有人可能会问什么是CCUS？带大家了解一下

碳减排不仅关乎国家政策的规划承诺，更与我们赖以生存的地球环境息息相关。早在20世纪70年代，国外就已经开始对碳捕集进行相关研究。ＩＰＣＣ(Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ，联合国政府间气候变化专门委员会) 关于全球变暖1.5℃的特别报告指出，ＣＣＵＳ ( Ｃａｒｂｏｎ ＣａｐｔｕｒｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ，二氧化碳捕集封存)技术可有效改善全球气候的变化，并且明确指出ＣＣＵＳ 技术对于实现２０５０年碳零排放意义重大。２０１９年，二十国集团 ( Ｇ２０) 能源与环境部长级会议首次将ＣＣＵＳ 技术纳入议题。

国外科研工作者对碳捕集已经开展大量的研究，Ｌｅｅ等通过固体吸收剂捕获二氧化碳(ＣＯ２)，以减少来自不同燃烧过程源的 ＣＯ２排放，所用的吸附剂通过加热或减压的方式回收利用，作为捕获ＣＯ２成熟的技术，分离效率可达到９０％。Ｄｕｔｃｈｅｒ等通过胺基技术捕集 ＣＯ２，由于反应的高度可逆性，可有效应用于工程项目。

我国对 ＣＣＵＳ 技术的研究起步较晚，自２００６年开始才陆续出台关于 ＣＣＵＳ 技术的政策。“十一五”期间每年平均出台３项政策，“十二五”期间平均每年出台 ３ ~ ４ 项政策。《中国应对气候变化国家方案》《中国应对气候变化科技专项行动》《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书等都将ＣＣＵＳ技术作为重点研究的技术之一。《“十三五” 控制温室气体排放工作方案》提出，到２０２０年单位国内生产总值 ＣＯ２排放比 ２０１５ 年下降 １８％，碳排放总量得到有效控制。２０１５ 年，巴黎气候大会上，中国承诺将于２０３０年左右使ＣＯ２排放达到峰值并争取尽早实现，２０３０ 年单位国内生产总值ＣＯ２排放比２００５年下降６０％ ~ ６５％，非化石能源占一次能源消费比重达到 ２０％左右。

现代工业生产中 ＣＯ２的排放源很多，如水泥、钢铁、电力、 煤化工及炼化厂等都是 ＣＯ２排放大户。针对ＣＯ２排放问题，各个行业均进行了ＣＯ２的捕集、利用和封存方面的研究探索，每个行业又根据自身行业特点，形成了多种ＣＯ２捕集、利用和封存的技术方法。

CO2捕集的方法按照对燃料、氧化剂和燃烧产物采用的措施，可以分为燃烧前捕集、纯氧燃烧和燃烧后捕集3种，如图1所示。

富氧燃烧技术采用纯氧或者富氧将化石燃料进行燃烧，燃烧后的主要产物为CO2、水和一些惰性组分。水蒸气冷凝后，通过低温闪蒸提纯CO2，提纯后的CO2浓度可达80%~98 vol%，提高了CO2捕集率。

2. 碳利用和封存技术

CCUS—EOR（Enhanced oil recovery，强化采油）技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来，有较好的收益，如图3所示，该技术通过把捕集来的CO2注入到油田中，使即将枯竭的油田再次采出石油的同时，也将CO2永久地贮存在地下。CO2驱油的主要原理是降低原油粘度、增加原油内能，从而提高原油流动性并增加油层压力。CO2制化肥和食品级CO2商业利用也是目前较成熟的碳利用项目。

国外近年来碳利用有很多新兴的利用方向，如荷兰和日本均有较大规模的将工业产生的CO2送到园林，作为温室气体来强化植物生长的项目。包括温室气体利用技术在内，国外处于示范项目阶段碳利用技术有CO2制化肥、油田驱油、食品级应用等；正处于发展阶段的有CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2加氢制甲醇、海藻培育、动力循环等；尚处于理论研究阶段的方向有CO2制碳纤维和乙酸等。

国内新兴的碳利用方向主要有CO2加氢制甲醇、CO2加氢制异构烷烃、CO2加氢制芳烃、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大连化物所、中科院上海研究院、大连理工大学等，对这些技术进行了研究，但大多都处在催化剂研究的理论研究阶段或中试阶段。

2.2碳封存

CO2捕集后，可以通过泵送到地下、海底长期储存，或直接通过强化自然生物学作用把CO2储存在植物、土地和地下沉积物中。当前的碳封存技术主要分为以下2种：

第一种是将CO2高压液化注入海洋底。基于CO2的理化性质，在海平面2.5km以下，CO2主要以液态的形式存在。由于密度大于海水密度，将这一区域作为海洋碳封存的安全区域，如图4（a）所示。

第二种是将CO2进行地质封存。在地下0.8~1.0km这一高度区域内，超临界状态的CO2具有流体性质。基于CO2的理化性质改变，可实现地质碳封存，如图4（b）所示。

图4碳封存示意图

1. 国外CCUS项目进展

为应对全球气候变化，国外很早就展开了CO2捕集项目的相关研究。表1将国际大型CCS/CCUS项目做了总结。

国外最早报道的大型CCUS项目是1972年美国建成的Terrell项目，CO2捕集能力达40万~50万t/a；随后，美国俄克拉荷马州Enid项目于1982年建成，通过化肥厂产生的CO2进行油田驱油，CO2捕集能力达70万t/a。1/3国土面积在北极圈内的挪威，也是最先开展CO2捕集项目研究的国家之一，1996年，挪威Sleipner项目的建成是世界上首个将CO2注入到地下（盐水层）的项目，年封存CO2量近百万吨。

进入本世纪以来，由于工业化步伐的加快以及全球变暖趋势的加剧，CO2捕集项目受到越来越多国家的重视。美国、加拿大、澳大利亚、日本及阿联酋等国家加速推进CO2捕集项目的工业化。

2000年，美国与加拿大合作，在Weyburn油田注入Great Plain Sysfuels Plant和SaskPower电厂的CO2，提高濒临枯竭油田采油率的同时，累计封存CO2达2600多万t。

2014年，加拿大SaskPower公司的Boundary Dam Power项目成为全球第一个成功应用于发电厂CO2捕集项目。该项目将150MW燃煤发电机产生的CO2捕集后，一部分封存地下，一部分用于美国Weyburn油田驱油，CO2捕集能力达100万t/a。2019年全年，该项目捕集CO2达61.6万t。

2015年，加拿大Quest项目将合成原油制氢过程中产生的CO2成功注入咸水层封存，每年CO2捕集能力达100万t/a。该项目是油砂行业第一个CCS项目，每年减少碳排放可达100万t。截止到2019年，Quest项目已经累计捕集CO2达400万t，以更低的成本提前完成预定目标。目前，Quest项目是全球最大捕集CO2并成功注入到地下的项目。

2016年，澳大利亚西部的Gorgon项目是全球最大的单体LNG项目Gorgon天然气项目的配套，该项目通过液化技术将CO2从天然气中分离出来，将分离出来的CO2注入到巴罗岛的盐水层中，注入量可达350万t/a。

2.国内已建/在建的CCUS项目进展

随着工业化进程的加快，国内也开启了CO2捕集项目的研究。相比国外，中国的CCUS项目起步较晚，且尚无百万吨级规模的捕集项目。目前，国内以捕集量为10万t级规模的项目为主。国内CCS/CCUS项目如表2所示。

随后，基于日趋成熟的CO2捕集技术，中石化胜利油田、中国神华、延长石油及中石化中原油田加速推进CO2捕集项目的工业化。

2010年，中石化胜利油田建成了国内首个燃煤电厂的CCUS示范项目，以燃煤电厂烟气CO2为源头，采用燃烧-捕集技术，将捕集的CO2注入到油田中进行驱油，CO2捕集能力达3万~4万t/a；2011年，神华鄂尔多斯10万t/a的CCS示范项目落成，采用甲醇吸收法捕集煤气化制氢项目尾气中的CO2，后向盐水层中注入CO2，该项目是国内第一个盐水层地质封存实验项目；2012年，延长石油建成了5万t/a的CO2捕集利用项目，该项目利用煤化工产生的CO2，经过低温甲醇洗技术提纯加压液化后注入油田中，降低了原油粘度，提高了原油采收率并实现了CO2永久封存；2015年，中石化中原油田炼厂尾气CCUS项目建成，项目将已经接近废弃的油田，通过CO2驱油将油田采出率提高15%，目前已有百万吨CO2注入到地下。

除了传统CO2捕集技术，国内还开展了CO2新型再利用技术，应用于食品、精细化工等行业。

2009年，上海石洞口第二电厂碳捕集项目建成，捕集规模为10万t/a，捕集后的CO2主要用于食品行业；2011年，经连云港清洁煤能源动力系统研究，将IGCC产生的CO2捕集后一部分用于尿素和纯碱工业，一部分注入到盐水层进行封存；2012年，天津北塘国电集团CO2捕集示范项目采用燃烧后捕集技术，年捕集量为2万t，捕集后的CO2用于食品行业。

此外，微藻固碳技术世界范围内仍处于发展阶段，2010年，新奥集团在内蒙古达拉特旗利用微藻固碳技术，将煤制甲醇/二甲醚装置的尾气吸收后，一部分用作生物柴油，一部分用作生产饲料，处理量达2万t/a。

除已建项目，国内将加速建设CO2捕集项目，如齐鲁石化在建CCUS-EOR项目（2020年），CO2捕集能力4万t/a。在一些双边协议中，中美将在中国开展一些大型CCUS项目，如中美气候变化合作延长石油CCUS示范项目等。

下一代碳捕集技术将会在材料创新、工艺或设备的改进上取得突破，这些新进展将使得投资运营成本降低的同时提高捕集效率。如Ion Engineering公司的非水溶剂、MTR公司的膜分离体系、三菱重工的KS-21溶剂、Lind-BASF的贫富溶剂吸收再生循环技术等，都已经在FEED（Front and End Engineering Desing，前端工程设计）工程设计项目中进行了实践。随着工业的进步，下一代捕集技术将助推CCUS技术的进步和发展。

未来几十年，对于应对全球气候变暖，碳利用将起到重要作用。纵观国内外成熟的工程项目，地下封存、驱油和食品级利用是当前较主流的方向。其中，驱油技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来，有较好的收益，有较好的应用前景。而未来，与氢能利用相结合的CCUS项目将会越来越多。

目前全球98%的氢能来自不可再生化石能源，与CCUS技术相结合的气体重整（主要是甲烷蒸汽重整）和煤气化技术相结合可以实现生产低碳氢能的目标。欧盟和一些国家已经直接将CCUS作为一个关键方法来实现这一目标，美国、荷兰、日本、澳大利亚、新西兰以及中国也都在氢能政策中提到了CCUS的重要性。

发展CCUS对我国具有重要战略意义。可直接减少二氧化碳排放。按齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS计算，可每年减排二氧化碳100万吨，相当于植树近900万棵、近60万辆经济型轿车停开一年。可有力保障国家能源安全。我国有较大石油地质储量适合二氧化碳驱油，加快CCUS产业发展将会对保障国家能源安全提供支撑。可推动化石能源行业低碳转型。CCUS作为碳中和必不可少的技术路径，减排潜力十分巨大，工业利用前景广阔。研究表明，我国未来有10亿多吨碳排放量要依靠CCUS来实现中和，可有力推进化石能源洁净化、洁净能源规模化、生产过程低碳化。

齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS项目已完成80%。在碳捕集环节，齐鲁石化二氧化碳回收提纯装置包括压缩单元、制冷单元和液化精制单元，以及配套公用工程，回收煤制氢装置尾气中的二氧化碳，提纯后纯度达到99%以上；在碳利用与封存环节，胜利油田运用超临界二氧化碳易与原油混相的原理，计划在正理庄油田建设10座无人值守注气站，向附近73口井注入二氧化碳，同时油气集输系统全部采用密闭管输，进一步提高二氧化碳封存率，预计未来15年，可累计注入二氧化碳1068万吨，可实现增油296.5万吨。目前，项目前期准备工作全面启动，预计2021年底达到投产条件。

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