碳捕獲利用與封存的案例
碳捕集、利用與封存(CCUS)價值鏈研究
圖4 富氧燃燒碳捕集原理圖及其主要特征(上)富氧燃燒捕集技術(下) 圖源/MAN Energy Solutions
3.燃燒前捕集
燃燒前捕集是指在燃燒前去除CO2。首先，水蒸汽甲烷重整或氣化(如天然氣、煤或生物質)產生合成氣。隨后，合成氣發生水-氣變換反應將一氧化碳和水轉化為氫氣和CO2。CO2濃度高且可被分離，而剩余氫氣作為燃料使用。
圖5 燃燒前碳捕集原理圖及其主要特征(上)燃燒前捕集技術(下) 圖源/ MAN Energy Solutions
碳利用
捕集的CO2可作為原料應用于眾多工業流程。但這些機遇的開發需要基礎設施設計師、生產商和運營商在基礎設施領域更緊密合作。
1.碳輸送
CO2在捕集后輸送至工業用戶或封存地點。鹿特丹港正在建立一個收集網絡以整合和分配CO2。大多數CO2排放者缺乏管理排放的專業知識。而這里公用事業公司可以介入，因為發電廠是最大的排放源，所以必須采取行動。公用事業公司可以結合CO2捕集方面的專業知識與自建帶有CO2輸配功能的工業中心，將提供碳管理作為一種服務。
圖6 Porthos項目:全范圍二氧化碳管理 圖源/MAN Energy Solutions
2.碳利用
CO2利用是指在工業或化工流程中直接或間接使用CO2生產有價值的含碳產品。并非所有的利用方案都能永久去除CO2，多數方案仍需要大量的可再生能源。
圖7 二氧化碳利用路徑 圖源/MAN Energy Solutions
碳封存
碳封存是將CO2儲存在油氣田或鹽堿含水層等地表下，該技術可追溯到20世紀70年代。
展開 2022年中國碳捕集、利用與封存（CCUS）行業洞察報告
技術環境：我國CCUS研發能力不斷突破，但部分關鍵技術與國際先進水平仍存在一定差距
隨著國家科技重大專項、國家重點研發計劃等支持不斷，我國在CCUS各環節的關鍵技術不斷突破，其中，碳捕集環節的燃燒前物理吸收法、碳利用環節的鈾礦地浸開采技術等已處于商業應用階段。與此同時，我國仍存在CCUS相關設施數量較少、項目規模較小等短板，部分關鍵技術落后于國際先進水平。根據《二氧化碳捕集、封存與利用技術應用狀況》數據，中國已建成投產、在建及擬建的碳捕集與封存設施數量占全球總量的7.7%，占比遠低于美國的50.8%。賽迪顧問數據顯示，2021年我國捕集規模在30萬噸/年以下的CCUS項目數量占比達88.9%，捕集規模超過60萬噸/年的項目僅占3.7%，而美國CCUS單項年均碳捕集規模約241.4萬噸/年。
發展現狀
生態結構：按照產業流程，CCUS主要由碳排放、碳捕集、碳運輸、碳利用與封存等環節組成
碳排放主要分為煤化工、制氫等高濃度排放和石油化工、煉鋼、燃煤、燃氣等中低濃度排放。碳捕集、碳利用與封存是CCUS三大重點環節，下文將詳細闡述。碳運輸主要分為罐車運輸、船舶運輸和管道運輸等。其中，罐車運輸和船舶運輸已達到商業應用階段，海底管道運輸則仍處于研究階段。
（1）碳捕集：既是CCUS的首要環節，也是CCUS流程中成本主要來源。碳捕集主要從工業廢氣和大氣中捕獲，CO2濃度越高，捕集成本越低。按碳捕集與燃燒的先后順序可將碳捕集技術分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集。燃燒前捕集成本相對較低、效率較高，但適用性不高；燃燒后捕集雖應用較廣，但相對能耗和成本更高；富氧燃燒對操作環境要求高，目前仍處于示范階段。
展開 深度解析：碳捕集、利用與封存（CCUS）技術工藝及其適用性
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。這三家公司共有18個工廠，各工廠的產能從捕捉1噸二氧化碳/年到4000噸二氧化碳/年不等，18個工廠的產能合計每年捕捉8000噸二氧化碳，其中，約有4000噸二氧化碳是被永久封存的，另外4000噸，則被出售另作他用。年產能為捕捉1百萬噸二氧化碳每年的試驗工廠已在建設中，落于美國西南地區，預計2024年底投產。
展開 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 
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 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。
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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 CCUS技術在油氣行業中的應用
該項目涵蓋了碳捕獲、碳利用和碳封存3個重要環節，主要以齊魯石化第二化肥廠煤制氣裝置排放的尾氣為原料，生產液態CO?產品，并送往某油田代替“水”作為介質打入地下頁巖中驅油和封存，整個過程節水、驅油、減碳一舉三得，原油覆蓋地質儲量6000萬噸，年注入能力100萬噸。
除了使用CO?驅油以外，隨著人們對產油層和產氣層地質狀況的深層次認識，CO?等碳氫化合物已被科學證明能夠儲藏在廢棄的油田和氣田中。我國枯竭油氣田、無商業價值的煤層和深部咸水層的CO?封存潛力超過 2300億噸，通過將CO2注入到廢棄油氣田中即可實現CO?的永久封存。
展開 全球碳捕集與封存研究院：CCUS樞紐建設的優缺點
?行業協會已經匯集在了一起——比如能源技術研究所（ETI）和碳捕獲和存儲協會（CCSA）。
?來自挪威、英國和荷蘭的部長和政策制定者之間的跨國接觸，他們經常交談，交流信息，提供支持，并探索如何創建一個潛在的關聯項目網絡，以降低成本和風險。
?多方利益相關者聯盟一直負責通過美國聯邦政府的立法程序制定和指導45Q碳儲存稅收抵免立法。
來源：Jarad Daniels(CEO, Global CCS Institute),THE CCUS HUB PLAYBOOK—A guide for regulators, industrial emitters and hub developers，2022
文章來源洛卡碳科
展開 可持續 | 肯尼亞初創公司借助仿真推動碳捕獲技術的發展
同時，該公司利用虛擬測試和原型設計，相比采用傳統物理試驗方法，最大限度地減少了時間和成本，從而加速產品開發。
了解DAC的不同之處
簡而言之，DAC直接從大氣中捕獲CO?，而點源碳捕獲則針對CO?排放源（如發電廠和工業設施）進行捕獲。那么，哪種方法更好呢？Octavia Carbon熱工程師Hannah Wanjau表示，其實兩種方法都有助于減少碳排放，各自服務于不同的目的，并具有獨特的優勢。
她指出，點源捕獲可防止CO?在排放時進入大氣，但僅限于特定位置，而且無法應對已存在于大氣中的CO?。另一方面，DAC可去除空氣中現有的CO? ，并可在具有充足可再生能源的任何地方進行部署，因此具有更高的通用性。
她說：“因此，DAC將在應對“歷史排放”（數百年來累積的CO?排放），以及抵消航空和重工業等領域不可避免的污染物排放方面發揮至關重要的作用。”DAC專注于去除大氣中的CO?，與點源捕獲相輔相成，有助于實現凈零目標和凈負排放潛力，從而幫助扭轉氣候變化。”
為了增強Octavia Carbon的DAC技術，Wanjau和其他工程師向Ansys尋求強大的多物理場仿真解決方案。
Octavia Carbon流體工程師Victoria Barasa表示：“我們的技術涉及氣體流動，因此我們需要一款工具來幫助我們優化技術設計，以實現最低成本、最高性能和最高安全標準。
DAC的另一個優勢是，捕獲的CO?可以永久封存在深層地質構造中，防止其再釋放到大氣中。此外，捕獲的CO?還可以轉化為有價值的產品，例如合成燃料、建筑材料和塑料。
然而，其優勢還遠不止于此。Octavia Carbon工程師表示，DAC技術具有精確的量化產出和可擴展性，從而確保碳去除工作的透明度。
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。
大連化物所劉健/史全《材料化學》設計相變碳氣凝膠多響應熱捕獲和存儲
然而，傳統的PCM只能通過溫度觸發來存儲熱能，這極大地限制了其在熱能捕獲應用中的通用性。最近，中科院大連化學物理研究所劉健和史全研究員團隊提出了一種多響應熱能捕獲和存儲系統，該系統包括摻鐵碳氣凝膠作為支撐基質和二十烷作為PCM。相關論文Thedesign of phase change materials with carbon aerogel composites formulti-responsive thermal energy capture and storage發表在《Journalof Materials Chemistry A》上。設計的PCM系統具有同時響應光，電，磁以及溫度的能力，展示了出色的性能，可將太陽能，電能和磁能轉換為以潛熱形式存儲在材料中的熱能。此外，多響應PCM表現出35°C的緩和轉變開始溫度，212 J g-1的相對較大的熱能存儲密度，在過渡過程中沒有液相泄漏的形狀穩定性以及出色的相轉變穩定性，即使在加熱1000次后，冷卻循環。該報道的PCM可能會為補充性多能量利用的發展提供啟示。
【圖文解析】
1.氣凝膠設計
摻鐵碳氣凝膠（FCA）PCM復合材料的合成過程如圖1所示。FCA源自廉價，環保且易于獲得的明膠作為碳源。它包含許多官能團，例如–NH2，–OH和–COOH。在溶膠-凝膠過程中，Fe3+和明膠之間的螯合作用增強了凝膠支架的連接，從而形成網絡結構。冷凍干燥和碳化后，最終形成獨特的多孔結構。在真空條件下將二十碳烷浸漬到FCA中后，獲得了FCA PCM復合材料。
圖1 FCA PCM復合材料的合成示意圖。
2.形態和結構表征
SEM和TEM圖像顯示了FCA的形態，如圖2所示，FCA2具有相互連接的大孔結構，孔徑在微米級別，如圖2（d）所示。
展開 李健：新型電力系統戰略規劃必須加強統籌協調
新型電力系統在建設過程中對顛覆性技術的訴求格外迫切，如碳捕獲、利用與封存技術和柔性直流技術、大規模長時效低成本儲能技術等都將成為推動規劃落地的重要抓手。
此外，在當前新型電網規劃中，建設完善相關體制機制也十分重要。面對多主體協同運行的未來，需要加速構建市場化機制、價格疏導機制，以及新業態、新模式的協同創新機制。
通過技術與機制創新破解“不可能三角”
中國能源報：如何統籌新型電力系統的安全、環保、經濟三大目標？實施路徑是什么？
李健：在戰略規劃研究中，要堅定目標，設立規劃期與完成期，同時要考慮影響各方各面的因素，特別是安全、環保和經濟這三者之間的關系，保證目標順利實現。
具體來看，要實現能源清潔轉型、構建新型電力系統，首先要保證電力安全可靠供應，其次要關注能源轉型技術的發展情況，同時還要計算每一項技術的經濟性及社會可承受的成本，這分別對應著安全、環保和經濟。由于統籌這三方面難度很高，國內外研究機構甚至將此稱為“不可能三角”。碳達峰碳中和目標提出后，規劃將把環保、清潔、綠色放在更高的位置，導致統籌三者之間關系的難度上升。
在新型電力系統建設過程中，技術創新是關鍵動力，需要產業鏈上下游聯合研發創新。同時，聯合技術攻關有望創造更加豐富的應用場景，有利于解決新型電力系統構建過程中遇到的實際問題，在促進產業升級這一內在需求的同時，激發整個行業科技創新的活力。事實上，若以現有技術構建新型電力系統，很難做到安全、環保、經濟協調統一。
展開 日本初創公司PJP Eye開發碳電池 利用從有機棉中回收的碳替代鈷
PJP Eye公司開發的替代電池，使用從有機棉（或任何可以轉化為碳的有機材料）中回收的碳，取代電極中的稀有金屬。
目前，該公司已經開始量產單碳電池，其中一個電極由碳制成，另一電極由普通金屬制成。在這一改進的基礎上，與傳統電池（充電循環次數約1500次）相比，單碳電池的充電速度提高了10倍，電池循環次數超過8000次。而且，這種電池的安全性高，在正常電池達到300°C及以上的情況下，其溫度不會超過50°C。
單碳電池的缺點在于，無法為電動汽車提供足夠的功率密度和電壓。其輸出電壓為3.6V，因此不適合電動汽車或飛機等應用（通常需要4.2V），然而非常適用于電動滑板車、衛星和小型無人機等解決方案。
至于電動汽車和其他需要高電壓的應用，PJP Eye正在研究一種方法，用碳取代電池中的兩個電極，在完全去除稀有金屬的同時實現更高的電壓，即5.2V。這種電池被稱為雙碳電池，目前已完成概念驗證，尚末進入生產階段。Oina認為，未來兩年有望投產。
該公司希望，通過創造電池技術，改善人們的生活，提高城市和車輛的效率。目前，因為規模有限，與傳統鋰離子電池相比，這種碳電池的成本更高。理論上講，未來通過擴大使用范圍，有望使其價格達到同等水平。
歸根結底，PJP Eye表示，其目標分為兩方面。對于發達國家來說，碳電池可能成為智能城市基礎設施和可持續電動汽車的基石。對于新興世界來說，可以為離網地點提供高效、安全的電力儲存，這可能更為重要。
-END-
展開 我國首套CCUS裝置開始調試，已利用電石渣礦化捕集CO2產出碳酸鈣
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在碳捕獲、利用與封存過程中能生產碳酸鈣？
近日，中國石化與殼牌、中國寶武、巴斯夫在上海（進口博覽會期間）簽署合作諒解備忘錄。四方將開展合作研究，在華東地區共同啟動我國首個開放式千萬噸級CCUS（碳捕獲、利用與封存）項目，為華東地區現有產業脫碳，打造低碳產品供應鏈。
四方簽署合作諒解備忘錄 圖源：中青網
據粉體網編輯了解，目前該CCUS技術的示范裝置已進入系統聯動調試階段，并產出成品碳酸鈣漿液。
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電石渣被“點”化成金
該項目采用高效礦化捕集利用與封存和長期穩定固碳技術，利用氯化銨溶液將工業廢物電石渣中的鈣溶解，再吸收煙氣中的二氧化碳，通過沉淀、過濾、提純、壓濾、烘干等步驟，得到具有經濟價值的綠色碳酸鈣和電廠脫硫碳酸鈣漿液，直接實現火電廠二氧化碳捕集、長期穩定封存和工業化利用。
建成后，該項目可每年處理二氧化碳1000噸，每小時可處理煙氣量818標方，年消耗3000噸電石渣，年產成品碳酸鈣2300噸，具有脫碳效率高、二氧化碳無需提濃、原料易得、長期穩定固碳、易于工業放大且經濟性良好等優勢。
主要裝置區設備 圖源：國家能源集團
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電石渣是什么？有哪些價值？
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