碳捕集與封存工程的案例
CCUS新技術：我國碳捕集利用與封存技術發展研究丨中國工程科學
本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第6期
作者：張賢，李陽，馬喬，劉玲娜
來源：我國碳捕集利用與封存技術發展研究[J].中國工程科學,2021,23(6):70-80.
編者按
碳捕集利用與封存是將二氧化碳從能源利用、工業過程等排放源或空氣中捕集分離，通過罐車、管道、船舶等輸送到適宜的場地加以利用或封存。碳捕集利用與封存技術，可以實現化石能源利用近零排放，促進鋼鐵、水泥等難減排行業的深度減排，而且在碳約束條件下，可以增強電力系統靈活性、保障電力安全穩定供應、抵消難減排的二氧化碳和非二氧化碳溫室氣體排放，是實現碳中和目標不可或缺的重要技術選擇。
中國工程院李陽院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第6期發表《我國碳捕集利用與封存技術發展研究》一文，對我國碳捕集利用與封存技術水平、示范進展、成本效益、潛力需求等進行了全面評估。文章指出，我國碳捕集利用與封存技術發展迅速，與國際整體發展水平相當，目前處于工業化示范階段，但部分關鍵技術落后于國際先進水平。在工業示范方面，我國具備了大規模捕集利用與封存的工程能力，但在項目規模、技術集成、海底封存、工業應用等方面與國際先進水平還存在差距。在減排潛力與需求方面，我國理論封存容量和行業減排需求極大，考慮源匯匹配之后不同地區陸上封存潛力差異較大。
展開 碳捕集與封存(CCS)是如何工作的？
世界上有一個碳問題。要解決這個問題，就需要停止燃料燃燒的碳排放，轉而依靠風力渦輪機和太陽能電池等更清潔的能源。
但是，對于空氣中已經存在的現有CO2，以及每天排放的數百萬噸CO2，我們能做些什么嗎？
自然保護協會副主任Rebecca Benner說：“在人類歷史的大部分時間里，碳排放都是由大自然平衡的，但現在我們產生CO2的速度比大自然回收CO2的速度快得多?！?碳捕集與封存是一個總括性的術語，其中一些技術是在20世紀80年代首次提出的，旨在將排放的CO2釋放到空氣中之前，將其捕集并封存起來。
雖然碳捕集與封存尚未大規模進行，但公司和政客正在推動碳捕集與封存，將其作為引導國家走向碳中和的未來計劃的關鍵部分。
在《通脹削減法案》中稅收激勵措施的鼓勵下，一些美國公司提出了捕集CO2并利用或將其封存在地下的項目。
然而，一些環保人士對這些提議持懷疑態度，他們表示，碳捕集與封存可能會分散人們對減排工作的注意力。
_
究竟什么是碳捕集？
濕地和森林等自然生態系統從空氣中吸收碳并將其轉化為生物質，這是地球自然碳循環的一部分。
因此，植樹是一種低技術含量的碳捕集方法，而且我們知道這種方法可以大規模使用。
但隨著化石燃料的持續使用，大氣中CO2含量的上升速度超過了僅靠自然過程能夠抵消的速度，專家們已經在尋找方法來增強大自然的能力。
全國各地都在努力植樹和進行其他小規模試驗。目前正在開發兩種更大規模的方法：燃燒后捕集和直接空氣捕集。
展開 2022年中國碳捕集、利用與封存（CCUS）行業洞察報告
CCUS是溫室氣體減排的關鍵技術，其發展對于促進化石能源的高效利用、如期實現“雙碳”目標愿景具有重要意義。目前，我國CCUS仍處于發展早期，部分先進技術尚處于研究階段。未來，隨著政策支持不斷、關鍵技術逐步成熟以及各行業巨大減排需求拉動，我國CCUS將向著低成本、商業化、集群化方向發展，產值規模有望在2050年突破3,000億元。
發展概況
CCUS定義
碳捕集、利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，簡稱 CCUS）是指將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO2永久減排的過程[1]。按照技術流程，CCUS主要分為碳捕集、碳運輸、碳利用、碳封存等環節。其中，碳捕集主要方式包括燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒等；碳運輸是將捕集的CO2通過管道、船舶等方式運輸到指定地點；碳利用是指通過工程技術手段將捕集的CO2實現資源化利用的過程，利用方式包括礦物碳化、物理利用、化學利用和生物利用等；碳封存是通過一定技術手段將捕集的CO2注入深部地質儲層，使其與大氣長期隔絕，封存方式主要包括地質封存和海洋封存。
政策環境：政策助力CCUS技術推廣和示范工程建設
CCUS是目前實現大規模溫室氣體減排的重要技術手段。短期內，我國以石油、煤炭等化石能源為主的能源結構難以改變，發展CCUS可促進化石能源的高效利用，加快傳統高排放行業的轉型發展，對我國實現“雙碳”戰略目標具有重要意義。近年來，我國出臺了一系列政策促進CCUS發展，具體內容包括推動CCUS示范工程建設、加強CCUS技術推廣示范、將CCUS納入綠色債券目錄等。
展開 碳捕集、利用與封存(CCUS)價值鏈研究
如下述全球碳捕集與封存研究院2021年的研究所示，隨著CO2濃度的降低，能耗以及設備大小均會增加。盡管CO2分離技術在各類化學工藝中應用了數十年，但低濃度煙氣凈化仍然是一項成本高、無利可圖的投資，即使主要研究在努力減少投資成本與能耗。
捕集和凈化是CO2價值鏈中成本最高的一步。全球碳捕集與封存研究院的研究表明，若以使用壽命30年計算，每吉焦煤炭成本為2.1美元，每吉焦天然氣則是4.2美元，這意味著上述15%到20%碳捕集成本來自能源本身。能源至關重要，其價格在2022年初上漲了三倍，從根本上改變了碳捕集和封存的經濟效益。
一些大規模工業流程是碳捕集的理想場景，因為煙氣CO2濃度高且凈化成本低。盡管捕捉成本更低，仍鮮有這樣的碳源被開發利用。
圖2 碳捕集與凈化成本(上)不同工藝流程中的CO2濃度(下) 圖源/MAN Energy Solutions
碳捕集
捕集CO2的方法可分為三類：燃燒后捕集、富氧燃燒捕集和燃燒前捕集。
1.燃燒后捕集
燃燒后捕集技術在燃燒后將CO2從煙氣中分離。具有CO2高親和力的選擇性化學溶劑，例如胺，最適用于CO2低分壓的煙氣，絕大多數現有工業排放可采用該技術捕集。胺吸收是一項成熟技術，改造過程通常不會影響現有工藝，也無需大量的技術變更。這也是Aker Carbon Capture公司的建議，采用CO2壓縮加熱胺的模塊化裝置。胺吸收有良好的應用記錄，多個大型工業裝置正在運行，包括2016年SaskPower Boundary Dam項目，2017年Petra Nova, Texas項目，2021年HeidelbergCement, Brevik項目。胺吸收技術的劣勢在于溶劑再生需要額外多達20%至30%能耗。
展開 
全球碳捕集與封存研究院：CCUS樞紐建設的優缺點
Carbon Peak and Carbon Neutrality
引言
作為“雙碳戰略”重要組成部分的CCUS為政府和工業界提供了重要的機會。近年來，幾十個新的CCUS項目處于正在建設或規劃中，越來越多的國家提供了成熟的政策支持。據全球碳捕集與封存研究院（Global CCS Institute）研究成果顯示，一個有效的政策解決方案是支持CCUS網絡和樞紐的形成。在此環境下，排放者、監管機構和CCUS樞紐開發人員合作，建立共享的基礎設施，實現規模經濟，并在一個新的工業價值鏈中開發實際可行的商業模式。隨著這些CCUS樞紐的發展，正在把越來越多的CCUS項目變成一個可擴展的現實。
展開 深度解析：碳捕集、利用與封存（CCUS）技術工藝及其適用性
主流碳分離技術優劣勢分析（來源：DeepTech）
除了以上三種對化石燃料和工業過程產生的二氧化碳進行捕集的傳統CCUS捕集技術。近年來，生物質能-碳捕集（BECCS）技術和空氣碳捕集（DACCS）技術也取得了一定的發展。生態環境部環境規劃院按照可持續發展情景估計，到2070年，生物質能和空氣碳捕集途徑占比將進一步上升，從2050年的19.6%上升至36.2%。
生物質能-碳捕集與封存（BECCS）技術利用植物的光合作用，結合生物質能和CCUS來實現溫室氣體負排放，將大氣中的二氧化碳轉化為有機物，并以植物生物質的形式積累存儲下來，在長期緩解二氧化碳排放方面具有明顯優勢，在全球范圍內具有可觀的碳潛力。目前美國、英國等一些發達國家進行了BECCS相關的示范工程，預計接下來將有更多的國家投入到這一領域。
生物質能-碳捕集與封存（BECCS）示意圖
直接空氣碳捕捉（DACCS），指利用化學反應，將空氣中的碳提取出來，當空氣經過裝有液體溶劑或固體吸附劑（均為常見的化學品）的裝置時，二氧化碳會留在溶劑或吸附劑中，而其他成分則離開裝置回到空氣中。當溶劑或吸附劑“裝滿”了二氧化碳后，對充滿二氧化碳的溶劑或吸附劑進行加熱脫碳，溶劑或吸附劑得以循環利用，而脫出的二氧化碳被注入并封存在地層，或者被直接利用。至今技術最成熟的幾個公司分別是Climeworks, Carbon Engineering和Global Thermostat。
展開 保證人類零碳未來的托底技術 ——碳捕集利用與封存（CCUS）技術路線利弊分析
01
前言
減碳不僅是國家政策規劃承諾的問題，也是關系到我們人類賴以生存的環境問題。IPCC（政府間氣候變化專門委員會）關于全球變暖1.5℃的特別報告指出，CCUS（碳捕集利用與封存）技術可以有效改善全球氣候變化，并明確指出CCUS技術對于在2050年實現零碳排放具有重要意義。
根據2015的巴黎氣候大會披露的減碳圖表，可以看出CCUS技術主要是在2030年之后全球將逐漸發力于二氧化碳的移除，而這與中國2030碳達峰的目標不謀而合。
來源：Rhodes CJ. The 2015 Paris Climate Change Conference: Cop21. Science Progress 2016;99(1):97-104.
02
主流減碳技術總結
碳減排首先第一步是將二氧化碳捕集，后續可將捕集的二氧化碳直接封存也就是CCS，或是把二氧化碳能源化或資源化也就是CCU。在這些步驟中，二氧化碳捕獲是最關鍵的技術，因為它占整個CCS運營成本的70%以上。
展開 CCUS新技術--礦化：跟我一起探索碳捕集利用與封存方向的突破性技術！
碳捕獲、利用和儲存 (CCUS) 是我們尋找的產品組合中最重要的技術之一。今天介紹的這個技術來自國外，這是在30多個CCUS項目正在進行實踐中，廠家也正在測試的技術將為2030年以后的業務脫碳奠定基礎。
最令人興奮的 CCUS 技術之一被稱為“礦化”，或將 CO 2鎖定在礦物質中。研發單位正在與意大利能源公司 Eni 合作，推進他們的碳捕獲產品組合，將人們運營中產生的 CO 2重新用于生產的綠色水泥。Eni 正在將其碳捕獲和礦化專業知識用于將 CO 2儲存到橄欖石中，橄欖石是一種廣泛使用的礦物。研發單位的創新中心的研究人員正在探索使用這種碳酸化橄欖石作為一種新的低排放原材料來配制我們的綠色水泥。
創新和技術發展是成功應對能源轉型挑戰的戰略關鍵，它將利用 Eni 的研發專業知識和 Holcim 的經驗。通過為難以減排的行業提供合適的解決方案，這項技術使人們能夠加快脫碳進程。Holcim 和 Eni 的全球運營，加上 olivine 在全球范圍內的廣泛可用性，將使該 CCUS 解決方案具有高度可擴展性。它將使 CO 2永久封存 到建筑材料中以實現更環保的建筑，從而增加我們范圍廣泛的創新低排放原材料。研發廠家的團隊目前正在繪制歐洲最相關的地點，以進行工業規模的試點。這種伙伴關系符合人們的凈零旅程以及埃尼對其行業脫碳的承諾。
世界需要變革性技術來加速人們向凈零排放的過渡。通過將 CO 2儲存 在橄欖石等新礦物中，廠家正在擴大我們的綠色水泥解決方案范圍，使可持續建筑在全球成為現實，同時減少企業運營的足跡。該單位與 Eni 的合作符合他們開放的創新生態系統，與志同道合的組織合作，從初創公司到跨國公司，共同創造更大的不同。
展開 CCUS技術與設計：應用燃煤電廠萬噸級碳捕集工程設計與運行
本項目的碳捕集成本為379 元/t,相對較高,這與示范工程規模較小有關,但從能耗分析來看單位能耗還有下降空間。下一步擬進行吸收劑配方調整,將再生能耗和胺液損耗進一步降低。同時,研究吸收塔級間冷卻、富液分流、余熱梯級利用、高效填料和高效換熱器等工藝優化手段對能耗的影響,提出碳捕集系統綜合節能優化方案,以期獲得低成本碳捕集技術。另外,本示范裝置年碳捕集量僅1萬t,而常規300 MW燃煤機組的年碳排放量高達160萬~180萬t。在下一階段需要進行中大型碳捕集技術研究,包括中大型碳捕集設備選型與設計、中大型碳捕集裝置與燃煤電廠主機系統耦合的研究等。在“碳達峰、碳中和”總體目標要求下,低成本CCUS成為燃煤機組的一條必由之路,本技術還需要進行深入研究和優化,為將來“雙碳”目標的實現提供切實的技術保障。
文章來源：清潔能源CCUS
展開 CCUS碳捕集-二氧化碳捕集技術匯總
CCS（carbon capture and storage）即二氧化碳的捕集和封存技術，是將CO2從電廠等工業或其他排放源分離，經富集、壓縮并運輸到特定地點，注入儲層封存以實現被捕集的CO2與大氣長期分離的技術。在此技術基礎上發展出CCUS。
碳捕集、利用與封存技術（CCUS，Carbon Capture，Utilization and Storage）是將二氧化碳從化石燃料電廠或工業設施中捕集提純，然后通過運輸投入新的生產過程加以利用，最終實現有效封存二氧化碳的目的。它在捕集、運輸、長期封存三個環節基礎上增加了對二氧化碳利用的環節，目前主要利用方式包括提高采收率、食品級二氧化碳精制，以及其他工業利用方式。與CCS相比，CCUS可以將二氧化碳資源化，能產生經濟效益，更具有現實操作性。
簡單來說，CCUS技術即為將二氧化碳捕集起來，然后繼續再利用或者封存起來的技術。那么，二氧化碳的捕集技術有哪些呢？
1、化學吸收法
化學吸收法是指化學溶劑通過與CO2發生化學反應，對二氧化碳進行吸收，當外部條件如溫度發生或壓力改變時，使得反應逆向進行，從而達到二氧化碳的解析及吸收劑的循環再生的目的。二氧化碳捕集流程圖如下圖所示：
其基本過程為：煙氣在脫硫、脫硝后，經引風機從底部進入吸收塔，同時吸收液從吸收塔的頂部噴淋而下，煙氣和吸收液在吸收塔內接觸后發生反應。
展開 二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術中4種CO2運輸方式優缺點對比！
”與“碳中和”目標的實現需要大幅度優化現有能源結構和經濟發展方式，同時也需要一定規模的二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術，用以回收較難用可再生能源替代部門的CO2排放。
碳捕集：現狀展望
SXHK CCS
碳捕集是解決全球溫室氣體水平的一個重要手段，碳捕集將在企業、國家和世界的脫碳計劃中發揮關鍵作用，但我們在實施方面的進展如何？
為了了解目前的情況，作者采訪了幾位同事，并從他們各自的專業領域（技術、所有權和許可）研究了此事。
具體來說，作者與來自工程和環境咨詢公司POWER Engineers（POWER）的四位專家進行了交談。
電力公司環境部門的部門經理Tom Rolfson在包括發電在內的多個行業擁有多年的許可經驗。
空氣質量監管和許可專家Steven Babler最近評估了碳捕集項目的監管影響。Dwight Cole是POWER發電部門項目管理副總裁，專門從事脫碳解決方案。
John Lagomarsino，也是POWER發電部門的高級項目經理，為碳捕集技術的戰略選擇和項目開發提供技術咨詢。
技術、法規、經濟和勞動力可用性都是碳捕集狀況的因素。這些專家的多重視角將描繪出一幅更清晰的畫面，并最終回答這個問題：碳捕集是怎么回事？
01
技術
_
碳捕集技術的現狀和已知問題是什么？
Dwight Cole：碳捕集是石化行業中的一個已知過程，因此它并不是新的。然而，新的是它在捕集天然氣燃燒廢氣中的CO2排放方面的用途，以及在其他行業（如波特蘭（Portland）水泥）中的用途。
目前采用的技術是胺洗滌（下圖），該技術用于數十家發電廠和工業工廠。
展開 簡述三個比較新穎的CCUS碳捕集技術
最近看到兩個CCUS方面的技術應用，主要都是碳捕集方面的，獲得了大筆融資。還有一個是過去我研究過的技術方向。
1
碳的化學吸收與解吸
這個技術是通過化學洗滌吸收實現二氧化碳的吸收和解析，然后實現再利用。
通過化學洗滌塔實現碳捕集的工藝流程通常包括以下兩個步驟。
首先是吸收。將經過預處理的二氧化碳含量較高的煙氣引入化學洗滌塔中。在塔中，煙氣與一種烷醇胺類的兩相吸收劑接觸，實現二氧化碳的吸收。處理后的煙氣排放進入大氣中。
然后是解吸。吸收后的富液被轉移到解吸塔中，吸收劑中的二氧化碳通過升高溫度或降低壓力等方式被解吸出來，最終得到高純度的二氧化碳。
吸收和解吸過程不斷循環，使二氧化碳的捕集和釋放循環進行。
在許多工業領域，如石化、鋼鐵、水泥等，都可以使用這種方法來減少二氧化碳的排放。
這個技術的核心應該是在于吸收解析藥劑和填料。
2
建材固化
這個技術是將二氧化碳固化到建筑材料當中。
有個公司開發了“二氧化碳礦化利用”技術，該技術包括了兩個方面。
一方面是在原料獲取和生產階段，以工業副產品粉煤灰、高爐渣粉代替傳統的水泥。
另一方面，是用二氧化碳礦化養護工藝，取代傳統的高溫蒸汽養護工藝。
看下面的概念示意圖，應該是在黃色的裝置中進行養護，養護過程中二氧化碳與混凝土進行反應，將二氧化碳“固定”到了混凝土砌塊當中。
據報道，采用這項技術每生產1000千克產品都可以避免產生108.12千克二氧化碳的排放。
隨著碳市場擴項，水泥等行業納入碳市場，這些技術就會凸顯出價值。
3
微藻技術
微藻通過吸收二氧化碳、水和陽光來生長，同時產生氧氣和碳水化合物。
微藻技術在發展之初主要還不是針對固碳，主要關注三個方向。
展開 碳捕集技術的創新是否滯后？
碳捕集和封存
碳捕集和封存（CCS）是指一系列可以通過減少CO
2
排放來對抗大氣中CO
2
水平的技術。這些技術在燃燒化石燃料產生的CO
2
釋放到大氣中之前將其捕集。然后將捕集的CO
2
壓縮并運輸到封存地點，例如地質構造、空出的石油或天然氣儲層。
CCS也可稱為CCUS（碳捕集、利用和封存），其中捕集的CO
2
用于某些下游目的，如提高石油采收率（EOR）或用于生產化學品。
根據國際能源暑的數據，2022年全球CO
2
排放量減少了4500萬噸，主要是碳捕集、利用和封存。根據項目開發商的公告，預計到2030年，這一數字將上升至2.2億噸CO
2
。然而，即使所有計劃項目都得到了實施，這也遠遠達不到2030年凈零情景下的要求。圖2用黃色條顯示了這一重大的預測缺口。
展開 碳捕集技術的應用領域有哪些？
在生物質能源發電廠或生物質燃料生產過程中，碳捕集技術可以用于捕集和回收這些排放的二氧化碳。捕集的二氧化碳可以進一步利用于生產合成燃料、化學品或其他有價值的產品。
5. 直接空氣碳捕集：
直接空氣碳捕集技術是一種將二氧化碳直接從大氣中捕集的方法。這種技術使用吸附劑或化學反應物質與大氣中的二氧化碳進行反應，并將其分離和捕集。這種方法可以在任何地方進行，而不僅僅局限于工業設施，因此具有廣泛的應用潛力。直接空氣碳捕集技術可以幫助降低大氣中的二氧化碳濃度，并提供一種補充的碳捕集途徑。
6. 海洋碳捕集：
海洋碳捕集是利用海洋生物來吸收和儲存二氧化碳的過程。通過促進海洋生物的生長和光合作用，可以增加二氧化碳的吸收量，并將其轉化為生物質。海洋生物還可以形成沉積物，在適當的條件下長期儲存二氧化碳。
7. 蓄能和地質儲存：
捕集到的二氧化碳可以通過地質儲存技術進行安全儲存。地質儲存通常是將二氧化碳注入地下鹽水層、油氣田或巖石地層。在適當的地質結構下，二氧化碳可以長期封存，并防止其重新進入大氣。
8. 碳利用技術：
除了儲存，捕集的二氧化碳還可以通過碳利用技術轉化為有價值的產品。例如，二氧化碳可以用作合成燃料的原料，用于化學品和材料的生產，或者用于增加植物生長的溫室氣體施肥。
以上是一些碳捕集的例子，涵蓋了不同的行業和領域。這些技術的發展和應用對于減少碳排放、應對氣候變化以及實現可持續發展目標具有重要意義。
展開 