韓桂芬，張 敏，包立

(1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210003;2.東南大學自動化學院，江省南京210018; 3.法國巴黎電子信息學院，法國巴黎75004)

CCUS技術路線及發(fā)展前景探討

Analysis of technical approaches and development prospect of CCUS technology

韓桂芬1，張 敏1，包立2，3

(1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210003;2.東南大學自動化學院，江省南京210018; 3.法國巴黎電子信息學院，法國巴黎75004)

二氧化碳捕集、利用與封存技術(CCUS)作為一項新興的、具有大規(guī)模減排CO2潛力的技術，近幾年來受到國內外的廣泛關注。簡要介紹了CCUS的基本原理，闡述了我國及主要發(fā)達國家CCUS技術路線，分析了我國發(fā)展CCUS的技術原則、技術政策及相關舉措，為我國開展CCUS技術研究和工程示范提供參考。

二氧化碳捕集;利用與封存;技術原理;技術路線;技術政策

1 CCUS技術的提出及其重要意義

全球氣候變暖已成為國際熱點問題，CO2因具有溫室效應被普遍認為是導致全球氣候變暖的重要原因之一。如何減少CO2排放，降低大氣中CO2濃度，是人類面臨的共同難題。我國政府在“十二五”規(guī)劃中進一步明確了能源戰(zhàn)略和減排的基本思路，設定了到2020年碳排放強度比2005年水平下降40%～45%、“十二五”期間碳排放強度降低17%的減排目標，并制定和實施了一系列節(jié)能減排方案。中國以煤為主的資源稟賦和能源消費的增長趨勢給實現(xiàn)低碳轉型和國家減排目標帶來了挑戰(zhàn)，CO2捕集、利用與封存作為一項新興的、具有大規(guī)模減排潛力的技術，是中國應對氣候變化的一項重要戰(zhàn)略選擇，對達成國家減排目標、實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

2 CCUS的基本原理與技術路線

2.1 CCUS的基本原理

二氧化碳捕集、運輸、封存與利用(CCUS)技術主要包括捕集、運輸、封存與利用4個環(huán)節(jié)。概括來說，碳捕集環(huán)節(jié)是指將大型發(fā)電廠所產(chǎn)生的CO2從電廠的排放煙氣中分離出來，通過一系列處理流程之后形成高純度的CO2，經(jīng)過凈化、干燥與降溫等處理環(huán)節(jié)，最后壓縮到具有一定溫度、壓強工況CO2流，以適應運輸和儲存的需要。運輸環(huán)節(jié)是將收集到的CO2通過管線和船只等運輸?shù)椒獯娴亍Ｍㄟ^管線輸送壓縮的CO2是當前的主要方法，自1970年以來就得到應用，美國已建有2500km的CO2輸送管線。液態(tài)CO2也可以通過船舶輸送，而且是一種經(jīng)濟上更可行的輸送方案。封存可分為地質封存、海洋封存、化學封存三種方式。地質封存是將CO2注入不同的地質體中，如海底鹽沼池、油氣層和煤井等，儲存的深度一般在800m以下，這樣深度的溫壓條件可以保持CO2為液態(tài)。地質封存技術是一項成熟的技術，已在油氣行業(yè)應用了數(shù)十年。海洋封存是通過管道或船舶把CO2釋放到海洋水體中或3000m以下的海床上，在“溶解型”海洋封存中，CO2迅速地溶解到海水中，而在“湖泊型”海洋封存中，CO2最初是沉積在海床上的液體。海洋封存技術還存在技術上的不確定性，對海洋環(huán)境和海洋生物也有較大的風險。化學封存通過化學反應將CO2轉化成無機礦物性碳酸鹽從而達到幾乎永久性的儲存，這方面的技術也仍處于研究階段，其經(jīng)濟可行性和減排效率也存在很大的不確定性。二氧化碳的資源化利用技術主要包括:合成可降解塑料、油田驅油、合成高純一氧化碳、煙絲膨化、化肥生產(chǎn)、超臨界二氧化碳萃取、飲料添加劑、食品保鮮和儲存、焊接保護氣、滅火器、粉煤輸送、改善鹽堿水質、培養(yǎng)海藻等。其中合成可降解塑料和油田驅油技術是比較成熟且產(chǎn)業(yè)化應用前景廣闊的技術。

2.2 CCUS技術路線

2.2.1 主要發(fā)達國家CCS技術路線

碳捕集與封存(CCS)技術由于能夠有效減少碳排放，減緩全球變暖效應，因此受到許多國家的重視。目前，美國、歐盟、加拿大、澳大利亞、日本等國已經(jīng)提出了CCS技術發(fā)展路線圖。

美國能源部于2010年12月發(fā)布的CCS研發(fā)示范路線圖，由美國能源部國家能源技術實驗室(NETL)負責完成，聚焦于為燃煤發(fā)電系統(tǒng)提供具有成本效益的先進CCS技術，所需要開展的研究、開發(fā)和示范工作。路線圖確定了新的發(fā)展路徑，重點關注高效、經(jīng)濟的解決方案以快速實現(xiàn)商業(yè)化。CCS技術要克服經(jīng)濟、社會和技術層面等多種挑戰(zhàn)，有效監(jiān)測與核實CO2封存情況;CO2地下永久封存;公眾接受程度等。

歐洲是CCS技術研發(fā)的先驅。2006年，歐委會、歐洲工業(yè)界、NGOs、科學家以及環(huán)保學者聯(lián)合起來開展“歐洲零排放化石燃料發(fā)電站(ETP－ZEP)技術平臺”，技術平臺主要從降低零排放發(fā)電成本、示范CO2地質封存的安全性、加強CO2運輸、解決環(huán)境問題、獲得公眾支持、面向2020這6個方面來進行，并詳細列出了各方面的具體措施。2007年，歐盟發(fā)布了戰(zhàn)略能源技術計劃(SET－Plan)的技術路線圖及低碳技術開發(fā)的投資，在戰(zhàn)略能源技術計劃中對CCS的技術開發(fā)、部署、研究、實施、投資、取得的主要成果等進行了詳細的規(guī)劃。

加拿大CCS技術發(fā)展路線圖(CCSTRM)的制定經(jīng)過了形勢分析、技術路徑與研發(fā)戰(zhàn)略確認、研發(fā)與示范優(yōu)先方向確認以及最終撰寫四個階段。路線圖深度分析了加拿大目前在CCS方面所面臨的挑戰(zhàn)和機遇，并對加拿大在開發(fā)CCS技術方面的技術需求以及時間表進行了詳細評述。此外，技術路線圖提出了六大關鍵目標，分別從政策與法規(guī)框架、公共宣傳與教育、技術跟蹤與國際合作、科學與技術研發(fā)、工程示范、利益相關者的國家級協(xié)調方面制定了CCS的未來目標、行動、產(chǎn)出和預期成果等。

《澳大利亞CO2捕集與封存技術發(fā)展路線圖》的實施主要分為四個階段:第一階段建立基礎，用5年時間對各項初步工作進行評估，從而對該技術的性能和知識積累做出貢獻;第二階段，在5～10年內形成該技術研究和發(fā)展方面的最完備的體系;第三階段，在10～20年里進行CO2捕集和封存技術的工程實踐;第四階段，在20～30年里使CO2捕集和封存技術在發(fā)展氫經(jīng)濟領域獲得廣泛應用。

日本的CCS研究基本與歐洲及北美國家同步。日本CCS發(fā)展路線圖主要為:2008年－2010年開展地質封存中試研究;2010年－2020年開展大規(guī)模系統(tǒng)示范;2020開始實施CCS技術，包括利用CO2提高石油采收率，封存到咸水層，注入枯竭天然氣田以及煤層，還有發(fā)展運輸技術等。

分析國際上主要發(fā)達國家CCS技術發(fā)展路線圖，可為我國CCUS研發(fā)及確定CCUS技術路線圖提供借鑒和參考。

2.2.2 我國CCUS技術路線

中國的國情、發(fā)展階段和能源結構決定了碳捕集、利用與封存技術(CCUS)是中國應對氣候變化的一項重要戰(zhàn)略選擇，也是全球碳捕集與封存最具潛力的市場。因此，研究并制定符合我國國情的CCUS技術路線圖，對于指導中國有序開展CCUS技術研究、提高技術研發(fā)能力、應對氣候變化能力和綜合競爭力具有重要的意義。

中國科學院院士倪維斗、中國工程院院士費維揚等專家學者也在不同場合多次提到中國要走符合中國國情的碳捕集、利用與封存路線。倪維斗指出，中國碳捕集、利用與封存可分三個階段進行:第一階段從天然氣中分離CO2，并用來提高石油采收率和煤層氣采收率;第二階段從煤化工行業(yè)捕集CO2，進行利用與封存;第三階段進行燃煤電廠的碳捕集、利用與封存。

3 我國發(fā)展CCUS的技術原則、技術政策及相關舉措

3.1 我國發(fā)展CCUS的技術原則

2009年，科技部萬鋼部長在出席碳收集領導人論壇(CSLF)時表示:在CCS尚未成熟的今天，應將重心放在加強技術開發(fā)上;發(fā)達國家應率先示范CCS技術并提供資金、技術轉移和能力建設的支持，幫助中國發(fā)展CCS技術;并尤其關注CO2資源化利用的新方法、新技術的合作研究和開發(fā)。因此，我國發(fā)展CCUS技術的基本原則主要有以下三個方面:

(1)在碳捕集與封存技術還沒有成熟的今天，應將重心和優(yōu)先放在加強技術開發(fā)上。CCUS是一項新興的、具有大規(guī)模減排潛力的技術，有望實現(xiàn)化石能源使用的CO2近零排放，可成為未來控制溫室氣體排放的重要手段之一。但是，CCUS總體上仍處在研發(fā)和示范階段，目前仍存在許多制約其發(fā)展的突出問題，包括能耗和成本過高、可持續(xù)發(fā)展效益不顯著、長期封存的安全性和可靠性等。

(2)發(fā)達國家應率先示范CCS技術，幫助發(fā)展中國家發(fā)展CCS技術。為促進CCS技術的發(fā)展與應用，歐盟、美國、澳大利亞等發(fā)達國家均已啟動大規(guī)模的計劃推動CCS技術的研發(fā)與示范，并在G8，G20等框架下積極推動CCS在全球范圍的發(fā)展。

(3)應關注CO2資源化利用的新方法、新技術的合作研究與開發(fā)。CO2是工業(yè)活動的必然產(chǎn)物，對其進行捕集和封存在經(jīng)濟上是純耗費的行為，如能加以資源化利用，可創(chuàng)造額外的經(jīng)濟效益。因此，研發(fā)創(chuàng)新型的CO2資源化利用技術應得到格外關注。開展CCUS技術研發(fā)和儲備，將為我國未來溫室氣體減排提供一項重要的戰(zhàn)略性技術選擇。

3.2 我國發(fā)展CCUS的技術政策

我國政府對CCUS技術給予高度重視?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006年－2020年)》在先進能源技術重點研究領域提出了“開發(fā)高效、清潔和CO2近零排放的化石能源開發(fā)利用技術”。國務院于2007-06-04發(fā)布《中國應對氣候變化國家方案》，方案將發(fā)展CCUS技術列入溫室氣體減排的重點領域。2007-06-14，科技部聯(lián)合發(fā)改委、外交部等14個部門聯(lián)合發(fā)布《中國應對氣候變化科技專項行動》?！秾ｍ椥袆印分忻鞔_將開發(fā)CCUS技術列入控制溫室氣體排放的重點領域，并作為重要任務，加強研發(fā)投入，推動技術示范。2011-07-04，國家科學技術部發(fā)布《國家“十二五”科學和技術發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃明確提出我國將大力發(fā)展CO2捕集、利用與封存等技術。

3.3 我國發(fā)展CCUS的相關舉措

2005年，CCS技術被編入《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2006年－2020)》。2007年，國家發(fā)改委應對氣候變化司設立了加強先進技術研發(fā)和推廣的目標，其中包括CCS技術。同年由科技部、發(fā)改委等十四家部位和機構發(fā)起的“國家應對氣候變化科技專項行動”將研發(fā)CCS關鍵技術和措施、制定技術路線圖、開展能力建設和工程技術示范作為重要任務。科技部通過“973計劃”、“863計劃”等大型科研項目支持CCS相關研究。2011-07-28，由亞行和發(fā)改委聯(lián)合主辦的“碳捕集和封存國際研討會”上國家發(fā)改委副主任解振華強調，應該“大力加強技術創(chuàng)新和機制創(chuàng)新，加強清潔煤技術、核能技術、建筑節(jié)能、新能源汽車以及碳捕獲、利用和儲存等技術的自主研發(fā)和推廣”。同時，中國政府也積極與多國政府建立合作關系，支持和促進相關企業(yè)和研究機構開展CCS技術相關的國際合作。

4 結語

我國經(jīng)濟的快速增長對能源的需求日益增加，溫室氣體排放量已位居世界前列，而中國又是一個深受氣候變化影響的發(fā)展中國家，極端天氣事件頻發(fā)。目前以煤炭為主的一次能源和以火力發(fā)電為主的二次能源結構，使二氧化碳捕集、利用與封存技術(CCUS)應用前景廣闊，也必將成為我國碳減排和應對氣候變化的重要戰(zhàn)略選擇。因此，研究CCUS技術發(fā)展原理，分析CCUS技術路線、技術政策等相關問題，為我國從事CCUS技術研究及工程示范提供參考。進一步加強CCUS技術研究，推動我國CCUS技術創(chuàng)新及技術發(fā)展，為實現(xiàn)我國“十二五”減排戰(zhàn)略目標及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

［1］武漢文獻情報中心.國際二氧化碳捕集與封存技術路線圖解析［EB/OL］.http://www.whlib.ac.cn/xxfw/qbyj/xny/yjcp/201103/ t20110318_3088965.html，2011-03-18.

［2］周蒂，孫珍.《廣東省二氧化碳捕集與封存可行性研究》中英合作項目正式啟動［J］.熱帶海洋學報，2010，29(3):155－156.

［3］科技部網(wǎng)站.國家863計劃先進能源技術領域基于IGCC的CO2捕集、利用與封存技術研究與示范［EB/OL］.http://www.most.gov.cn/tztg/201010/P020101021502232189245.pdf，2010-10-21.

［4］中國科技部.碳捕集、利用與封存技術在中國［EB/OL］.http:// toronto.china－consulate.org/chn/keji/t760530.htm，2010-10-13.

X701.7

B

1674－8069(2012)04－008－03

2012-03-26;

2012-06-05

韓桂芬(1961-)，女，江蘇靖江人，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動化研究工作。E－mail:hgfynp@126.com

Abstract:Carbon Capture，Utilization and Storage(CCUS)，a new and enormous potential technology of large－scale eliminated reduction，has become one of the hottest issues all over the world recently.The fundamental principles of CCUS is presented briefly，the technical approaches of CCUS of China and several major developed countries are illustratecd，and the development of CCUS technology of China is analyzed，including principles，strategies and corroborated measures which aims at contributing to the development of CCUS technology and demonstration projects of our country.

Key words:carbon capture;utilization and storage;technical principle;technical approach;technical strategy