燃煤发电中碳捕集技术的发展方向

2018年11月

大气中CO₂浓度的大幅增加，主要源自于人类生产和生活过程中燃烧大量化石燃料。

我国CO₂排放量世界第一，并将继续增加，正面临日益强烈的减排要求。因此，我国迫切需要采取有效措施，减少CO₂排放量，减缓CO₂排放强度。

CO₂捕集、封存与利用技术，是一项新兴的、具有较大潜力减排CO₂的技术，有望实现化石能源的低碳利用，被认为是应对全球气候变化、控制温室气体排放的重要技术之一。

CCS/CCUS技术涉及整个技术链条，包括二氧化碳捕集技术、二氧化碳运输技术和二氧化碳埋存/利用技术。

二氧化碳捕集技术

当前常用的二氧化碳捕集技术可分成三大类：燃烧后捕集技术、富氧燃烧技术和燃烧前捕集技术。

燃烧后捕集技术就是从燃烧生成的烟气中分离二氧化碳，主要包括化学吸收法、物理吸附法、膜分离以及低温分馏等技术。燃烧后捕集是一种很好的方式，因为它不影响上游燃烧工艺过程，并且不受烟气中CO₂浓度影响，适合所有的燃烧过程。

富氧燃烧技术是用高纯度的氧代替空气作为主要的氧化剂燃烧化石燃料的技术。它在保留原来的发电站结构的基础上，把深冷空气分离过程与传统燃烧过程结合起来，使烟气中的CO₂浓度可达到80%或更高，再经过提纯过程可以达到95%以上，从而满足大规模管道输送以及封存的需要。

燃烧前捕集技术主要是指燃料燃烧前，将碳从燃料中分离出去，参与燃烧的燃料主要是H₂，从而使燃料在燃烧过程中不产生CO₂。该技术的主要优点是CO₂浓度较高，捕集系统小、能耗低，主要缺点是系统较为复杂，其应用的典型案例是整体煤气化联合循环系统（IGCC）。

根据我国的实际情况，研究者建议我国中长期碳捕集技术路线图如下：

2015—2020年

对于燃烧后捕集技术：重点发展醇胺法捕集技术，开展工业示范和规模化技术推广，进行热钾碱法捕集技术研发。

对于富氧燃烧技术：重点开展低能耗、低成本氧气提纯技术，降低大型空分工艺能耗，研发高温耐热材料及燃烧锅炉设备，减少空气污染。

对于燃烧前捕集技术：加大高温煤气净化技术研发、低能耗高效率燃气轮机的研发、高效气化炉研制及低能耗制氧空分系统和蒸汽循环系统探究，开展IGCC项目中试示范。

2020—2030年

对于燃烧后捕集技术：实现醇胺法捕集技术商业化推广，进行热钾碱法捕集技术示范。

对于富氧燃烧技术：积极开展大型富氧燃烧捕集技术示范，进一步评价技术的可行性和经济性。

对于燃烧前捕集技术：通过新技术研发和耦合新能源工艺流程的优化，形成低成本、低能耗、高性能燃烧前捕集技术，并进行工业示范。

2030—2050年

对于燃烧后捕集技术：形成低成本燃烧后捕集技术体系并商业化应用。

对于富氧燃烧技术：实现超超临界富氧燃烧技术规模化应用。

对于燃烧前捕集技术：达到成熟应用，工业推广，商业化运营。

☝  我国中长期碳捕集技术路线图

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二氧化碳运输技术

用罐车运输CO₂的技术目前已经成熟，而且我国也具备了制造该类罐车和相关设备的能力。罐车分为公路罐车和铁路罐车两种。

公路罐车具有灵活、适应性强和方便可靠的优点，但是运量小、运费高且连续性差。

铁路罐车可以长距离输运大量CO₂。但是除考虑到当前铁路的现实条件，还需考虑在铁路沿线配备CO₂装载、卸载以及临时储存等相关设施，势必大大提高运输成本，因此目前国际上还没有用铁路运输的先例。

从世界范围看，船舶运输还处于起步阶段，目前只有几艘小型的轮船投入运行，还没有大型的用于运输CO₂的船舶。

但是必须注意到，当海上运输距离超过1000km 时，船舶运输被认为是最经济有效的CO₂运输方式，运输成本将会下降到0.1元/（t·km）以下。

由于管道运输具有连续、稳定、经济、环保等多方面优点，而且技术成熟，对于CCS这样需要长距离运输大量CO₂的系统来说，管道运输被认为是最经济的陆地运输方式。

但是，由于海上管道建设难度较大，建设成本较高，因此目前还没有用于CO₂运输的海上管道。

对于二氧化碳运输技术的发展，建议其技术发展时间表和各阶段里程碑事件如下：

2015—2020年

建立并形成完善的CO₂管道输送相关标准体系，健全安全控制技术体系，建成百万吨级全流程示范，输送管长达到200km，成本控制到80元/t，年输送能力超过1×10⁶t。

2020—2030年

全面掌握产业化技术能力，输送管长达到1000km 以上，成本控制到70元/t，年输送能力超过1×10⁷t。

2030—2050年

全面推广实施应用CO₂输送技术，建设超过5000km的CO₂输送管道，成本控制到70元/t以下，年输送能力超过5×10⁷t。

二氧化碳利用技术

二氧化碳利用技术主要包括CO₂地质利用技术、CO₂化工利用技术以及CO₂生物利用技术。

CO₂地质利用是指将CO₂注入地下，利用地下矿物或地质条件生产或强化有利用价值的产品，且相对于传统工艺可减少CO₂排放的过程。

目前，CO₂地质利用技术主要包括CO₂强化石油开采技术、CO₂驱替煤层气技术、CO₂强化天然气开采技术、CO₂增强页岩气开采技术。

CO₂化工利用是指以化学转化为主要特征，将CO₂和共反应物转化成为目标产物，从而实现CO₂的资源化利用。

目前，已经实现了CO₂较大规模化学利用的商业化技术主要包括CO₂与甲烷重整制备合成气技术、CO₂经CO制备液体燃料技术、CO₂加氢合成甲醇技术、CO₂合成碳酸二甲酯技术。

CO₂生物利用是指以生物转化为主要特征，通过植物光合作用等，将CO₂用于生物质的合成，从而实现CO₂资源化利用。

当前，CO₂生物利用技术还处于初期发展阶段，其研究主要集中在微藻固定CO₂转化为生物燃料和化学品技术、微藻固定CO₂转化为生物肥料技术、微藻固定CO₂转化为食品和饲料添加剂技术、CO₂气肥利用技术几个方面。

CO₂矿化是近年来提出的一种CO₂利用方法，主要利用地球上广泛存在的橄榄石、蛇纹石等碱土金属氧化物与CO₂反应，将其转化为稳定的碳酸盐类化合物，从而实现CO₂减排。

CO₂矿化的优点为：可规避CO₂地质封存的各种风险和不确定性，从而保证了CO₂末端减排技术的经济性、安全性、稳定性和持续性；CO₂矿化量大。该技术的缺点是在常温常压下，矿物与CO₂反应速率相当缓慢。因此，提高碳酸化反应速率成为矿物储存技术的关键。

对于二氧化碳利用技术，根据我国目前的技术发展和经济情况，建议其技术发展时间表和各阶段里程碑事件如下：

2015—2020年

对于CO₂地质利用技术：详细地做好资源评估，并开展及扩大相应的实验研究。

对于CO₂化工利用技术：进一步推广和扩大传统CO₂化工产品利用技术，开展耦合新能源的低能耗、低成本CO₂化工产品生产工艺技术研究。

对于CO₂生物利用技术：推广气肥利用技术；以微藻固碳为重点，研发和示范先进CO₂生物利用技术。

2020—2030年

对于CO₂地质利用技术：完成源– 汇匹配优化研究及规划，开展区块先导试验示范工程建设。

对于CO₂化工利用技术：加大CO₂化学转化制取合成气、甲醇、聚氨酯等新产品技术的研发，建立万吨以上化工利用工程示范。

对于CO₂生物利用技术：以微藻固碳为重点，建立若干CO₂生物利用的规模化能源农场，利用CO₂增强生物质液体燃料、化工品等生物能源产出。

2030—2050年

对于CO₂地质利用技术：实现技术推广，实施规模化、商业化的项目。

对于CO₂化工利用技术：2030年，建立10万吨级以上大规模产业化工程示范，开展CO₂化学转化制取能源、化工产品技术产业化优化与装备研发；到2050年，建立完整的CO₂化工应用与产品体系，形成商业化推广应用技术能力，进行CO₂化工利用新技术的大规模工业化推广。

对于CO₂生物利用技术：应用推广以微藻固碳为重点的先进CO₂生物利用技术。

由于存在安全隐患、成本较高、能耗较大、CO₂利用市场容量未知等多方面的挑战，发展碳捕获和埋存/ 碳捕获、利用和埋存（CCS/CCUS）技术还广受争议。

CCS/CCUS主要核心技术尚不成熟，大部分处于理论研究、实验室研究、工业示范和小范围商业性运作阶段，尚处于“特定条件下经济可行”阶段。

CCS/CCUS技术减排CO₂数量有限，我国要大量减排CO₂，需要优先考虑强化节能、降耗、减排措施，其次是调整能源结构，大力发展新能源技术。

但是，从长远看，不可否认CCS/CCUS技术是应对全球气候变化、控制温室气体排放的重要手段。国家需要从政策、法规、投资、税收、国际合作等方面对CCS/CCUS技术给予支持。

改编 | 宁丽梅

参考资料

叶云云,廖海燕,王鹏,王军伟,李全生.我国燃煤发电CCS/CCUS技术发展方向及发展路线图研究[J].中国工程科学,2018,20(3):80-89.