CO2捕集、利用和封存在能源行業的應用：全球案例分析和啟示

薛振乾 謝 祥 馬浩銘 孫 喆 張 凱 陳掌星，4，5

（1. 加拿大卡爾加里大學化學與石油工程系，加拿大 卡爾加里 T2N1N4；2. 信開環境投資有限公司，北京 101101；3. 中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074；4. 寧波東方理工大學（暫名），浙江 寧波 315200；5. 中國石油大學（北京）油氣資源與工程全國重點實驗室，北京 102249）

0 引 言

工業革命后，世界經濟的快速發展帶來了溫室氣體的大量排放從而導致了氣候變暖和海平面上升等諸多問題。CO2是溫室氣體的主要成分，能源行業作為CO2的主要排放源，其2022 年CO2排放量占全球總CO2排放量近40%，總量超3.68×1010t，在各行業中排名第一［1-4］。為降低其環境影響，國際能源署（IEA）、政府間氣候變化專門委員會（IPCC）、國際可再生能源機構（IRENA）等指出通過CO2捕集、封存和利用（CCUS）技術來進行最實效的碳處理。CCUS 是指將CO2通過工業過程大規模捕集、有效利用或注入地下多孔介質中進行安全長久地封存，從而實現工業化大規模降低碳排放［3］。目前，全球陸上CO2封存容量為6.0 ×1012~42.0 × 1012t，北美地區CO2封存容量為2.3 ×1012~21.5 × 1012t， 中國CO2封存容量為1.2 ×1012~4.1 × 1012t，歐洲CO2封存容量約為0.5×1012t。其中，深部咸水層的封存容量占比約98%且分布廣泛，是較為理想的CO2封存場所?？萁哂蜌獠赜捎诖嬖谕暾臉嬙?、詳細的地質勘探基礎等條件，也是適合CO2封存的早期理想地質場所之一。雖然一些CO2封存和CCUS 提高石油采收率的項目已經在中國的四川、塔里木、松遼、渤海灣、鄂爾多斯和準噶爾等盆地的油田開展開來，但是目前中國僅實現年碳封存量為1 × 106t，僅為年碳排放量的萬分之一［5-6］，在完成碳達峰和碳中和目標的道路上仍處于初始階段。除此之外，政策的統籌規劃和扶持是推動CO2封存行業走向成熟的重要手段。目前，國際上涉及CCUS 領域的主要經濟體中，美國、歐盟和加拿大等關于CO2封存的政策法規相對完善，中國在該領域起步相對較晚，行業內還缺少相應的政策法規作為指引和支持。因此，針對全球CCUS 項目進行全面的分析和總結，可以為中國CCUS 技術的可持續發展，實現2030 年碳達峰與2060 年碳中和目標提供助力。

1 碳源及碳捕集

碳源和碳捕集作為CCUS 項目中最重要的部分，豐富的碳源通常決定著一個CCUS 項目的成功與否。CCUS 項目中的CO2通常是通過從大量且固定的CO2排放源中對CO2進行捕集，再通過分離、收集和壓縮等步驟才可以通過運輸后進行后續的利用與封存。為了評估CCUS 項目的潛力，需要在項目開啟之前對CO2源進行評估。具有排放源密集且固定CO2排放的工廠通?？紤]為CO2源的供應方，而由于排放源分散且移動的碳源不宜捕集和封存等原因，居民商業和交通運輸行業的CO2排放不適合作為CCUS 項目的CO2源。其中發電廠和鋼鐵、水泥等工廠所排放的CO2占據了全球CO2排放量的70%［7］。目前國際上廣泛認可的可作為CO2源的行業主要為發電廠、水泥廠、煉油廠、鋼鐵工業、石油和天然氣工業等（圖1），其中最主要的CO2排放區為中國、印度、北美、歐洲西北部和非洲南部。中國CO2源則主要來自于熱電廠、水泥廠、鋼鐵廠以及煤化工廠等［7-10］。除此之外，生物質也被作為另一類穩定的CO2源，但是相比于發電廠和其他工業則少得多。據聯合國政府間氣候變化委員會（IPCC）估計，到2050 年，全球的CO2排放量將達到230×108~840×108t/a［11］。其中，發電廠和工業行業依舊是最大的CO2排放源，且其排放量將在亞洲顯著提高，但在歐洲則可能減少。乙醇生產等生物行業同樣可以產生較高濃度的CO2源［10］。在確定碳源之后，將CO2進行捕獲并進行分離、收集和壓縮后產生高濃度CO2，此過程即CO2捕集。目前國際上廣泛進行碳捕集的行業和方法主要有天然氣廠、煤化工廠、采油廠、生物捕集、空氣捕集以及其他工業生產過程中的排放物捕集。據國際能源署（IEA）估計，2020—2070 年，從天然氣廠和煤化工廠中捕集的CO2將超過50%，從生物質中所捕集的CO2也高達22%［10］（圖2）。

圖1 全球和中國的主要碳源[6]Fig. 1 Main CO2 emission sources in China and world[6]

圖2 2020―2070年全球捕集的CO2的主要來源行業[10]Fig. 2 Main CO2 emission sources industries of global carbon capture in 2020-2070[10]

排放源的CO2濃度也是影響CCUS 項目的關鍵因素，濃度越高，對CO2捕集的技術要求越低且成本越低。目前大部分的發電廠和工業行業排放源中CO2的質量分數都低于15%，只有很少一部分基于化石燃料的工業行業排放的CO2質量分數超過95%。因此，這些CO2濃度較高的行業可以作為早期CCUS 項目的潛在CO2源對象。除此之外，生物根據不同行業和技術的生產流程，也衍生出不同的碳捕集技術，包括燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒和空氣捕集（圖3）。

圖3 主流CO2捕集技術流程Fig. 3 Workflow of dominating CO2 capture processes

燃燒前捕集主要分為煤氣化聯合循環發電（IGCC）和工業分離2 大類。該技術將高壓富氧氣化煤轉化為煤氣，隨后經過水煤氣變換，產生CO2和H2［10］。由于氣體壓力和CO2濃度均較高，因此CO2的捕集變得相對容易，剩余的H2還可以作為燃料使用。這種碳捕集技術具有系統體積小、能耗低的優勢，并在提高效率和控制污染物方面具有巨大潛力［12］。目前，美國北達科他州煤氣化工廠采用物理溶劑工藝進行CO2燃燒前捕集，每年可以從氣流中分離出300×104t 的CO2。中國燃燒前捕集技術基本與國際先進水平同步，華能天津IGCC 項目、中國石油大慶油田徐深九天然氣凈化廠和延長石油都采用了燃燒前捕集技術進行碳捕集，捕獲的CO2純度高達99%，可以高效地利用于CO2利用和封存項目中。然而，由于IGCC 發電技術仍面臨投資成本高和可靠性待提高等挑戰，工業分離仍是目前廣泛應用的燃燒前捕集技術。

燃燒后捕集主要是在燃燒排放的煙氣中捕集CO2，并通過化學吸收法、物理吸收法和膜分離法等技術將CO2進行分離［10］。目前，華潤電力海豐測試平臺項目使用胺液吸收和膜分離碳捕集技術進行碳捕集。其中胺液吸收法可捕集純度達99%的CO2，膜分離法可捕獲純度95%的CO2［10］。馬來西亞國家石油公司所承擔的CCUS 項目采用化學吸附工藝對CO2進行燃燒后捕集，每年從燃氣電廠的煙道氣中可分離出近20×104t 的CO2。德國ANICA 項目采用了第二代燃燒后捕集技術建立了碳捕集試驗工廠，利用CaO 從煙道氣中分離CO2［10］。中國的燃燒后捕集技術發展仍處于工業示范階段。此捕集方法主要適用于火力發電廠，但由于普通煙氣壓力小、體積大、CO2濃度低以及富含大量N2的特點，因此捕集系統體積較大、能耗高、投資成本高。

富氧燃燒結合了燃燒前捕集和燃燒后捕集技術的特點，是利用制氧技術獲得的純氧或富氧空氣與再循環煙道氣混合進行燃燒的方法［11］。此方法獲得的煙道氣中CO2濃度較高，可以直接用于CO2利用與封存。目前，澳大利亞昆士蘭州的卡利德（Callide A） 發電站、德國施普倫貝格黑水泵（Schwarze Pumpe）發電站和美國得克薩斯州拉波特的NET 能源測試項目都建設了利用富氧燃燒技術進行碳捕集和封存的實驗區，但是由于成本不可控和技術難以突破等問題，除了NET 能源測試項目，其余2 個發電站都終止了該技術的研究。中國湖北應城也進行了富氧燃燒的實驗室實驗，但是由于成本過高，目前建成的捕集裝置仍未能進行示范運行。對于富氧燃燒技術，突破的關鍵點是找到廉價低耗的能動技術。

空氣捕集技術是指通過使用液態或固態捕捉劑直接將空氣中CO2進行捕集并儲存。由于空氣中CO2的質量濃度較低（平均質量濃度為420 mg/L），因此該技術的實施難度較大。常用的液體捕捉劑為氫氧化鉀（KOH）溶液，KOH 溶液與空氣中的CO2反應產生碳酸鉀（K2CO3），再利用氫氧化鈣（Ca（OH）2）與其反應生成碳酸鈣（CaCO3）將CO2進行捕集［11］。固態捕捉劑的原理是利用納米分子材料制成的過濾網將吸收進收集器內的空氣中的CO2通過低溫低壓調價下物理吸附的原理進行捕集，隨后通過提高過濾網的溫度和壓力使捕集到的CO2從過濾網的表面界面分離并進行存儲，通常該技術需要將過濾網的溫度控制在80~100 ℃從而達到解吸的效果。近年來隨著多種材料的出現，金屬有機骨架逐漸成為新型捕集材料，并大幅提高了捕集效率［12］。目前，空氣捕集技術在國際上仍處于早期研發階段，主要挑戰包括：探究不同材料的工程應用性、提高捕集效率以及降低經濟成本。根據國際能源署的專題報告，目前CO2的捕集成本為200~700 美元/t，大約是其他CO2源捕集成本的10~40 倍。因此，工業用途較少，大規模的推廣需要強有力的政策支持［12］。

碳捕集之所以作為CCUS 項目最重要的環節之一，是因為其成本占項目總成本的65%~85%［12］。根據不同的碳源中CO2的濃度和采用的捕集技術，碳捕集的成本也各不相同。根據目前已經成功建成的CCUS 項目，由于較高的碳源濃度，天然氣處理和煤化工廠的碳捕集成本較低（約150 元/t），其余工業捕集，例如熱電廠、水泥廠和鋼鐵廠的捕集成本為250~800 元/t，而仍處于研發階段的空氣捕集的成本較高（大于1 000 元/t）。因此，在開展CCUS 項目之前，對碳源容量和濃度以及所需的捕集技術進行可行性分析是至關重要的，即使無法兼顧所有的優勢，本著提高碳捕集效率和降低捕集成本，也將大大提高大規模CCUS 項目的成功概率。同時，對空氣捕集技術的研究和突破也有助于有效解決碳源問題，實現CCUS 技術的彎道超車。

2 CCUS全球項目案例

目前，CCUS 項目的商業應用主要體現在CO2在咸水地層的地質埋存和CO2提高石油采收率2 個方面。CO2地質封存介質主要是多孔的地下可滲透巖層，捕集的CO2通過分離、收集、壓縮和運輸等工程技術之后注入可滲透巖層中實現永久性的封存。

CO2地質封存介質主要分為3 類：①咸水地層（或含水層）；②枯竭的油氣田；③非常規資源（火成巖、不可開采煤層和有機頁巖）［13-20］。

注入的CO2在地下儲層通過與巖石和儲層流體等發生物理和化學反應實現數千年的安全封存，主要的封存機制包括：①由非滲透巖石組成的蓋層形成地層圈閉；②周圍的液體將CO2以液滴的形式圈閉在孔隙形成殘留或毛細管封存；③溶解捕集（CO2在咸水中溶解）；④礦物捕集（CO2與儲層礦物質發生化學反應）［17-23］。

CO2強化采油技術在全球范圍也比較成熟，在石油開采中，注入的CO2與原油具有較好的互溶性，可以有效地降低原油黏度，同時改善了油與水的流度比，擴大了波及體積。除此之外，隨著CO2與石油的互溶，膨脹的原油體積可以增加地層的彈性，有效地提高了驅油效率。同時，在一定的壓力下，CO2可以萃取和汽化原油中的輕烴，降低原油的相對密度和界面張力，從而提高采收率。因此，該技術在進行CO2封存的同時還可以提高采收率，有效地降低了CCUS 項目的成本。但是，在非常規油氣藏中，CO2的地質封存會被地質條件隨時間的演變所影響，比如水力壓裂后的裂縫會隨時間的變化而閉合，從而導致封存量的降低。通過使用CO2可以提高化石能源以及地下可再生能源利用，例如地熱能的開采，可以有效降低能源行業的碳排放，從而實現碳中和。同時，CO2地質封存也是制備藍氫過程中最重要的環節［24-30］。

2.1 薩拉赫（Salah）項目

Salah 油田位于阿爾及利亞，其目的層是一套枯竭的石油和天然氣儲層。該項目從氣田中1%~10%碳含量的天然氣生產流中通過胺法來捕集CO2，并進行壓縮、運輸及儲存。據估計，該油田的CO2封存容量約為1.7×107t，并在2004 年開始往地下1 900 m 處的厚20 m 的砂巖層中的下傾含水層段注入CO2。該砂巖層孔隙度為15%，滲透率為10×10-3μm2，3 口水平注入井沿著最小水平主應力的方向（即主要裂縫方向）進行鉆探，以最大限度地提高注入能力。日注入量近4 000 t，截至2008年底，地下已累計儲存了超過380×104t 的CO2，注入成本約為6 美元/t，封存的總成本約為27 億美元。該項目在開展過程中采用了地球物理和地球化學方法進行儲氣性能的監測，在開創性的使用衛星InSAR（干擾合成孔徑雷達）數據來監測與地下注入應力相關的地層應變之外，也適用其他技術來了解地層對CO2注入后的響應，包括四維地震、微地震、井口取樣（包括示蹤劑）、井下測井、巖心分析、地表氣體監測和地下含水層監測。在進行常規氣田開發作業的同時，還開發了收集和解釋這些數據的常規方法和程序，并對CO2封存進行了適當監測、建模和驗證。由于及時的地震和微震數據監測，即使在大氣中未發現泄漏的CO2，該項目在發現有部分注入的CO2已經從儲層滲透到蓋層之后，出于對項目安全和環境污染的顧慮，于2011 年暫停了注入CO2。

2.2 斯萊普內爾（Sleipner）項目

位于挪威北海的Sleipner 項目是由挪威國家石油公司運營的世界上第一個商業規模的CO2封存項目。該項目的CO2源通過胺法從Sleipner 氣田生產的富含9% CO2的天然氣中分離出來，并將分離出的CO2注入到深度為800~1 000 m 的塊狀砂巖咸水層中，砂巖儲層厚度為200～300 m，砂巖中含有8個厚度1 m 左右的頁巖薄夾層，砂巖上覆巖層中含有超過厚度20 m 的低滲透頁巖蓋層保障CO2安全封存，注入的CO2得以在地下進行有效封存。CO2通過一口偏離水平面的單井進行注入，注入點位于海平面下1 012 m，距離儲層頂部約200 m，因此井筒位于CO2羽流下面。這樣的井筒設置可以有效地降低在封存過程中CO2羽流的影響，從而不會構成密封的風險。項目從1996 年開始至2015 年，共有1.55×107t 的CO2被成功地注入并實現安全封存。雖然地震監測顯示CO2的海底泄漏并沒有發生，但是注入的CO2很快就擴散到含水層內的薄頁巖層中。自注入開始不到3 a 的時間里，CO2已經穿過含水層內的8 個薄頁巖層并達到砂巖頂部。上覆頁巖蓋層有效地保障了CO2的安全封存并降低了該CCUS 項目的封存泄漏風險。

2.3 韋本（Weyburn）項目

Weyburn 封存項目位于加拿大薩斯喀徹溫省中南部，由Cenovus 能源公司、Apache 能源公司和加拿大石油技術研究中心共同運營。該CCUS 項目旨在提高石油產量的同時進行CO2地質封存，在加拿大阿爾伯塔省開展ACTL 項目之前該項目一直是世界上最大的CO2封存項目。該項目的碳源來自于北達科他州附近的煤炭氣化和發電廠，并通過管道運輸至加拿大Weyburn 站點。從2000 年開始，CO2以3 000～5 000 t/d 的速度注入儲層，將石油的產量增加了1.3 億桶，采收率提高了近25%，油田壽命延長了25 a。Weyburn 項目氣田的碳酸鹽巖儲層有2個不同的含水層，即巖漿巖和泥灰巖層。巖漿巖層的下部地區具有較好的儲層特性，而上部地區則以石灰巖為主，滲透率相對較低，但孔隙度較高。泥灰巖層是白云石單元，具有低滲透性和高孔隙度的特點。這2 種含水層都被無水巖蓋層所封閉，這意味著巖漿床和泥灰巖床可儲存的流體或氣體多于其可輸送的流體或氣體。截至目前，根據氣體監測及CO2同位素分析，該項目目前還未發生CO2泄漏。據估計，到2025―2030 年，可將2×107t 的CO2封存在這2 個不同的含水層中。

2.4 其他CO2地質封存項目

全球其他CO2封存項目主要應用于鹽水地層和提高石油與天然氣采收率（EOR）（表1），其中美國、加拿大、挪威、澳大利亞和中國的CO2地質封存技術上較為成熟，已經完成了不同程度的CO2封存目標。

表1 全球部分CO2地質封存項目Table 1 Some global CO2 geological storage projects

3 CCUS風險

為了解決氣候問題，盡快完成碳達峰、碳中和的目標，全球目前都在大力發展CCUS 技術并已經在一些國家和地區建設相應的項目和試驗區。但是一個完整的CCUS 項目流程復雜，包括CO2的捕集、運輸和利用與封存等多項步驟，因此在執行中也存在一定的風險。

CO2的捕集過程通常在安全的工業環境下進行，因此其在風險層面沒有大的挑戰。但是運行CO2捕集系統需要大量額外的能源，意味著工廠需要更多的燃料。據統計，包含CO2捕集系統的電廠所消耗的燃料相比于常規電廠增加了10%～40%［30］。同時，更多的燃料消耗也因此會排放更多的廢棄物，對環境產生了一定的危害。因此，建設高效的CCUS 工廠可以在電廠層面上實現有效的碳減排。在CO2的運輸過程中，CO2的泄漏是主要的安全問題，同時需要在管道運輸路線上進行設計，盡量避免人口密度較大的地區。除此之外，用于溶解CO2的水具有較高的腐蝕性，因此運輸管道或者罐車必須使用抗腐蝕性材料，對運輸成本產生了較大的挑戰。CO2地質封存過程中的CO2滲漏是影響CCUS 項目成功與否的關鍵因素。如果封存的CO2泄漏到大氣中，將會對大氣環境和氣候產生危害；如果封存的CO2在地下構造中發生泄漏，也會對地層、生態系統以及人類的生活環境產生危害。因此，前期的封存選址、封存系統的工程設計、操作系統的控制與檢測和CO2實時監測都必須謹慎地進行考慮與設計。

4 CCUS前景與啟示

通過對目前全球已經建成的CCUS 項目的總結與分析，對中國CCUS 技術的發展起到一定的啟發作用。CCUS 項目目前在全球范圍內仍然處于初期發展階段的主要原因還是成本不可控，為了盡可能地降低成本，在確定CCUS 項目地點的時候，除了考慮地質構造是否符合CO2埋存要求的同時，還需要考慮碳捕集及運輸的成本，盡可能地綜合考慮碳源豐度，碳源含量且碳源與封存地距離等因素的影響。從CCUS 封存地質條件來說，目前大量CCUS 商業項目已證實CO2在咸水儲層的封存具有可行性。因此，對于CCUS 項目的選址，可以優先考慮具有優勢蓋層的枯竭含水層油氣藏，這樣不僅在技術上可行，前期油藏開發過程中所建造的地面設施和地下設施還可以有效地降低CCUS 項目的成本。但是針對附近沒有優質碳源或者需要重新建造工作設施的枯竭含水層油氣藏，在項目開啟之前需要對經濟可行性進行研究。與含鹽水層相比，CO2強化采油技術也已經在全球范圍進行了廣泛的商業應用，證實了其具有更強的可行性。首先，油田開采出來的石油與天然氣可以提取出CO2作為碳源，從根源上達到降低CO2排放量的目標；其次，注入的CO2可以通過提高石油采收率來增加收益，從而降低項目的成本；再次，注入的CO2也可以在油氣藏中有效的封存，從而進一步減少了CO2的排放量。因此，CO2強化采油技術應當得到大力的研究與發展應用，在提高化石能源產量的同時減少CO2的排放。在CCUS 項目運行過程中，還應當運用地球物理和地球化學的方法對地層進行實時監測，避免地震和泄漏等不良事件的發生，實現安全的地質封存。

除此之外，與各種能源進行耦合與應用的CCUS 技術也應當開展開來，例如CO2提高煤層氣采收率技術、CO2開發地熱、礦石碳化和其他工業利用。在煤層中注入CO2，一方面可以將CO2封存在煤層中，另一方面可以利用CO2相對于甲烷較強的吸附性來驅替甲烷，進而提高煤層氣采收率。在開發地熱能時，由于CO2具有低黏度和可觀的熱容特點，在地熱田注入CO2不僅可以提高地熱的采收效率還可以在儲層中進行CO2封存。不同CCUS 技術的多方面發展，早日實現商業應用，可以為中國的“雙碳”目標助力。

5 結 論

（1）在推動全球范圍內降低氣候變暖的大背景下，CCUS 是目前最有效的手段。其中，CO2在枯竭油氣藏中的應用，可以在提高油氣采收率的同時有效封存CO2。但是在世界范圍內由于當前CCUS扶持政策力度不夠，CO2源的價格過高等原因，導致當前大規模工業化應用較少。

（2）由于受CO2濃度的影響，捕集技術對于整個CCUS 產業鏈的影響尤為關鍵。目前，中國已經在工業碳源捕集方面取得較大進展，捕集成本大幅低于歐美等發達國家。但是，在空氣直接捕集方面，中國的科研進展尚處于早期階段。由于空氣中CO2的濃度較低，捕集難度較大，成本較高，加之當下政策扶持力度不夠，導致該領域研究進展緩慢，工業化應用案例較少。在進一步完善當前較為成熟的碳捕集技術的同時大力發展空氣直接捕集技術，可推動中國CCUS 實現彎道超車。

（3）目前CO2在油氣藏和咸水層中的封存和利用依舊是CCUS 技術應用的主流。相較于歐美等其他發達國家，中國的地質結構較為復雜，面臨更多不確定性。中國應當巧妙利用油氣田已建成的地面和地下設施，繼續大力發展CO2在咸水層和油氣藏的封存和提高采收率技術，逐漸完善適用于中國地質條件的CCUS 技術，在增加CO2的封存潛力和提高油氣采收率的同時，監測CO2封存的運移，建立環境評估技術指南，推動CCUS 項目的可持續運營。在此基礎上，CCUS 技術也應當開展增強CO2開發地熱、CO2強化開發煤層氣和頁巖氣、CO2玄武巖礦化封存、CO2水合物封存等方面的研究。