碳干货｜如何囚禁二氧化碳，将二氧化碳打入“水牢”？

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■ 所谓囚禁二氧化碳，就是将二氧化碳固化封存，打入水牢即封装二氧化碳并将其钻入海底封存。这一切都依托于一项技术——CCUS。

■ CCUS简称碳捕集、利用与封存技术。被认为是最具潜力、最具实效的减排手段，也是国际能源署认可的最根本途径。

■根据目前现状，CCUS主要应用场景分布在钢铁、工业、航运、煤电、能源、汽车、石化、水泥、油田、制氢十大行业。针对不同场景，CCUS的具体应用也有所不同。

碳中和是立在当下、着眼未来的战略之举。

所谓碳中和，最终追求是一种“碳”的平衡状态。实现碳中和目标的过程中，涉及到“碳排放”与“碳吸收”两个阶段。

在我国双碳目标确立后，全国推行节能降碳，从光电、风电高速发展逐步替代传统火电，再到新能源汽车逐步替代传统燃油车，这一系列措施的最终目的，就是为了控制碳排放。

这也是目前大家所熟知的降碳手段，通过源头控制碳排放，从而降低二氧化碳排放量增速。

放眼于未来，除了提高减排效率之外，最重要的还要从空气当中大规模捕集二氧化碳，降低大气中的存量二氧化碳，从而达到碳平衡的理想状态。

这个过程中，推进碳捕集技术的应用与创新就显得格外重要。碳捕集作为“碳吸收”最有效、最直接的手段，是碳中和的托底技术。

进入2020年以来，在全球大力推进碳中和的背景之下，碳捕集技术开始进入发展快车道。

根据国际市场研究机构Markets and Markets数据，2020年全球CCUS市场规模达到了16亿美元，2025年将达到35亿美元，年复合增长率达到17%。

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什么是CCUS？

碳捕集、利用与封存技术，简称CCUS。被认为是最具潜力、最具实效的减排手段，也是国际能源署认可的最根本途径。

CCUS是在二氧化碳排放前就对它进行捕捉，从工业过程、能源利用或大气中分离出来，然后通过管道或船舶运输到新的生产过程进行提纯、循环再利用，或输送到封存地进行压缩注入到地下并使其发挥有效作用的过程，达到彻底减排和二氧化碳资源化利用的目的。

捕集即通过燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧化捕集和化学链捕集等方式，将二氧化碳从工业生产的过程中“抽”出来。

运输即用罐车、船舶或管道的方式进行运输，将这些二氧化碳“聚集”起来。

利用即通过工程技术手段，实现资源化利用。比如将二氧化碳注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，比如提高石油、天然气的开采率。

封存即将收集到的二氧化碳注入深部地质储层，实现二氧化碳与大气长期隔绝的过程，如陆地封存或海洋封存等方式。

CCUS是最直接的一种控制二氧化碳排放的措施，被科学界认为是碳存量治理最有潜力的和最具实效的减排手段，是未来减缓温室气体排放的重要技术路径之一。

国际能源署（IEA）研究结果表明，到2060 年累计减排量的14%来自于CCUS，而CCUS是唯一可以实现继续使用化石能源的同时大规模减排的低碳技术，也是工业领域深度减排的关键技术。

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CCUS十大应用场景

我国化石能源燃烧占我国二氧化碳排放量的80%以上，其中煤炭占75%。

根据生态环境部信息显示，目前我国每年排放约100亿吨二氧化碳，但碳捕集能力仅为每年300万吨左右，应用规模不到万分之一。

对于以煤炭为主要能源结构的中国而言，为达到控制温室气体的目标，增加CCUS技术的应用十分重要。

针对我国现状，CCUS主要应用场景分布在十大行业，包含钢铁、工业、航运、煤电、能源、汽车、石化、水泥、油田、制氢。

针对不同场景，CCUS的具体应用也有所不同。

应用场景一：钢铁碳捕集

高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，其产量占世界生铁总产量的95%以上，而高炉煤气（BFG）则是高炉炼铁过程产生的副产品，产量巨大。

高炉煤气的主要成分为20%～28%的CO、17%～25%的CO2、50%～55%的N2和1% ～ 5%的H2。

适用钢铁BFG碳捕集的技术，根据气体分离方式不同，可分为化学吸收法、物理吸附法和膜分离法。

化学吸收法捕集率易获得高捕集率和高纯度的CO2产品气，但涉及工艺复杂，膜法难以同时达到高捕集率和高纯度，但具有工艺简单等优点。

吸附法处理大气量时具有设备占地面积大等缺点。

对于不同捕集情景下具体工艺的选择，还需要考虑技术、经济和环保等多种因素的影响。

碳捕集工艺在高炉煤气中具有不同的适用性和经济性，对于高炉煤气热值的影响主要反映在获得CO2产品的纯度和CO2 捕集率的差异。

在相同高炉煤气原料气量条件下，这些差异决定了不同的碳捕集量和处理后不同的热值提升幅度。

在相同碳捕集量的条件下，这些差异决定了原料高炉煤气的需求量以及处理后热值提升的幅度。

在高炉煤气和焦炉煤气等高热值气体混合后捕集的条件下，这些差异决定了高炉煤气和焦炉煤气等混合的比例。

应用场景二：工业碳捕集

目前全球碳捕集与封存技术的公开数量已达3000 项以 上，石油化工行业是碳捕集与封存技术的主要应用领域，排放、成本、效率和能耗是该技术创新的主要着力点。

从国际发展布局看，中美两国是碳捕集与封存技术创新和应用大国，其技术发展兴起于装备领域，发展脉络历经生物技术、燃料与燃烧工艺技术、回收再利用技术、量化控制技术，逐步发展到目前最为热门的碳足迹、碳捕集与封存技术。

碳捕集与封存技术经历了导入期、成长期、成熟 期和稳定期，未来随着全球低碳政策的大量出台，以及碳税、碳交易制度的逐步成熟，碳捕集与封存技术可能会迎来其第二轮的快速增长。

碳捕集与封存技术的研究可为工业用能结构优化和绿色低碳转型提供一定的借鉴。

应用场景三：航运碳捕集

未来航运业可能应用CCUS技术实现减排的两种设想。

一是建设集海上二氧化碳转移、 绿色能源生产及船舶燃料供应加注于一体的综合产业集群。

简炎钧提出了“深远海绿色能源基地”概念， 主要出于两方面的考虑。

首先是为了解决国际航运业未来的绿色低碳燃料供给问题。可供加装 CCUS系统的船舶卸载、转移捕集到的二氧化碳。

要想真正实现这个概念，还有一些技术和产业上的问题需要注意，包括深远海风电技术、低成本海上风电制氢技术、大规模二氧化碳催化制甲醇技术等。

二是航运公司通过在陆上投资建立CCUS设施进行碳抵消。

这一设想的可能性是基于航运业碳排放市场引入碳信用、碳抵消机制。

假设航运公司投资建设陆上CCUS系统， 可以通过从陆上燃油生产端或其他方面捕集、封存二氧化碳来抵消 舶的碳排放，形成跨行业的碳转移， 从而达到碳中和。

应用场景四：煤电碳捕集

燃煤电厂碳捕集技术可以分为燃烧前碳捕集、富氧燃烧及燃烧后碳捕集等，对采用不同碳捕集技术的电厂大型CCUS项目数量进行统计分析，可知采用燃烧后捕集技术的项目最多，达到18项。

燃烧后捕集技术，是指从燃烧设备（锅炉、燃气机等）化石燃料燃烧的烟气中采用化学或物理方法对CO2进行选择性富集。

该技术相对成熟和简单，不需要大面积改造电厂，在实际应用中只需对原有电厂小幅改造即可满足脱碳要求。

因此，燃烧后CO2捕集技术将是未来应用范围最广泛的碳捕集技术。

燃烧后捕集技术一般有化学吸收法、物理吸收法、 吸附分离法、膜分离法、膜吸收法等，目前多侧重于化学吸收法、膜分离法以及低温液化分离法。

而国际上相对较成熟、应用最广泛的工艺技术是化学溶剂吸收/再生法回收CO2，已经在化学、石化领域应用多年，适应性强，应用前景巨大。

应用场景五：能源碳捕集

CCUS与氢能技术耦合。由于炼化和氯碱等行业常产生大量多余氢气，未来技术成熟后，有望与CO2发生化学反应，低成本制取甲醇或多元醇。

通过CCUS技术捕 集在制氢过程中排放的CO2，一方面可以采用捕集或资源化利用的方式，另一方面可与制得的H2通过化学合成等技术得到具有高附加值的有机化学品，从而产生收益。

CCUS与风光互补技术耦合。风能属于可再生清洁能源，技术相对成熟且成本不断下降。

虽然稳定性差，但若将其与无需连续供电的CCUS技术耦合，整个流程碳排放较小，可以加快CCUS产业链的发展，促进规模化减排的分布部署。

同样， 太阳能作为一种新兴的可再生能源，与CCUS技术耦合利用，产生的热能可直接用于CO2化学法捕集工艺的能量供应，产生的电能可为CCUS工艺提供能源动力，捕集的CO2可通过加氢等化学 转化形成醇类有机燃料。

CCUS与生物质能技术耦合：生物质发电+CCUS是实现中长期全经济范围 “净零碳排放”潜在的关键技术，有必要为推进中长期温室气体的净零排放提供技术储备。

应用场景六：汽车碳捕集

早在2010年，沙特阿美石油公司研究发展 部就开始发展汽车碳捕集技术。在短短18个月的时间里，沙特阿美就设计出全球第一款碳捕集汽车模型。

这一技术是在不改变汽车引擎设计的基础 上，实现对汽车尾气中CO2的分离和存储。

在2012年的一次测试中显示， 这款汽车能够将汽车排放的10%CO2捕集起来。

经历了几年的技术改进升级后，新一代技术能将CO2的捕集比例从10%提高到25%。

据悉，全球有25%的CO2排放来自于交通领域，如果汽车碳捕集技术继续突破，未来必将为石油带来一场革命，而这将是一场利好的革命。

沙特阿美公司石油日产量达到1000万桶左右，约占世界石油日产量的10%。按照目前的石油开采速度保守估计，沙特的石油至少还能开采70年。

在新能源技术不断发展的今天，像沙特阿美这样的石油公司显然不会坐以待毙，也在积极发展石油科技，为石油行业的长远发展谋划布局。

应用场景七：石化碳捕集

CCUS技术涉及到CO2的捕集、运输及封存利用， 就石化整条产业链而言，成本高是制约其发展的重要因素， 这是由于烟道气中的主要成分为氮气，而CO2的含量相对较低，从而导致分离能耗大，捕集成本高。

而对于石油石化行业，为了满足石油开发的需求，提高石油采收率，通常将CO2注入油气层进行驱油，气源多数来自燃煤电厂烟道气中的CO2。

捕集到的CO2，又要通过管道运输到相应油井处，成本较高。

应用场景八：水泥碳捕集

适用于水泥厂的新型外燃式高温煅烧回转窑脱碳工艺，该工艺流程如下图。

原理是根据捕集CO2量的要求，将原本送入预热器下料管的生料，分出一定量送入外燃式高温煅烧回转窑中分解。

由于采用外燃式技术，生料在回转窑内被窑外燃料燃烧加热，窑内分解出的CO2浓度很高，同时由于燃料与物料不直接接触，分解出来的氧化钙活性较高， 可以直接吸收原料中分解出来的SOx。

分解出来的气体只含少量的SOx、NOx、粉尘，先经过换热器 将高温分解气体冷却降温后送入除尘器除尘，再送 入脱硫床、干燥床、精密吸附床进一步脱硫、干燥、 除尘并除去氮氧化物等杂质，然后送入食品级精馏塔精馏提纯，最后送入储存罐。

燃料燃烧烟气废热和高温CO2冷却余热可用余热锅炉回收发电，也可以用来预热燃料燃烧所需要的空气。

应用场景九：油田碳捕集

油气田碳捕集技术研究方向化学溶剂吸收法是对低压中浓度碳源进行碳捕集最成熟、最经济的技术，并且对于已建装置最容易实现改造。

其研究方向将是更低能耗的新型化学吸收剂，如新型胺液吸收剂和相变吸收剂。

对于已研发的部分实验能耗为2.0 GJth/tCO2的吸收剂，应快中试和现场试验应用进程。

对低压低浓度碳源进行碳捕集尚无经济可行的成熟技术，复合胺吸收体系吸收基本是唯一可行的方法，下一步应开展新型低能耗溶剂的研发和全厂全流程能量优化。

膜分离法具有良好的发展前景，未来应加快开发新型高CO2分离膜和基于膜分离法的组合技术， 如膜分离法+变压吸附法、膜分离法+化学溶剂吸 收法等，尤其是开展中规模（30×104～100×104 t/a）、大规模（≥100×104 t/a）的组合技术研究，这也是实现对低压碳源进行碳捕集高效经济的发展方向之一。

应用场景十：制氢碳捕集

相较其他制氢技术,现阶段煤制氢与CCUS技术的集成应用具备显著的成本优势。

CCUS技术可降低煤制氢过程约90%的二氧化碳排放，但相比可再生能源制氢其碳足迹仍是短板。

新疆、山西、陕西 及内蒙古等地区可作为推广煤制氢与CCUS技术集成应用的优先区域。

煤制氢与CCUS 技术集成应用面临的挑战主要包括缺乏公众认可度以及与可再生能源之间的竞争。

未来我国应加强针对煤制氢与CCUS技术集成应用产业的顶层设计及相关技术的科普宣传，积极推进煤制氢与CCUS技术集成应用方面的研发和示范，为我国氢能产业的发展提供保障。

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结尾

CCUS作为新兴技术，国内仍处于起步阶段。

相较其他日渐成熟的行业，碳捕集赛道投融资活跃度较低，而在欧美发达国家，CCUS拥有较为成熟的服务模式。

在整个CCUS产业链条当中，碳捕获是重点、碳利用是难点，国外CCUS创新企业大都集中于碳捕获、碳利用两个细分领域。

对于碳捕获端的创业公司而言，融入碳捕集赛道当中需要积累CCUS项目经验。

碳捕获赛道，对于潜在进入者或投资机构而言，碳捕获的技术壁垒较高、突破技术瓶颈的周期较长。

对于碳利用端的创业公司而言，碳负性生物燃料技术、高效储能技术、碳纳米材料、碳氢化合物融合等方面会有较大的发展机遇，融入碳捕集赛道需要增强创新技术的融合应用能力。

碳利用端赛道，对于赛道潜在进入者或投资机构而言，碳利用技术应用广泛、落地及推广普及成本低，但对于技术深度融合的水平要求更高。

参考资料：《创业邦研究中心：2021年碳捕集（CCUS）行业研究 告》、《碳中和资料库》

END

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