碳捕獲與封存技術的案例
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 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！
為了對我們的凈零之旅產生突破性影響，我們正在探索一系列下一代技術，以幫助我們實現建筑環境的脫碳。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。
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 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 
可持續 | 肯尼亞初創公司借助仿真推動碳捕獲技術的發展
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。與點源碳捕獲不同，DAC技術還可在占地面積更小的前提下實現擴展，因為它不受特定區域限制，并可部署于排放源以外的地點。
展開 碳捕集與封存(CCS)是如何工作的？
這些技術能否兌現承諾？
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。
展開 碳捕集、利用與封存(CCUS)價值鏈研究
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。
CO2的封存需要將其注入地下深層孔隙巖地質儲層，如鹽堿含水層、枯竭油氣儲層，或含有高濃度活性鈣鎂離子的巖層并已形成穩定的碳酸鹽。據國際能源署2020年一項詳細分析顯示，工業國家70%的排放量是在距離潛在儲存地點100至300公里的范圍內釋放的。目前，至少有8000Gt的空間可用于碳封存。
圖8 MAN Energy Solutions碳捕集、利用與封存解決方案 圖源/MAN Energy Solutions
地質封存的深度必須大于800米，以保持CO2處于稠密液體狀態。這就要求注入壓力通常保持在130至250 bar之間。氣候與能源方案中心列出了超過20處，在各種地質背景已經累計數十年經驗的封存現場。
壓縮技術
壓縮技術是實現CO2管道輸送或以液相注入的前提。壓縮和脫水過程在CO2捕集價值鏈的成本中占比約15%，在總能量消耗中占比約25%。
1.高效整體齒輪式壓縮機
隨著能源成本不斷增加，降低壓縮成本顯得尤為重要。壓縮機設計的選擇會有影響。整體齒輪式壓縮機在效率、中冷、葉輪總數、工藝抽氣/旁路的靈活性，以及入口導葉流量控制等方面優于單軸壓縮機設計。
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 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 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 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。
韓國開發碳碳復合材料表面處理技術
近日，韓國研究團隊開發出一種碳碳復合材料表面處理技術，有望替代傳統的鍍鉻工藝。該項技術由韓國碳融合技術院和大英工程公司共同開發，采用了電解沉積涂裝工藝，可以在碳碳復合材料上呈現出鮮明的色彩。
碳碳復合材料是一種高強度的輕便型未來高端材料，而全州市是韓國碳碳復合材料產業的重點地區，隨著用途的進一步拓展，碳產業的競爭力也有望進一步提升。自2016年起，位于全州的韓國碳融合技術院與大英工程公司開展合作，共同開發可以呈現碳碳復合材料多彩顏色的電解沉積涂裝技術，該課題名稱為“碳復合配件高級電解沉積新工藝技術開發”，是一項創新融合研發項目，歷時兩年取得階段性成功。https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/10391.html
值得一提的是，通過此次技術開發，韓國碳融合技術院將碳碳復合材料上賦予導電性，并與大英工程公司高級電解沉積涂裝技術相結合，可以在包括碳碳復合材料在內的各種絕緣配件上進行電解沉積涂裝。
如果該項技術得到商業化應用，還有望替代傳統的鍍鉻工藝，緩解環境污染問題。因此，該項技術已經得到了極大的關注。去年年底，在美國亞特蘭大舉辦的“國際表面處理博覽會”上，大英工程公司與80余家來自航天、航空和汽車行業的復合材料企業進行了洽談，與10家企業基本開展采購商談，也有部分企業于今年2月實地考察了大英工程公司的生產現場。https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/10387.html
今年3月，大英工程公司投資50億韓元，用于興建電解沉積涂裝處理的專用產線，這項碳碳復合材料技術一旦實現商用化，不僅有助于企業增大銷售，還可以為地區創造更多的就業崗位，進而帶動全州地區的經濟發展。
展開 碳中和時代，我們需要什么技術來減少碳排放？
碳捕獲、使用和儲存 (CCUS)是一種脫碳技術，可以使從高排放工業設施中捕獲的 CO 2得以永久運輸和儲存。CCUS 還可以通過低碳方式生產電力和氫氣：這兩種重要的能源載體可以幫助一系列行業脫碳。此外，兩種 CCUS 應用——帶碳捕獲和儲存的生物能源 (BECCS) 和直接空氣碳捕獲和儲存 (DACCS)——可以去除現有的 CO 2從大氣中。BECCS 和 DACCS 屬于更廣泛的技術集——統稱為二氧化碳去除 (CDR) 或負排放技術 (NETs)——旨在通過降低大氣中 CO 2 的濃度來抵消氣候變化的影響。
盡管目前用于脫碳目的的商業 CCUS 應用數量有限?，而且術性能存在不確定性?但大多數預計實現全球凈零排放的途徑都涉及某種程度的 CCUS?例如，國際能源署估計，CCUS 可以實現 11% 的減排，到 2050 年使全球與能源相關的排放量達到凈零。為此，政府需要制定正確的政策和激勵措施來推動投資?入該領域。
氫
氫是一種清潔、多功能的能源載體，可以在某些昂貴或難以電氣化的能源使用領域替代化石燃料。因此，氫可以成為重工業、化學生產和長途運輸（公路貨運、航運和航空）等行業脫碳的重要推動力。氫氣還有可能取代天然氣用于住宅取暖，盡管電氣化預計將成為世界許多地區該行業的主要脫碳途徑。
與化石燃料不同，氫在自然界中不容易找到，需要在使用前生產。生產氫氣的低碳方式包括由低碳電力驅動的電解和天然氣的蒸汽重整，其中使用 CCUS 捕獲產生的碳排放。
展開 碳纖維簡史：今天從美國碳纖維技術發展史說起！
（二）高性能碳纖維技術誕生于基礎研究的科學發現。
石墨晶須，及其特性和微觀結構，是在基礎科學研究中發現的。這一發現，為高性能碳纖維制造技術研究提供了方向和目標。20世紀50-70年代，基礎科學研究的發現和大量工程技術的發明，對于高性能碳纖維技術的成熟和完善，功不可沒。
（三）高性能碳纖維技術領域存在著“美日同盟”。
日本科學家進藤昭男之所以萌生開展碳纖維研究的念頭，是因為受到了美國該領域技術進展報道的啟發。日本東麗公司成功實現PAN基碳纖維商業化后，與美國聯合碳化物公司簽署原絲與碳化技術互換協議，使兩家公司同時擁有了高性能碳纖維生產的全過程技術。此后，其它日本公司也生產出了性能優異的丙烯腈纖維前驅體。
日本住友公司（Sumitomo Corporation）為美國赫爾克里斯公司（Hercules Incorporated）提供丙烯腈纖維前驅體，并經英國考陶爾斯公司（CourtauldsPLC）授權生產碳纖維。美日技術合作使高性能碳纖維技術得以快速研發并廣泛應用。
今天，美國波音飛機采用的都是日本東麗公司生產的碳纖維。2015年，日本東麗公司又把從丙烯腈原絲到碳化的全過程碳纖維生產工廠建在了美國，以滿足波音公司生產先進飛機對碳纖維快速增長的需求。美日的技術互動，是推動高性能碳纖維技術不斷向前沿發展的重要因素之一。
（來源：碳纖維生產技術）
展開 【技術干貨】一文詳解影響碳纖維及其復合材料壓縮性能的結構因素（二）碳纖維的微觀結構及壓縮破壞
然而，也有研究稱，較高的晶粒取向會降低抗壓強度，這表明碳纖維的破壞機制與在壓縮載荷下排列不整齊的晶體的嚴重彎曲無關，而與屈曲相反。
雖然對于圖2d機理沒有給出明確的解釋，但可以理解，這一機制是不可能的，因為均勻的壓縮載荷作用在微晶的橫截面上，除非微晶平面之間存在嚴重缺陷。此外，如果考慮壓縮下整個微晶的屈曲（圖2e），則使用彈性理論進行理論計算得出的微觀結構的預測抗壓強度將超過真實的碳纖維抗壓強度，從而使該理論失效。最后，根據理論計算和實際值之間的關系，提出碳纖維抗壓強度受限于不受支撐區域彎曲單個微晶平面所需的應力，如圖2f所示
參考碳纖維的微觀結構，亂層石墨結構包圍有大量孔隙。增加碳化時間和溫度，可將這些亂層結構轉變為高度排列和更緊密結合的石墨片層結構，同時增加了纖維模量。
然而，這些微晶和石墨片狀結構（見圖3）隨著它們的生長以及相關的無支撐孔隙或區域的長度，會成為壓縮性能的限制因素。為了解釋高模量和高強度纖維的壓縮破壞機制，有人使用了如圖3所示的皮芯模型，其中纖維的皮層區域描繪了高度定向的大晶粒并包圍針狀孔。
圖3 微觀尺度碳纖維壓縮破壞機理
由于較長孔隙的存在，在較低的應力水平下，這些較大晶粒的屈曲更容易發生在無支撐區域，導致隨著負載的增加而破壞。相比之下，芯部區域多為無序和無定形結構，由更小的孔和更小的微晶組成。這種無序區域和較小的微晶可以在破壞前抵抗更高的壓縮載荷，并有更大的能力通過裂紋擴展耗散能量。
文章來源：碳纖維及其復合材料技術
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