碳捕集与封存技术的现状与发展分析

碳捕集与封存技术的现状与发展分析

王虎齐

中国电能成套设备有限公司，北京市安德里北街15号 100011

The Status of Carbon Capture & Storage and development analysis

WANG Hu-qi

No.15 Andelibei Street Beijing，China

ABSTRACT: Global warming has been more and more serious, carbon capture and storage (CCS) technology in future years will be to solve the greenhouse effect of the main means. Although CCS technology has made good progress, CO2capture, transportation, storage three links of the development of the technology is very rapid, but still faces many problems, such as the high cost, CO2 leaks problems, lack of awareness. At present CCS technology is still in the early stages of development, whether can be expected as CCS to cope with climate change in the important transitional emission reduction technology and be large scale application will depend on various factors.

KEY WORD: Carbon Capture and Storage；High Cost；CO2 Leaks Program；Lack of Awareness

摘要：全球气候变暖问题已经越来越严重，碳捕集与封存（CCS）技术在未来的若干年后将成为解决温室效应的最主要手段之一。虽然CCS技术取得了长足的进步，CO2捕集、运输、封存三大环节的各种技术发展都很迅猛，但仍面临着很多问题，如成本高昂、CO2泄露问题、认识不足等。目前CCS 技术仍处于发展的早期阶段，CCS 是否能如预期成为应对气候变化中重要的过渡性减排技术并被大规模应用，将取决于多种因素。

关键词：碳捕集与封存；成本高昂；CO2泄露；认识不足

1 前言

1896 年，诺贝尔化学奖得主、瑞典化学家阿伦尼乌斯（S.Arrhenius）提出气候变化的科学假设，认为“化石燃料燃烧将会增加大气中的CO2 浓度，从而导致全球变暖”。 2007 年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了第四次评估报告，认为气候变化归因于人类活动所排放的温室气体的可能性超过了90%。2009年12 月《联合国气候变化框架公约》第15 次缔约方会议暨《京都议定书》第5次缔约方会议在丹麦首都哥本哈根的落幕，将全球温升控制在2℃以内的目标作为全球共识写入《哥本哈根协定》（Copenhagen Accord），至此，全球应对气候变化的任务上升到了前所未有的高度，关于如何快速推广应对气候变化新技术的讨论也趋于白热化。

提高能效、发展替代能源（包括可再生能源和核能）和CCS 技术是最为重要的三种减排手段。根据国际能源署（IEA，International Energy Agency）的研究，在2℃温升情景下，2020 年、2030 年和2050 年由提高能效带来的减排量将分别占当年能源相关减排量的65%、57% 和54%。但随着提高能效技术的“天花板效应”逐渐显现、替代能源资源由易开发逐渐转为难开发等原因，CCS 的减排贡献将从2020 年占总减

排量的3% 上升至2030年的10%，并在2050 年将达到19%

，详见表1。

年份

技术

202020302050

提高能效655754

替代能源192321

核电13106

CCS31019

不仅如此，IEA 在综合分析了各类减排技术

的长期减排成本后认为，CCS 技术的使用可降低

总减排成本——如果在不采用CCS技术的情况

下实现温度控制目标，那么到2050 年总减排成

本将比使用CCS 技术增加70%。

2 世界各国CCS项目情况

世界著名工程咨询公司WorleyParsons在

一份全球CCS项目现状的分析报告中提到：从世

界范围499个CCS相关项目中遴选出275个符合

评定标准的项目进行了详细的分析，其中已完成

项目34个，计划实施或正在实施的项目213个，

取消或推迟项目26个，当地各种原因阻碍未进

行的项目2个。这些项目分布在世界各国，其中

美国最多，占37%（104个项目），其次是欧盟

24%（66个项目），之后是澳大利亚、新西兰和

中国，具体情况见图1。

图1 CCS项目在世界范围内分布情况

不同研究机构和企业对CCS的类型的定义不

同，在这份报告里，WorleyParsons根据捕集CO2

的规模将CCS项目类型划分为四种，分别是实验

室研究项目、试点项目、示范项目、商业运行项

目，详见表2。表3指出了213个计划实施或正在

实施的CCS项目的情况，其中商业类项目达到了

101个，示范类项目63个，试点类项目35个，研

究类项目12个，未分类项目2个。

项目分类最小规模备注

商业100%产品完全商业应用

示范

10%~100%（含

10%）

产品部分商业应用或出售

试点

5%~10%（含

5%）

产品没有商业应用，在小型工厂

进行实际烟气处理流程研究

研究<5%

产品没有商业应用，进行系统设

计并模拟烟气处理流程研究

未分类

研究

项目

试点

项目

示范

项目

商业

项目

计划中27242973

正在实施05113428

由于进行CCS整个技术链的研究在技术上存

在着很大难度，而且投资巨大，因此大多数项目

都选择捕集、运输和封存三个环节中的部分技术

进行研究，其中59个项目进行了CCS整个技术链

的研究，约占28%，而只进行CO2捕集的项目占比

最大，约39%（83个项目）。详细情况见图2。

图2 计划或正在实施的CCS项目技术分类情况

目前，国际社会对CCS都显示出了巨大的兴趣，正在开展的CCS项目也很多，其中比较著名的是：

（1）美国未来发电计划（FutureGen）

项目原打算在一个260MW的IGCC电厂测试碳捕集技术和CCS系统，目标是将电厂废气减少到近零排放的水平。2008年6月30日美国能源局宣布将重新整合未来煤电计划。美国能源局将只赞助CCS系统，而不再向IGCC电厂投资。

（2）挪威 Sleipner 项目

Sleipner 项目开始于1996 年，是世界上首个将CO2封存在地下咸水深层的商业实例，由挪威国家石油公司运营。该项目每年可封存100万吨CO2。

（3）加拿大Weyburn项目

Weyburn项目始于2000年，位于加拿大Saskatchewan省东南部的Weyburn油田。封存的CO2是从约200英里之外的北达科他州Beulah的大型煤气化装置中捕集并输送过来的，用于提高油田采收率，目前每年注入的CO2约150万吨。（4）德国黑泵电厂项目

这是世界上首个能捕集和封存自身所产生的CO2的燃煤电厂，于2008年9月9日由瑞典瀑布电力公司在德国东北部的施普伦贝格动工建设，电厂装机容量为30MW。

（5）华能-CSIRO燃烧后捕集示范项目

该示范项目由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、中国华能集团公司以及西安热工研究院（TPRI）联合建设。该项目是对华能北京高碑店热电厂进行碳捕集改造，设计CO2回收率大于85%，年回收CO2能力为3000吨。该示范项目已于2008年7月16日正式投产。

（6）华能上海石洞口第二电厂

华能上海石洞口第二电厂碳捕集项目是在其二期新建的两台66万千瓦的超超临界机组上安装碳捕集装置，该装置总投资约1亿元，由西安热工研究院设计制造，处理烟气量为66000Nm3/h，约占单台机组额定工况总烟气量的4%，设计年运行时间为8000小时，年生产食品级CO2 10万吨。该项目已于2009年12月30日投入运营。

（7）中电投重庆合川双槐电厂

中电投重庆合川双槐电厂是在一期两台30 万千瓦的机组上建造碳捕集装置，总投资约1235万元，由中电投远达环保工程有限公司自主研发设计，年处理烟气量为5000万标准立方米，年生产工业级CO2 1万吨。该碳捕集项目于2010年1 月20日投入运营。

（8）中英碳捕集与封存合作项目（NZEC）

中英煤炭利用近零排放合作项目（Near Zero Emissions Coal）旨在应对中国日益增加的燃煤能源生产和二氧化碳（CO2）排放。英国计划通过三个阶段实现NZEC示范的目标。第一阶段，研究在中国示范和发展CCS技术的可行性方案；第二阶段，进一步开展CCS技术的开发工作；第三阶段，在2014 年之前建成CCS技术示范电厂。

（9）中英煤炭利用近零排放项目（COACH）中英煤炭利用近零排放项目（Cooperation Action within CCS China-EU）旨在促进中欧碳捕集与封存（CCS）领域的合作。目前中国计划在2010 年之前建造一座具备CO2捕集与封存技术的燃煤电厂，COACH 项目将为这一计划提供必要的技术支持。

（10）绿色煤电计划（Greengen）

绿色煤电计划是中国华能集团公司于2004 年提出的，计划的总体目标是研究开发、示范推广以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主、并对污染物和CO2进行高效处置的煤基能源系统；大幅度提高煤炭发电效率，使煤炭发电达到污染物和CO2的近零排放。2009年7 月6日，绿色煤电天津IGCC示范电站开工建设，总投资21亿元，采用华能自主研发的具有自主知识产权的每天2000吨级两段式干煤粉气化炉，首台机组将于2011年建成。

3 CCS技术发展现状

CCS 技术主要包括捕集、运输和封存三大环节，各环节技术发展水平不一，其中以运输技术最为成熟，封存技术最为薄弱。CCS的构成部分具有不同的发展阶段（参见表4）。

从表4中可以看出，捕集、运输和封存都有成熟的技术已在应用，但是还不具备大规模完整进行CO2捕集、运输并封存的技术条件。完备的CCS系统可通过利用成熟的或在特定条件下经济可行的现有技术组合而成，虽然整体系统的发展状态可能慢于其中某些单独部分的发展。

注：对于EOR的CO2注入是一项成熟的市场技术，但是当这项技术用于CO2封存时，其仅是“在特定条件下经济可行”。

4 CCS 技术面临的主要问题

4.1 成本高昂

CCS技术成本包括捕集、输送与封存三部分，每部分要消耗大量的能源，成本高昂，这也是大

多数项目迟迟不能进行的最主要原因。CCS成本价格受捕集方法、运输方法、源汇距离以及封存方法的影响，在不同的国家和地区也因劳动成本和建设成本的不同有较大差异。表5列出了四家不同研究机构对CCS成本价格的分析，目前这些分析得到的成本并不具有高的可信度。未来随着研究、技术的发展以及由于规模经济，CCS的成本将会大幅降低。

注：以上表格中数据以每吨CO2减排量为单位，其中中科院热物理所模型计算、COACH 和NZEC 项目的成本测算专门针对中国，而IPCC 给出的数据具有国际意义。

4.2 二氧化碳泄露

地质储层中CO2封存渗漏所引发的风险分为两大类：全球风险和局部风险。全球风险包括，如果封存构造中的部分CO2泄漏到大气中，那么释放出的CO2可能引发显著的气候变化。此外，如果从封存构造中泄漏CO2，那么可能给人类、生态系统和地下水造成局部灾害，这是局部风险。

关于全球风险，根据对目前CO2封存地点、自然系统、工程系统和模式的观测和分析，保留在经过适当选择和管理的储层中达100年之久的部分很可能超过99％，历经1000年的保留程度有可能超过99％，因为随着时间推移，渗漏的风险预计会减少。CO2 泄漏的全球性风险可在选址时避开。

关于局部风险，可能发生渗漏的有两种情景。

第一种情景，注入井破裂或废弃油气井泄漏有可能造成CO2突然快速的释放。如果使用当今技术来控制油气井的井喷，则可以快速检测并阻止这种释放。与这种释放有关的灾害主要影响发生地附近的工人或前来控制井喷的人员。空气中CO2的浓度大于7–10%将立刻危害人们的生活和健康。控制这种释放可能需要数小时乃至数天，与注入的总量相比，所释放的CO2总量可能很小。在石油和天然气行业，采用工程和行政控制措施能定期对这些灾害进行有效的管理。

第二种情景，通过未被发现的断层、断裂或漏泄的油气井发生渗漏，其释放到地面更加缓慢并扩散。在这种情况下，灾害主要影响饮用蓄水层和生态系统，因为CO2聚集在地面与地下水位的上部之间的区域。在注入过程由于CO2的置换，直接泄漏到蓄水层的CO2和进入蓄水层的盐水都能影响地下水。在该情景中，也可能存在土壤的酸化和土壤中氧的置换。此外，如果在无风的低洼地区或位于弥散泄漏上方的蓄水池和地下室发生渗漏，如果没有检测到该渗漏现象，则人和动物将受到伤害。从沿海的封存地点的泄漏对人的影响要比从沿岸封存地点受到的泄漏影响要小。使用各种技术和根据储层的特征可以判定渗漏的路径。当了解了可能的渗漏路径后，就可采取监测和补救策略以解决这些潜在的渗漏问题。

谨慎的封存系统设计和选址以及渗漏的早期检测方法（最好在CO2到达地面之前较长时间内）是减少渗漏相关灾害的有效方法。现有的监测方法越来越具有前景，但需要更多的经验来确定检测层面和分辨率。一旦检测到渗漏，就应使用补救技术来阻止或控制渗漏。根据渗漏的类型，这些技术可包括标准油气井维修技术，或通过把渗漏阻挡在一个浅的地下水蓄水层内，以从中提取CO2。也有把CO2从土壤和地下水中提取的技术，但成本有可能很高。需要经验来证明其实用性，并确定这些技术的成本，以便用于CO2的封存。

4.3 认识不足

（1）捕集和封存技术

根据工业应用方面的经验，捕集CO2的技术相对理解得比较透彻。同样，在采用管道运输或者地质封存捕集CO2方面不存在重大技术或知识障碍。然而，在大规模项目中实现捕集、运输和封存的一体化则还需要扩大知识和经验，这是更广泛运用CCS技术的需要。需要研发提高有关用于CO2捕集的新概念和可用技术的知识。更具体而言，在认识具有几百兆瓦（或者几百兆吨CO2）量级的大型煤电厂和天然气电厂的CO2捕集方面还存在不足。需要在这个规模上开展CO2捕集示范，以建立采用捕集的不同类型的发电系统的可靠性和环境影响，从而降低CCS的成本以及提高对成本估算的可信度。除此之外，需要大规模实施，以便获得更好的确定CCS在工业流程中的成本和业绩估算，如在水泥和钢铁行业，它们是显著的巨大CO2源，但在CO2的捕集方面经验很少，甚至根本就没有经验。

在矿石碳化技术方面，一个重要的问题是如何在实际设计中利用反应过程中发出的热降低成本和净能源需求。需要在试点规模的设施开展试验，以便弥补这些不足。

关于在工业上利用捕集的CO2，需要深入研究利用捕集的CO2的工业流程的净能源和CO2平衡，这类研究将有助于对该方案潜力作出更完整的描述。

（2）CO2源和封存机遇的地理关系

更好地了解适合封存（所有类型）地点的主要CO2源的距离并建立捕集、运输和封存CO2成本曲线，这将有利于作出有关大规模部署CCS的决策。为此，需要开展详实的区域评估，评估大的CO2排放源（现在的和未来的）如何能够很好地与能够封存所需储量的封存方案相匹配。（3）地质封存能力和效果

需要在全球、地区和局地层面上改进对封存能力估算，需要更好地了解长期封存、流动和渗漏过程。为了解决后一个问题，需要加强监测和检验地质封存CO

2的能力。在各种地质、地理和经济条件下建立更多的试点和封存示范项目，这对于深入了解这些问题具有重要意义。

（4）海洋封存的影响

在评估海洋封存的风险和潜力之前应该弥补的主要知识空缺涉及深海中CO2对生态的影响。需要对深海生物系统对加入的CO2的反应进行研究，包括比迄今为止所开展的研究时间尺度更长、规模更大的研究。与之相配合，需要研发探测和监测海底升浮出的CO2羽状体及其生物和地球化学后果的技术和传感器。

（5）法规问题

目前对大规模实施CCS的法规需求掌握的情况仍不充分。现在没有一个合适的法律框架以推进地质封存的实施，也没有考虑到相关的长期责任。需要澄清有关海洋环境封存（海洋或海床下地质封存）的各种潜在法律限制。其它一些关键性知识空缺与排放清单和核算方法学相关。

综上所述，CCS 技术仍处于发展的早期阶段，CCS 是否能如预期成为应对气候变化中重要的过渡性减排技术并被大规模应用，将取决于多种因素。在国际气候政策、国内利益相关者的参与和合作、知识产权转让、技术、安全、融资等问题上的正确处理，以及示范项目、国家的宏观政策等方面的进展都将决定CCS在中国的最终走向。

5 CCS给中国企业带来的机遇

国际社会对CCS的呼声日渐高昂，以欧盟、美国、澳大利亚、英国、挪威为代表的发达国家和地区组织已分别宣布即将开展CCS示范项目，并为项目提供资金支持。虽然中国政府尚未制定明确的CCS 发展战略，但到目前为止，中国无论在技术研发和项目示范上，均已有一定成果。当国际气候政策逐渐明朗后，一旦CCS技术开始大规模应用，将会形成很大市场。除了在中国的大规模应用潜力，CCS技术的潜在市场还包括美国、欧盟、澳大利亚、印度等国。如果中国可以提前占领CCS技术高地，那么借助在过去30年中积累起来的装备制造能力，中国具有在未来CCS市场中占领一席之地的巨大潜力，中国企业也可借此进军国际市场。

6 小结

(1) CCS技术被看做是解决全球气候变暖问题的最为重要的手段之一，世界上许多国家都开展了相关的研究工作，并建设了一些CCS项目，取得了不菲的成绩。随着研究的深入以及新技术的应用，CCS的成本将进一步降低，应用前景广阔。

(2) CCS技术主要分为CO2的捕集、运输和封存三个环节，各环节技术发展水平不一，以运输技术最为成熟，封存技术最为薄弱。根据项目所在地的特点选择合适的技术是项目成功的关键。

(3)虽然近几年CCS技术得到了长足发展，但仍然面临着诸多问题，如成本高昂、CO

2泄露问题、CCS相关认识不足等，目前CCS 技术仍处于发展的早期阶段，CCS 是否能如预期成为应对气候变化中重要的过渡性减排技术并被大规模应用，将取决于多种因素。

(4)国际社会对CCS技术都很重视，许多国家和公司都开展了相关探索性研究和实践，作为CO2排放大国，我国应积极开展CCS相关研究和实践工作，抢占CCS技术高低，今后在全球的CCS 活动中发挥更大的作用。

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收稿日期：

作者简介：

王虎齐（1981年出生），男，新疆，研究生，工程师，目前主要从事IGCC以及煤制天然气项目等相关工作。

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）