碳捕获和封存(CCS)和碳捕获、利用和封存(CCUS)的技术经济和部分环境分析——以榆林市为例

碳捕获和封存(CCS)和碳捕获、利用和封存(CCUS)的技术经济和部分环境分析——以榆林市为例

郑仕梅 李艳强 焦焕贵  

榆林中科环保科技集团有限公司  719000

摘要：碳中和是目前工业发展的焦点。毫无疑问，所需要的不仅仅是减少技术领域的二氧化碳排放量（一般是温室气体），还需要将大气中的二氧化碳人为地转移到岩石圈、技术圈、水圈和生物圈的“陷阱”中。本文中的案例研究侧重榆林市二氧化碳捕集与封存CCUS工程技术研究中心，该中心正在进行二氧化碳捕集与封存CCUS工程技术研究，构建全市统一碳减排技术研究服务平台，并积极将技术进行引进推广、应用示范区用，打造榆林市碳减排技术成果转移转化的载体平台。本文从技术经济和环境角度，将CCS与CCU进行了比较。除其他外，对比分析表明，混合方法——CCS和CCU的组合，即CCU/S——值得投资。作者认为，环境意愿和鼓励、补贴和退税的支持对于激励对此类开创性技术的投资，以及摆脱支付碳税或购买排放权的更容易的途径是必不可少的。

关键词：碳捕获和封存，碳捕获、利用和封存，碳中和，经济和环境

一、研究背景[1]

2015年，在巴黎举行的联合国气候大会上，达成了一项协议，其中成员国承诺致力于实现共同目标，即将全球气温相对于前工业时代的上升幅度限制在2℃（在最乐观的情况下，1.5℃）。虽然实现各国为自己制定的气候目标需要减少技术领域的温室气体[1]，但这是必要的，但还不够。到2050年，工业化国家必须将其温室气体排放量相对于1990年的水平减少85-95%。有或没有能量回收的焚烧厂是CO2排放的主要点源。当释放速率远大于吸收速率时，CO2确实会再循环回地球（生物圈和水圈），但大气中的浓度会随着时间的推移而上升。这将导致全球气温上升。烟囱的CO2排放量与工厂产生的能量以及所用燃料混合物的排放强度成正比[2]。因此，必须投资于CO2的捕获和储存，从而将温室气体永久封存在地下地质汇中[3]，这是工业和火力发电厂可以采用的有效方法，以应对当前的气候变化挑战[4]。根据Viebahn等人[5]的说法，这种方法可以在2050年前将温室气体排放量减少50-85%。虽然CCS意味着只是“把二氧化碳压在地毯下”，换句话说，在表面上看不到，但横向思维已经产生了一种新技术，名为碳捕获利用和储存（CCUS），它保留了地面上的气体，并将其用于赋予具有商业价值的产品所需的属性[6]，如将CO2引入炼钢厂的炉渣中所产生的建筑砌块。

碳捕获、利用和储存（CCUS）技术被认为是近年来缓解气候变化最有希望的方法，它可以实现大规模减少温室气体排放和化石燃料的低碳再循环利用。基于气候变化的战略考虑，中国的CCUS技术得到了国家发展和改革委员会（NDRC）、科技部（MOST）、生态与环境部（MEE）的大力支持。陕西延长石油（集团）有限公司。

虽然CCS可能是一项经过考验的值得信赖的技术，但技术障碍和对存储相关风险的认识、缺乏全心全意的社会认可以及需要一个令人信服和稳健的商业模式，阻碍了其在世界各个地区的巩固。

二、 碳捕获、利用和封存技术的发展

由于体积大，CO2捕获需要高效、选择性和成本效益高的技术，这些技术易于使用，对环境影响小。尽管几十年来一直以百万吨/年的规模进行捕获，但仍有改进的余地。事实上，生产中的大多数程序都是基于吸收到胺溶液中，胺溶液可以在多种气体成分下工作，实现高水平的CO2去除，但存在一些与高成本、设备腐蚀和胺轻微降解有关的缺点。最新的方法是基于物理吸收或化学吸附，使用不同的底物，例如用胺、金属氧化物、碱金属和离子液体功能化的活性炭，具有快速吸附和解吸动力学、低能耗（有效减少2 MJ\/kg CO2），使用操作简单，再生能耗低。基本上有三种技术可以将CO2从废气中分离出来：燃烧前、燃烧后和氧燃料燃烧。推荐的分离技术可截留约85%至95%的二氧化碳，从而使每千瓦时发电量的二氧化碳排放量下降80–90%。为了优化密度，将压缩过程压缩到液体或超临界状态（液态CO2占收集的相应气体体积的五分之一），并且节约占CCS过程成本的最大份额的运输花费。由于需要处理的压力相对较低，液相通常优于超临界状态。如Mortensen等人[7]所述，在将压缩CO2气体注入含盐含水层的阶段，记录的压力高于74bar。

此外，使用绿色技术制备的聚合物膜和陶瓷材料由于其较低的资本成本、较低的能耗以及相对于其他竞争技术的操作简单性，利用了表面和界面之间的相互作用而被广泛应用。在这种系统中，天然气在燃烧前或燃烧后以不同的机制流经膜，如溶液扩散、吸附扩散、分子筛和离子传输。通过孔隙实现，而对于气体吸附膜，微孔固体膜用作气体和液体流之间的接触装置。当膜材料与烟道气的一种特定组分具有较高的亲和力时，这种亲和力组分优先吸附在膜表面上，然后被吸附的气体分子沿着孔表面移动到渗透侧，直到解吸到渗透气体。相反，诸如金属有机框架之类的试剂由于其对水的优先亲和力而减少了应用。

三、CCS和CCUS在榆林地区的经济和环境作用[2]

与任何需要从可持续性角度做出的决策一样，必须考虑到技术经济、环境和政治社会方面，以了解土地的状况，也就是说，了解可以利用的优势、需要消除的弱点、可以利用的机会以及需要挫败的威胁。然而，好消息是，人们对CCUS的兴趣正在增长，它支持在可持续工业应用中利用捕获的CO2的高端研究，不用说，它在很多方面都是可持续的和环保的。然而，大多数CCUS选项实际上无法永久锁定CO2。充其量，这是一种延迟策略，在温室气体最终可能以某种方式释放到大气中之前，将其锁定更长时间。

3.1 CO2运输和处置

CO2捕获后立即进行的过程涉及CO2处理或利用。一般来说，二氧化碳需要从生产现场（发电厂）运输到储存或利用现场。然而，人们可以假设，从化工厂分离出来的CO2可以在现场转化为其他化学品，因为现场有设施。如果不在现场转化，二氧化碳可以通过管道运输或运输并储存在地下、枯竭油气田、深层含盐含水层和深层不可溶煤层中，这些煤层广泛分布于全球所有沉积盆地中，通常位于地表以下数公里处。矿物碳化是一种储存方法，在二价金属氧化物或硅酸盐（如镁或钙矿物（橄榄岩）存在的情况下，CO2气体转化为稳定的碳酸盐，其碳化能力超过100万亿吨CO2。

3.2 二氧化碳在碳氮键形成中的应用

目前使用的最大CO2量是在尿素工业合成中形成CeN键。值得注意的是，氨基甲酸酯、异氰酸酯和脲（对称和不对称）是高附加值产品，用作医药、农用化学品、燃料添加剂和聚合物。今天，它们仍然使用剧毒的光气进行制备，但无光气路线基于CO2和胺（脲）以及CO2、胺和醇（氨基甲酸酯），通过改变反应副产物的去除来克服热力学限制。利用相同的反应，可以建立生产两种或两种以上化学品的集成工艺。事实上，伯胺可以用CO2气体处理，生成氨基甲酸，氨基甲酸可以在Mitsunobu条件下原位脱水，生成中间异氰酸酯，可以与相同的胺缩合，形成所需的脲。

3.3 二氧化碳在碳氧键形成中的应用

线性和环状有机碳酸盐通常是无毒化合物，广泛用于合成重要的工业化学品，包括单体、聚合物、表面活性剂、增塑剂，还用作燃料添加剂。在氨基甲酸酯的相同方式下，在其与醇的反应中使用CO2与特定催化剂，可避免使用光气或一氧化碳。化学制品，如芳香族无光气聚碳酸酯或脂肪族聚碳酸酯，如碳酸聚丙烯、碳酸聚乙烯、碳酸聚柠檬烯和聚氨酯，都是从二氧化碳开始生产的。

3.4 CO2在形成C–C键中的应用

在目前所见的情况下，CO2与亲核试剂O或N反应。为了形成羧酸制备用的CeC键，需要碳负离子。许多有机金属试剂和相关底物具有强烈的亲核碳负离子型官能团，通常或多或少容易与CO2反应生成相应的羧酸盐。二氧化碳被用作直接和间接羧化试剂，事实上，大量二氧化碳被用于生产可用于合成二羧酸的无机碳酸盐。二羧酸最重要的应用是在聚合物工业中，它们被用作单体和添加剂。有趣的是，有机基质的光羧基化也可以通过半导体实现。

3.5 光触媒CO2还原

光触媒二氧化碳还原可以直接将CO2和水转化为碳氢化合物太阳能燃料[6]、合成气和聚合物，正受到广泛关注。CO2可以还原为不同的高能物种，如HCOOH、HCHO、CH3OH和CH4。在多步光催化CO2还原反应中，光激发属性、带结构和光生电荷载体的分离效率是影响催化CO2还原过程中光生电子的三个重要因素，可以调节产品的选择性。如果真正的限制是激发态由于低激发态而迅速失活，那么大量廉价的金属系统也可以用来生产多电子催化剂。Cu（I）配合物正引起人们的关注[86]。AgeMgOeTiO2复合垫由于Ag NP的表面等离子体共振效应而表现出扩展的可见光吸收。MgO NPs的沉积作为基本位置，可以促进CO2分子的吸附。银和氧化镁作为双催化剂的协同作用有助于提高光催化活性和CO2还原的CH4选择。

3.5 榆林地区CCUS技术的应用实例

中国石油天然气股份有限公司（以下简称“延长石油”）已部署并开发了自己的全链碳捕获、利用和储存（CCUS）项目, 5万吨/年CO2捕集装置已在陕西延长榆林煤化工厂建成。使用林德低温甲醇洗技术捕获CO2源，这是一种酸性气体去除工艺，如CO2和硫化合物，是煤制气工艺的关键步骤之一。20万吨/年煤制醋酸项目从德士古煤气化工艺开始，然后进行变换反应，以调整CO和H2的浓度。在酸气脱除（低温甲醇洗）过程中，CO2将从变换反应出口气体中分离出来。由于酸性气体在不同低温条件下在甲醇溶液中的溶解度相差很大，因此，大量高浓度CO2基本上都是在该除酸工段捕获的。

来自CO2吸收塔的减压无硫富甲醇溶剂被送入“液气分离器”V101。此时，富溶剂的温度高于不凝气体（杂质）的露点，在分离器V101顶部快速气化，其余富溶剂流入分离器V102进行二级液气分离，其中大量高纯度（>99%）CO2已从富溶剂中解吸。分离器底部的富甲醇溶剂将被泵送回低温甲醇洗工艺。

来自分离器V102顶部的低温（-46℃）CO2气流经过E101中的冷能回收过程后，最终送入压缩机C101。经过C101中的三级压缩过程和E102中的冷却过程，CO2最终通过丙烯急冷冷却器E103从（116℃）冷却至（-17℃）。然后蒸汽将通过缓冲罐V103，液化CO2产品从底部流出，不凝气体流回低温甲醇洗工艺。来自储罐V103底部的液化CO2产品以2.3MPa的压力和-17℃的温度流入球形储罐。CO2最终被泵入罐车，并运至靖边和吴起试点进行CO2-EOR和地质封存试验

四、总结

碳捕获、利用和储存可被视为一种战略，结合更智能地使用化石碳，可确保未来一代的可用性。学术和工业研究都取得了重大进展，以尽可能减少大气中的二氧化碳排放。尽管如此，上述技术在减缓CO2排放方面没有同样的潜力。特别是，由于能源限制，二氧化碳转化为碳酸盐、氨基甲酸酯、尿素或羧酸盐的过程目前可以小规模开发。大量二氧化碳转化的一个有趣方法是使用生物技术或集成系统，这可能在通过将二氧化碳转化为能源、材料和燃料将“废气”碳转化为“工作”碳方面发挥重要作用。

参考文献：

[1]杨子民.实现巴黎协议环保目标的化石能源可燃烧总量研究[J].环境科学与技术,2020,43(09):111-118.DOI:10.19672/j.cnki.1003-6504.2020.09.016.

[2]陈诗一.能源消耗、二氧化碳排放与中国工业的可持续发展[J].经济研究,2009,44(04):41-55.

[3]陆春海,倪师军,陈文凯,陈敏,施泽明,张成江.二氧化碳捕获与贮存技术及建议[J].地质学报,2013,87(S1):344-347.

[4]李丽红,杨博文.我国碳捕获与储存技术(CCS)二维监管法律制度研究[J].科技管理研究,2016,36(23):232-236.

[5]鲁瑜. 《巴黎协定》中的国家自主贡献机制研究[D].甘肃政法大学,2022.DOI:10.27785/d.cnki.ggszf.2022.000191.

[6]李哲. “碳捕手”崛起：CCUS方兴未艾[N]. 中国经营报,2022-09-19(B18).DOI:10.38300/n.cnki.nzgjy.2022.002519.

[1]打造榆林市碳减排技术成果转移转化的载体平台，那么建议研究背景对结合榆林地区

[2]标题为榆林地区的经济和环境作用，文中为结合榆林地区现状进行分析，建议结合榆林现状进行分析