碳达峰、碳中和：二氧化碳捕集及利用技术

碳达峰、碳中和：二氧化碳捕集及利用技术

2020年9月22日第七十五届联合国大会一般性辩论会上，以及2020年12月12日气候雄心峰会上：中国提高国家自主贡献力度，力争2030年前碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；到2030年，中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。2020年底召开的中央经济工作会议，也将“做好碳达峰、碳中和工作”列为2021年度8大重点任务之一。一、背

景碳达峰、碳中和中共中央

国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见（2021年9月22日）主要目标到2025年，绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升。单位国内生产总值能耗比2020年下降13.5%；单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%；非化石能源消费比重达到20%左右；森林覆盖率达到24.1%，森林蓄积量达到180亿立方米，为实现碳达峰、碳中和奠定坚实基础。到2030年，经济社会发展全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平。单位国内生产总值能耗大幅下降；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上；非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上；森林覆盖率达到25%左右，森林蓄积量达到190亿立方米，二氧化碳排放量达到峰值并实现稳中有降。到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上，碳中和目标顺利实现，生态文明建设取得丰硕成果，开创人与自然和谐共生新境界。一、背

景深度调整产业结构章节推动产业结构优化升级。加快推进农业绿色发展，促进农业固碳增效。制定能源、钢铁、有色金属、石化化工、建材、交通、建筑等行业和领域碳达峰实施方案。以节能降碳为导向，修订产业结构调整指导目录。开展钢铁、煤炭去产能“回头看”，巩固去产能成果。加快推进工业领域低碳工艺革新和数字化转型。开展碳达峰试点园区建设。加快商贸流通、信息服务等绿色转型，提升服务业低碳发展水平。坚决遏制高耗能高排放项目盲目发展。新建、扩建钢铁、水泥、平板玻璃、电解铝等高耗能高排放项目严格落实产能等量或减量置换，出台煤电、石化、煤化工等产能控制政策。未纳入国家有关领域产业规划的，一律不得新建改扩建炼油和新建乙烯、对二甲苯、煤制烯烃项目。合理控制煤制油气产能规模。提升高耗能高排放项目能耗准入标准。加强产能过剩分析预警和窗口指导。一、背

景2022年政府工作报告

“有序推进碳达峰碳中和工作”中提到：“落实碳达峰行动方案。推动能源革命，确保能源供应，立足资源禀赋，坚持先立后破、通盘谋划，推进能源低碳转型。加强煤炭清洁高效利用，有序减量替代，推动煤电节能降碳改造、灵活性改造、供热改造。推进大型风光电基地及其配套调节性电源规划建设，提升电网对可再生能源发电的消纳能力。推进绿色低碳技术研发和推广应用，建设绿色制造和服务体系，推进钢铁、有色、石化、化工、建材等行业节能降碳。坚决遏制高耗能、高排放、低水平项目盲目发展。推动能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变，完善减污降碳激励约束政策，加快形成绿色生产生活方式。”一、背

景二、碳捕集利用与封存指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,用各种方法储存以避免其排放到大气中,并且加以合理利用的一种技术。它包括二氧化碳捕集、运输、封存和使用,可以使单位发电碳排放减少85%至90%。碳捕集利用与封存（CCUS）CCUS技术环节二、碳捕集利用与封存1）CCUS技术是唯一能够大量减少工业流程温室气体排放的手段。

对于炼化、燃料电厂、水泥和钢铁行业来说，要想实现在生产过程中的深度减排，CCUS技术是必不可少的，而且是可再生能源电力和节能技术不可替代的，2）CCUS技术是未来具有一定经济性的减排手段。3）CCUS是生产低碳氢的重要途径之一。

IEA指出，除使用可再生能源电解水制氢外，经过CCUS技术改造的化石能源制氢设施也是低碳氢的重要来源。目前，全球经过CCUS技术改造的7个制氢厂每年可生产40万吨的氢气，是电解槽制氢量的3倍。碳捕集利用与封存（CCUS）意义二、碳捕集利用与封存在IEA提出的2070年全球能源领域实现近零排放的“可持续发展情景”中，CCUS对累积减排量的贡献度将超过15%。到2070年，全球约11亿千瓦燃料电厂将配置CCUS，占全部电源发电量的8%，发电量约6万亿千瓦时。发展CCUS技术是在我国能源结构以煤为主的现实背景下有效控制温室气体排放、实现降碳目标的一项重要举措CCUS是钢铁、水泥、化工等难以减排行业低碳转型的重要技术选择。二、碳捕集利用与封存碳捕集利用与封存（CCUS）

前

景三、碳捕集技术碳捕集富氧燃烧燃烧后燃烧前捕集碳捕集途径三、碳捕集技术燃烧前捕集技术

燃烧前碳捕集是先将化石燃料通过气化反应生成合成气（主要成分为H2和CO），然后再进一步通过变换反应，将CO和H2O转换成H2和CO2，变换后的混合气体中压力可达高、CO2含量可达30%-40%，再通过物理吸收工艺将CO2分离出来。三、碳捕集技术燃烧前捕集技术

因为变换气中CO2分压较高，浓度高，因此可以减小捕集装置的规模，而且可以采用能耗较低的物理吸收工艺。已商业化的物理吸收工艺主要有Lurgi和Linde公司共同开发的低温甲醇法（Rectisol）、美国Allied化学公司开发的聚乙二醇二甲醚法（Selexol）、N-甲基吡咯烷酮法（Purisol）以及美国Flour公司的碳酸丙烯酯法等。二、碳捕集技术富氧燃烧富氧燃烧技术首先进行空气分离以产生O2(浓度高于95%)，然后将燃料和O2一同输送到纯氧锅炉进行燃烧。由于避免了燃料和空气的直接接触，因而烟气中CO2组分浓度较高，便于CO2富集与提纯。在富氧燃烧工艺中，燃烧生成的70%～80%烟气重新返回锅炉，以降低燃烧温度。三、碳捕集技术富氧燃烧由于烟气的主要成分是CO2和H2O，易于分离，因而可显著降低CO2的捕集能耗只要经过干燥、压缩、脱硫等过程就可以得到高纯度的CO2，同时因燃烧介质中氮气含量少，减少了NOx的排放。三、碳捕集技术燃烧后捕集技术燃烧后碳捕集是指利用适合的捕集方法从化石燃料燃烧后的烟气中分离捕集CO2。三、CO2吸收技术CO2吸收技术化学吸收法相变溶剂吸收吸附法膜分离法低温分离法三、CO2吸收技术化学吸收法化学吸收法是目前应用较为广泛且技术较为成熟的一种方法。目前化学吸收法常见的吸收剂包括:氨水、离子液体、碳酸钾溶液、醇胺溶液吸收剂优点缺点应用氨水氨水对CO2的捕集具有低能耗、低腐蚀性，且优于传统MEA溶液氨水具有高挥发性，运行中将会有大量氨逃逸，容易对环境造成二次污染阿尔斯通（Alstom）公司、Powerspan公司等具有工业化示范装置离子液体不宜燃烧，热稳定性好，蒸汽压低，优良的催化性能和引入功能基团昂贵无工业应用热钾碱低成本、低能耗、高稳定性碳酸钾吸收CO2的速度较慢，庞大的运行设备应用广泛醇胺法吸收CO2速率快、负载量大、价格低廉解吸CO2的能耗占捕集总能耗的70%～80%，应用广泛三、CO2吸收技术化学吸收法为了突破化学吸收法所面临的再生能耗高、CO2捕集设备庞大，循环效率低的困境，研究的重点主要集中在吸收剂的筛选方面。综合利用一二级胺的快速反应能力和三级胺的高吸收容量，在保障高的反应速率的基础上，添加其他吸收剂降低再生能耗研究方向三、CO2吸收技术化学吸收法目前根据反应产物化学形态的不同，可以将相变溶剂分为液-液相变和固-液相变两种。其中液-液相变溶剂是指相变溶剂吸收二氧化碳后因密度、黏度等原因形成互不相容的两相，其中一相富含二氧化碳，被称为富相，则另一相溶液为贫相相较于传统30%MEA的3.9GJ/tCO2再生能耗，相同条件下的DMXTM再生能耗只有2.3GJ/tCO2，甚至在优良条件下可以下降到2.1GJ/t目前，固-液相变吸收剂主要包括氨基酸盐溶液、碳酸钾溶液、冷氨溶液等水性溶剂以及一些基于非水溶剂的胺类溶液三、CO2吸收技术相变溶剂吸收变压吸附法(PSA)分离CO2的关键是选择具有高选择性和高吸附容量、强解吸能力的吸附剂。因此，很多学者开发研究了各种吸附剂，如活性炭、沸石、硅胶、活性氧化铝、脲醛和三聚氰胺甲醛树脂，聚乙烯亚胺和中空纤维碳膜吸附剂等变压吸附法已经在工业上成功应用，但是相对于吸收法，变压吸附法的能耗还是较大，并且变压吸附法对设备要求严格，需要两次加压，造成成本较大。同时还要克服吸附剂选择困难等问题三、CO2吸收技术变压吸附法膜分离法捕集二氧化碳是一项比较新兴的技术，它是利用特定膜的选择性作用，通过膜与烟气中的CO2之间的物理或化学作用来进行选择性的吸收，因其具有高接触面积，模块性好，操作灵活等优点，被认为是最有发展潜力的脱碳技术。将膜法和其他捕集二氧化碳的方法相结合，即能够增加二氧化碳吸收效率，又能解决传统化学吸收法再生能耗高的问题，拥有很大的开发前景膜分离法三、CO2吸收技术低温分离法是通过低温冷凝分离CO2的一种物理过程该方法提取出的CO2纯度较高，便于管道输送及汽运，可直接用于食品加工等行业，但在冷凝压缩过程中需要大量的额外能量，并且工艺设备投资比较大，这也是其限制发展的原因。低温分离法三、CO2吸收技术四、碳封存若把CCS作为一个系统来看，碳捕集的成本要占到2/3，碳封存的成本占1/3。碳封存技术相对于碳捕集技术也更加成熟，主要有3种：含盐咸水层封存油气层封存煤气层封存。咸水层封存是指将二氧化碳封存于距地表800m以下的咸水层当中。通常咸水层空气体积大，可封存相当多的二氧化碳。

我国缺少咸水层地质情况的数据资料，目前尚不能实施咸水层封存。而且这项技术的投资也较大咸水层封存四、碳封存废弃油气层封存国际上有企业在研究利用废弃油气层的可行性，但并不被看好。主要原因在于目前对油气层的开采率只能达到30%~40%，随着技术的进步，存在着将剩余的60%~70%的油气资源开采出来的可能性。所以，世界上尚不存在真正意义上的废弃油气田。现有油气层封存利用现有油气田封存二氧化碳被认为是未来的主流方向，这项技术被称为二氧化碳强化采油(CO2-EOR)技术，既可以提高采收率，又实现了碳封存，兼顾了经济效益和减排效益。油气层封存四、碳封存依据目前的采油技术，全球油田的采收率平均只有32%左右，如果采用CO2-EOR技术，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，这个数值相当于2050年全球累计排放量的45%。油气层封存四、碳封存

将二氧化碳注入比较深的煤层当中，置换出含有甲烷的煤层气，所以这项技术也具有一定的经济性。必须选在较深的煤层中，以保证不会因开采而造成泄漏。我国已经和加拿大合作开发了示范项目，投资高、效果不错。问题在于二氧化碳进入煤气层后发生融胀反应，导致煤气层的空隙变小，注入二氧化碳会越来越难，逐渐再也无法注入。煤气层封存四、碳封存CO2生物利用是以生物转化为主要手段，将CO2用于生物质合成，实现CO2资源化利用的过程主要产品有食品和饲料、生物肥料、化学品与生物燃料、气肥等。生物利用技术的产品附加值较高，经济效益较好。生物利用五、CO2利用CO2加氢还原CO2与氢气合成甲醇CO2与氢气制C2烃CO2与氢气合成二甲醚CO2加氢合成醋酸CO2加氢生成乙醛

高选择性合成汽油燃料CO2加氢烃类产物中C5—C11烃的选择性高达80%，而甲烷仅有1%，且烃类组分以高辛烷值的异构烃为主（中国科学院上海高等研究院）五、CO2利用化学利用该研究目前还处于探索阶段。技术成熟，有工业化项目。

兰州新区液态太阳燃料合成示范项目CO2氨化反应：尿素、三嗪醇、三聚氰胺、碳酸氢铵CO2与CH4反应CO2与CH4反应制合成气CO2与CH4反应一步合成C2烃CO2与甲醇反应合成碳酸二甲酯DMCCO2与环氧化合物反应CO2与环氧丙烷反应生成聚碳酸酯树脂CO2与EO反应生成碳酸乙烯酯化学利用五、CO2利用CO2和金属或非金属氧化物反应可以生产无机化工产品

轻质Na2CO3、N