碳達(dá)峰、碳中和：二氧化碳捕集及利用技術(shù)

碳達(dá)峰、碳中和：二氧化碳捕集及利用技術(shù)

2020年9月22日第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論會(huì)上，以及2020年12月12日氣候雄心峰會(huì)上：中國提高國家自主貢獻(xiàn)力度，力爭2030年前碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和；到2030年，中國單位GDP二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右。2020年底召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議，也將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”列為2021年度8大重點(diǎn)任務(wù)之一。一、背

景碳達(dá)峰、碳中和中共中央

國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見（2021年9月22日）主要目標(biāo)到2025年，綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系初步形成，重點(diǎn)行業(yè)能源利用效率大幅提升。單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2020年下降13.5%；單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020年下降18%；非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右；森林覆蓋率達(dá)到24.1%，森林蓄積量達(dá)到180億立方米，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。到2030年，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型取得顯著成效，重點(diǎn)耗能行業(yè)能源利用效率達(dá)到國際先進(jìn)水平。單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗大幅下降；單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上；非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上；森林覆蓋率達(dá)到25%左右，森林蓄積量達(dá)到190億立方米，二氧化碳排放量達(dá)到峰值并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)中有降。到2060年，綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，能源利用效率達(dá)到國際先進(jìn)水平，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到80%以上，碳中和目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，生態(tài)文明建設(shè)取得豐碩成果，開創(chuàng)人與自然和諧共生新境界。一、背

景深度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)章節(jié)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)。加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)固碳增效。制定能源、鋼鐵、有色金屬、石化化工、建材、交通、建筑等行業(yè)和領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案。以節(jié)能降碳為導(dǎo)向，修訂產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄。開展鋼鐵、煤炭去產(chǎn)能“回頭看”，鞏固去產(chǎn)能成果。加快推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域低碳工藝革新和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。開展碳達(dá)峰試點(diǎn)園區(qū)建設(shè)。加快商貿(mào)流通、信息服務(wù)等綠色轉(zhuǎn)型，提升服務(wù)業(yè)低碳發(fā)展水平。堅(jiān)決遏制高耗能高排放項(xiàng)目盲目發(fā)展。新建、擴(kuò)建鋼鐵、水泥、平板玻璃、電解鋁等高耗能高排放項(xiàng)目嚴(yán)格落實(shí)產(chǎn)能等量或減量置換，出臺(tái)煤電、石化、煤化工等產(chǎn)能控制政策。未納入國家有關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的，一律不得新建改擴(kuò)建煉油和新建乙烯、對(duì)二甲苯、煤制烯烴項(xiàng)目。合理控制煤制油氣產(chǎn)能規(guī)模。提升高耗能高排放項(xiàng)目能耗準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)產(chǎn)能過剩分析預(yù)警和窗口指導(dǎo)。一、背

景2022年政府工作報(bào)告

“有序推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和工作”中提到：“落實(shí)碳達(dá)峰行動(dòng)方案。推動(dòng)能源革命，確保能源供應(yīng)，立足資源稟賦，堅(jiān)持先立后破、通盤謀劃，推進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型。加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，有序減量替代，推動(dòng)煤電節(jié)能降碳改造、靈活性改造、供熱改造。推進(jìn)大型風(fēng)光電基地及其配套調(diào)節(jié)性電源規(guī)劃建設(shè)，提升電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力。推進(jìn)綠色低碳技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，建設(shè)綠色制造和服務(wù)體系，推進(jìn)鋼鐵、有色、石化、化工、建材等行業(yè)節(jié)能降碳。堅(jiān)決遏制高耗能、高排放、低水平項(xiàng)目盲目發(fā)展。推動(dòng)能耗“雙控”向碳排放總量和強(qiáng)度“雙控”轉(zhuǎn)變，完善減污降碳激勵(lì)約束政策，加快形成綠色生產(chǎn)生活方式?！币?、背

景二、碳捕集利用與封存指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來,用各種方法儲(chǔ)存以避免其排放到大氣中,并且加以合理利用的一種技術(shù)。它包括二氧化碳捕集、運(yùn)輸、封存和使用,可以使單位發(fā)電碳排放減少85%至90%。碳捕集利用與封存（CCUS）CCUS技術(shù)環(huán)節(jié)二、碳捕集利用與封存1）CCUS技術(shù)是唯一能夠大量減少工業(yè)流程溫室氣體排放的手段。

對(duì)于煉化、燃料電廠、水泥和鋼鐵行業(yè)來說，要想實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中的深度減排，CCUS技術(shù)是必不可少的，而且是可再生能源電力和節(jié)能技術(shù)不可替代的，2）CCUS技術(shù)是未來具有一定經(jīng)濟(jì)性的減排手段。3）CCUS是生產(chǎn)低碳?xì)涞闹匾緩街弧?/p>

IEA指出，除使用可再生能源電解水制氫外，經(jīng)過CCUS技術(shù)改造的化石能源制氫設(shè)施也是低碳?xì)涞闹匾獊碓础Ｄ壳?，全球?jīng)過CCUS技術(shù)改造的7個(gè)制氫廠每年可生產(chǎn)40萬噸的氫氣，是電解槽制氫量的3倍。碳捕集利用與封存（CCUS）意義二、碳捕集利用與封存在IEA提出的2070年全球能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)近零排放的“可持續(xù)發(fā)展情景”中，CCUS對(duì)累積減排量的貢獻(xiàn)度將超過15%。到2070年，全球約11億千瓦燃料電廠將配置CCUS，占全部電源發(fā)電量的8%，發(fā)電量約6萬億千瓦時(shí)。發(fā)展CCUS技術(shù)是在我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主的現(xiàn)實(shí)背景下有效控制溫室氣體排放、實(shí)現(xiàn)降碳目標(biāo)的一項(xiàng)重要舉措CCUS是鋼鐵、水泥、化工等難以減排行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)選擇。二、碳捕集利用與封存碳捕集利用與封存（CCUS）

前

景三、碳捕集技術(shù)碳捕集富氧燃燒燃燒后燃燒前捕集碳捕集途徑三、碳捕集技術(shù)燃燒前捕集技術(shù)

燃燒前碳捕集是先將化石燃料通過氣化反應(yīng)生成合成氣（主要成分為H2和CO），然后再進(jìn)一步通過變換反應(yīng)，將CO和H2O轉(zhuǎn)換成H2和CO2，變換后的混合氣體中壓力可達(dá)高、CO2含量可達(dá)30%-40%，再通過物理吸收工藝將CO2分離出來。三、碳捕集技術(shù)燃燒前捕集技術(shù)

因?yàn)樽儞Q氣中CO2分壓較高，濃度高，因此可以減小捕集裝置的規(guī)模，而且可以采用能耗較低的物理吸收工藝。已商業(yè)化的物理吸收工藝主要有Lurgi和Linde公司共同開發(fā)的低溫甲醇法（Rectisol）、美國Allied化學(xué)公司開發(fā)的聚乙二醇二甲醚法（Selexol）、N-甲基吡咯烷酮法（Purisol）以及美國Flour公司的碳酸丙烯酯法等。二、碳捕集技術(shù)富氧燃燒富氧燃燒技術(shù)首先進(jìn)行空氣分離以產(chǎn)生O2(濃度高于95%)，然后將燃料和O2一同輸送到純氧鍋爐進(jìn)行燃燒。由于避免了燃料和空氣的直接接觸，因而煙氣中CO2組分濃度較高，便于CO2富集與提純。在富氧燃燒工藝中，燃燒生成的70%～80%煙氣重新返回鍋爐，以降低燃燒溫度。三、碳捕集技術(shù)富氧燃燒由于煙氣的主要成分是CO2和H2O，易于分離，因而可顯著降低CO2的捕集能耗只要經(jīng)過干燥、壓縮、脫硫等過程就可以得到高純度的CO2，同時(shí)因燃燒介質(zhì)中氮?dú)夂可伲瑴p少了NOx的排放。三、碳捕集技術(shù)燃燒后捕集技術(shù)燃燒后碳捕集是指利用適合的捕集方法從化石燃料燃燒后的煙氣中分離捕集CO2。三、CO2吸收技術(shù)CO2吸收技術(shù)化學(xué)吸收法相變?nèi)軇┪瘴椒し蛛x法低溫分離法三、CO2吸收技術(shù)化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法是目前應(yīng)用較為廣泛且技術(shù)較為成熟的一種方法。目前化學(xué)吸收法常見的吸收劑包括:氨水、離子液體、碳酸鉀溶液、醇胺溶液吸收劑優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用氨水氨水對(duì)CO2的捕集具有低能耗、低腐蝕性，且優(yōu)于傳統(tǒng)MEA溶液氨水具有高揮發(fā)性，運(yùn)行中將會(huì)有大量氨逃逸，容易對(duì)環(huán)境造成二次污染阿爾斯通（Alstom）公司、Powerspan公司等具有工業(yè)化示范裝置離子液體不宜燃燒，熱穩(wěn)定性好，蒸汽壓低，優(yōu)良的催化性能和引入功能基團(tuán)昂貴無工業(yè)應(yīng)用熱鉀堿低成本、低能耗、高穩(wěn)定性碳酸鉀吸收CO2的速度較慢，龐大的運(yùn)行設(shè)備應(yīng)用廣泛醇胺法吸收CO2速率快、負(fù)載量大、價(jià)格低廉解吸CO2的能耗占捕集總能耗的70%～80%，應(yīng)用廣泛三、CO2吸收技術(shù)化學(xué)吸收法為了突破化學(xué)吸收法所面臨的再生能耗高、CO2捕集設(shè)備龐大，循環(huán)效率低的困境，研究的重點(diǎn)主要集中在吸收劑的篩選方面。綜合利用一二級(jí)胺的快速反應(yīng)能力和三級(jí)胺的高吸收容量，在保障高的反應(yīng)速率的基礎(chǔ)上，添加其他吸收劑降低再生能耗研究方向三、CO2吸收技術(shù)化學(xué)吸收法目前根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物化學(xué)形態(tài)的不同，可以將相變?nèi)軇┓譃橐?液相變和固-液相變兩種。其中液-液相變?nèi)軇┦侵赶嘧內(nèi)軇┪斩趸己笠蛎芏取ざ鹊仍蛐纬苫ゲ幌嗳莸膬上?，其中一相富含二氧化碳，被稱為富相，則另一相溶液為貧相相較于傳統(tǒng)30%MEA的3.9GJ/tCO2再生能耗，相同條件下的DMXTM再生能耗只有2.3GJ/tCO2，甚至在優(yōu)良條件下可以下降到2.1GJ/t目前，固-液相變吸收劑主要包括氨基酸鹽溶液、碳酸鉀溶液、冷氨溶液等水性溶劑以及一些基于非水溶劑的胺類溶液三、CO2吸收技術(shù)相變?nèi)軇┪兆儔何椒?PSA)分離CO2的關(guān)鍵是選擇具有高選擇性和高吸附容量、強(qiáng)解吸能力的吸附劑。因此，很多學(xué)者開發(fā)研究了各種吸附劑，如活性炭、沸石、硅膠、活性氧化鋁、脲醛和三聚氰胺甲醛樹脂，聚乙烯亞胺和中空纖維碳膜吸附劑等變壓吸附法已經(jīng)在工業(yè)上成功應(yīng)用，但是相對(duì)于吸收法，變壓吸附法的能耗還是較大，并且變壓吸附法對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格，需要兩次加壓，造成成本較大。同時(shí)還要克服吸附劑選擇困難等問題三、CO2吸收技術(shù)變壓吸附法膜分離法捕集二氧化碳是一項(xiàng)比較新興的技術(shù)，它是利用特定膜的選擇性作用，通過膜與煙氣中的CO2之間的物理或化學(xué)作用來進(jìn)行選擇性的吸收，因其具有高接觸面積，模塊性好，操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ拿撎技夹g(shù)。將膜法和其他捕集二氧化碳的方法相結(jié)合，即能夠增加二氧化碳吸收效率，又能解決傳統(tǒng)化學(xué)吸收法再生能耗高的問題，擁有很大的開發(fā)前景膜分離法三、CO2吸收技術(shù)低溫分離法是通過低溫冷凝分離CO2的一種物理過程該方法提取出的CO2純度較高，便于管道輸送及汽運(yùn)，可直接用于食品加工等行業(yè)，但在冷凝壓縮過程中需要大量的額外能量，并且工藝設(shè)備投資比較大，這也是其限制發(fā)展的原因。低溫分離法三、CO2吸收技術(shù)四、碳封存若把CCS作為一個(gè)系統(tǒng)來看，碳捕集的成本要占到2/3，碳封存的成本占1/3。碳封存技術(shù)相對(duì)于碳捕集技術(shù)也更加成熟，主要有3種：含鹽咸水層封存油氣層封存煤氣層封存。咸水層封存是指將二氧化碳封存于距地表800m以下的咸水層當(dāng)中。通常咸水層空氣體積大，可封存相當(dāng)多的二氧化碳。

我國缺少咸水層地質(zhì)情況的數(shù)據(jù)資料，目前尚不能實(shí)施咸水層封存。而且這項(xiàng)技術(shù)的投資也較大咸水層封存四、碳封存廢棄油氣層封存國際上有企業(yè)在研究利用廢棄油氣層的可行性，但并不被看好。主要原因在于目前對(duì)油氣層的開采率只能達(dá)到30%~40%，隨著技術(shù)的進(jìn)步，存在著將剩余的60%~70%的油氣資源開采出來的可能性。所以，世界上尚不存在真正意義上的廢棄油氣田。現(xiàn)有油氣層封存利用現(xiàn)有油氣田封存二氧化碳被認(rèn)為是未來的主流方向，這項(xiàng)技術(shù)被稱為二氧化碳強(qiáng)化采油(CO2-EOR)技術(shù)，既可以提高采收率，又實(shí)現(xiàn)了碳封存，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益和減排效益。油氣層封存四、碳封存依據(jù)目前的采油技術(shù)，全球油田的采收率平均只有32%左右，如果采用CO2-EOR技術(shù)，那么采收率可提高至40%~45%。全球大概有9300×108t以上的二氧化碳可以被封存到油藏中，這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于2050年全球累計(jì)排放量的45%。油氣層封存四、碳封存

將二氧化碳注入比較深的煤層當(dāng)中，置換出含有甲烷的煤層氣，所以這項(xiàng)技術(shù)也具有一定的經(jīng)濟(jì)性。必須選在較深的煤層中，以保證不會(huì)因開采而造成泄漏。我國已經(jīng)和加拿大合作開發(fā)了示范項(xiàng)目，投資高、效果不錯(cuò)。問題在于二氧化碳進(jìn)入煤氣層后發(fā)生融脹反應(yīng)，導(dǎo)致煤氣層的空隙變小，注入二氧化碳會(huì)越來越難，逐漸再也無法注入。煤氣層封存四、碳封存CO2生物利用是以生物轉(zhuǎn)化為主要手段，將CO2用于生物質(zhì)合成，實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用的過程主要產(chǎn)品有食品和飼料、生物肥料、化學(xué)品與生物燃料、氣肥等。生物利用技術(shù)的產(chǎn)品附加值較高，經(jīng)濟(jì)效益較好。生物利用五、CO2利用CO2加氫還原CO2與氫氣合成甲醇CO2與氫氣制C2烴CO2與氫氣合成二甲醚CO2加氫合成醋酸CO2加氫生成乙醛

高選擇性合成汽油燃料CO2加氫烴類產(chǎn)物中C5—C11烴的選擇性高達(dá)80%，而甲烷僅有1%，且烴類組分以高辛烷值的異構(gòu)烴為主（中國科學(xué)院上海高等研究院）五、CO2利用化學(xué)利用該研究目前還處于探索階段。技術(shù)成熟，有工業(yè)化項(xiàng)目。

蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目CO2氨化反應(yīng)：尿素、三嗪醇、三聚氰胺、碳酸氫銨CO2與CH4反應(yīng)CO2與CH4反應(yīng)制合成氣CO2與CH4反應(yīng)一步合成C2烴CO2與甲醇反應(yīng)合成碳酸二甲酯DMCCO2與環(huán)氧化合物反應(yīng)CO2與環(huán)氧丙烷反應(yīng)生成聚碳酸酯樹脂CO2與EO反應(yīng)生成碳酸乙烯酯化學(xué)利用五、CO2利用CO2和金屬或非金屬氧化物反應(yīng)可以生產(chǎn)無機(jī)化工產(chǎn)品

輕質(zhì)Na2CO3、N