用化石能源过程中产生的二氧化碳进行分离和富集的过程，主要分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。

二氧化碳捕获流程和系统概况

燃烧后系统从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气体中分离CO2。这些系统通常使用液态溶剂从主要成分为氮（来自空气）的烟气中捕获少量的CO2成分（一般占体积的3－15％）。

燃烧前系统在一个有蒸汽和空气或氧的反应器中处理一次燃料，产生主要成分为一氧化碳和氢的混合气体（“合成”气体）。在第二个反应器内（“变换反应器”）通过一氧化碳与蒸汽的反应生成其余的氢和CO2。可从最后产生的由氢和CO2组成的混合气体分离出一个CO2气流和一个氢流。与燃烧后系统相比成本较高，但由变换反应器产生的高浓度CO2（在烘干条件下一般占体积的15—60％），以及在这些应用中采用的高压则更有利于CO2的分离。

氧化燃料系统用氧代替空气作为一次燃烧进行燃料，产生以水汽和CO2为主的烟道气体。这种方法产生的烟道气体具有很高的CO2浓度（占体积的80％以上）。

二氧化碳的运输

除非工厂直接位于地址封存点附近，否则必须将捕获的二氧化碳从捕获地点运输至封存地点。目前管道是一种成熟的市场技术也是最常用的方法。也可以将液态二氧化碳装在船舶、公路或铁路罐车中运输，通常会被装在绝缘罐中。

根据《中国碳捕集与封存示范和推广路线图研究》提到中国二氧化碳排放源和封存地的优先地点显示，现有的和规划中的煤化工厂和发电厂均位于重点封存地周边200公里范围以内。只有氧燃料燃烧200兆瓦CCUS示范项目在静安油田及安塞油田和广东省电子资源－中国海洋石油总公司项目的二氧化碳运输距离超过200公里。

中国二氧化碳排放源和封存地优先地点

地质封存

目前可以用于二氧化碳的地质封存有：石油和天然气储层、深盐沼池构造和不可开采的煤层。在每种方案中，都是将二氧化碳压缩液注入地下岩石构造中。含流体或曾经含流体的多空岩石构造都是潜在的封存地点的选择对象。在沿岸和沿海的沉积盆地中存在合适的封存构造。假设煤床有充分的渗透性且这些煤炭以后不可能开采，那么也可以用于封存。

地质封存方案

海洋封存

一个潜在的封存方案是将捕获的二氧化碳直接注入深海（深度在1000米以上），大部分二氧化碳在这里与大气隔离若干世纪。该方案的实施办法是：通过管道或船舶将CO2运输到海洋封存地点，从那里再把CO2注入海洋的水柱体或海底。被溶解和消散的CO2随后会成为全球碳循环的一部分。

海洋占地表的70％以上，海洋的平均深度为3，800米。由于CO2可在水中溶解，所以大气与水体在海洋表面不断进行CO2的自然交换，直到达到平衡为止。

海洋封存的方法

矿石碳化和工业利用

矿石碳化主要是利用化学反应将二氧化碳转为为固体无机碳酸盐。工业上对二氧化碳的利用是直接或者以生产各种含碳化学物填料形式加以利用。

矿石碳化是指利用碱性和碱土氧化物，如氧化镁（（MgO）和氧化钙（CaO）将CO2固化，这些物质目前都存在于天然形成的硅酸盐岩中，例如蛇纹岩和橄榄石。这些物质与CO2化学反应后产生诸如碳酸镁（MgCO3）和碳酸钙（CaCO3，通常称作石灰石）这类化合物。

一般来说碳石矿化的过程是自然发生的，在自然界，这个过程非常缓慢。因此，封存已捕获的各种二氧化碳的进程必须大大加快，使之成为一种方法。

矿石碳化

工业利用是工业上对CO2的利用包括CO2作为反应物的生化过程，例如，那些在尿素和甲醇生产中利用CO2的生化过程，以及各种直接利用CO2的技术应用，比如在园艺、冷藏冷冻、食品包装、焊接、饮料和灭火材料的应用。但此种利用量总体较少，对减缓气候变化的贡献不大。

中国践行CCUS的项目

目前中国在二氧化碳捕集领域的示范项目主要分布在华东、华北地区。项目涵盖了上文提到的燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。

目前主要在煤化工行业开展。其次为火电行业、天然气厂以及甲醇、水泥、化肥等工厂。

中国捕集项目分布

在地质封存领域，主要以提高石油采收率为主，目前围绕几个油气盆地开展，包括东北松辽盆地、华北渤海湾盆地、西北鄂尔多斯盆地及准格尔盆地。

二氧化碳提高石油采收率项目在国内的三大石油公司中石油、中石化以及延长石油的油田开展。如吉林油田注气产油比大概为4．67：1，即注入4．67吨二氧化碳能够产出1吨油。

地址封存和利用工程分布

二氧化碳驱替煤层气利用目前处于先导试验阶段，于2004年起在沁水－临汾盆地的柳林和柿庄开展研究。

二氧化碳驱替煤层气先导示范

上文提到各种碳捕捉、利用及封存的方案依然面临着诸多挑战，如知识上的不足、封存地点的评估、封存能力和效果的评估、海洋封存的影响、法律法规问题等都需要在不断的理论联合实际的检验中积累经验。

好了，本期文章就到这里了，我们下篇文章再见。如果你喜欢公众号的内容，请关注“非正式科普”公众号并给我点赞转发和看一看哦！您的支持是我带来更多优质的干货内容的动力哦～

参考资料：

二氧化碳捕获和封存决策者摘要和技术摘要

中国二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）报告

中国碳捕集与封存示范和推广路线图研究

我国碳捕集、利用和封存的现状评估和发展建议

全球碳捕集与封存现状2020