摘要

综述了国内外二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）全链条技术研究进展，探讨了燃烧前、富氧燃烧、燃烧后等CO₂捕集技术，其中化学吸收法技术最成熟、应用最广泛；分析了化学利用、生物利用、地质利用与封存等CO₂下游消纳技术，拓展转化利用途径和提升循环利用效率是关键；总结了煤电和煤化工CCUS典型工程案例，指出了探索典型能源基地CCUS产业集群具有重要意义，可为双碳目标提供兜底保障。

关键词：煤基能源；CO₂捕集；CO₂利用与封存；化学吸收；双碳目标

自工业革命以来，人类能源活动造成的以CO₂为主的温室气体排放是导致全球温室效应加剧的主要原因。2015年12月巴黎气候变化大会通过的《巴黎协定》明确指出，要将全球温升控制在不超过2℃甚至1.5℃。作为负责任的发展中大国，2020年9月，习近平总书记在联合国大会一般性辩论上提出了中国“3060”碳达峰碳中和目标。我国作为全球最大的碳排放国，碳减排压力巨大，双碳目标将成为煤基能源应对气候变化、构建新发展格局的重要抓手。

根据国际能源署（IEA）2020年发布的能源技术展望报告，可持续发展情景下，到2070年二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）仍将是主要碳减排路径之一，全球累计减排贡献15%。我国能源消费以煤为主，CCUS将是未来大幅减少煤基能源CO₂排放和保障能源安全的重要战略技术选择。然而，煤电和煤化工行业低碳发展在当前面临着高能耗、高成本等缺陷，以及成本下降明显、技术发展多元等优势，CCUS技术发展的机遇和挑战并存。因此，亟需发展低成本、低能耗的大规模煤基能源CCUS技术和示范，本文中重点对国内外CCUS全链条技术研究现状和典型工程案例进行了总结分析。

一CCUS技术研究现状

1.1 CO₂捕集

1.1.1 燃烧前捕集

在碳基燃料燃烧前将其化学能从碳元素中转移出来，利用煤气化等方式将燃料转化为合成气（CO+H₂），然后通过水煤气变换反应将CO转化为 CO₂和H₂，再通过吸收、吸附等工艺将CO₂分离出来，从而得到相对纯净的富氢燃料气。燃烧前捕集需要以整体煤气化联合循环（IGCC）技术为基础，待分离混合气体的体积较小、压力较高且CO₂浓度较高（干基可达 30%以上），美国、欧洲、中国在IGCC发电技术示范上已取得重大进展，并开展了大量CO₂捕集研究。2016年，华能集团依托250MW级IGCC示范工程，建成世界最大规模的10万t级燃烧前CO₂捕集装置，单位能耗达到2.2GJ/t，CO₂回收率超过90%。

1.1.2 燃烧中捕集

富氧燃烧是指用纯氧/富氧与部分燃烧后烟气混合，代替空气作为化石燃料燃烧的氧化剂，在燃烧前利用空气分离系统去除大量氮，燃烧产物主要成分为CO₂和水蒸汽，经冷凝脱水后产生纯度较高的CO（2 85%以上），可不用进行分离处理，直接经过压缩液化后用于运输和储存。目前，国内外学者针对常压/加压富氧燃烧的燃烧特性、传热特性、污染排放控制机理，以及关键设备、系统集成等方面开展了大量研究。常压富氧燃烧方面，2008年，瑞典瀑布电力公司在德国黑泵建成世界首个30MWth等级煤粉富氧燃烧工业示范装置；2006年以来，华中科技大学联合国家能源集团等单位实施了中国富氧燃烧“0.3MWth-3MWth-35MWth-200MWe”技术路线，2015年建成的湖北应城35MWth煤粉富氧燃烧示范装置为全球第四套、国内首套且规模最大。加压富氧燃烧方面，意大利国家电力公司和美国气体技术公司分别建成首个MW 级（5MW水煤浆）加压煤粉富氧燃烧和首个MW级加压CFB富氧燃烧中试平台，东南大学和中国科学院工程热物理研究所分别建成0.1MWth加压CFB富氧燃烧和MW级加CFB富氧燃烧/气化中试平台。

1.1.3 燃烧后捕集

在众多碳捕集技术路线中，燃烧后分离CO₂对煤基能源系统现有运行方式影响最小，通常对尾部烟气进行处理，CO₂捕集、回收、纯化等单元相对独立。目前，燃烧后CO₂捕集主要有吸收法、吸附法、膜分离法等，其中吸收法是分离脱除烟气CO₂中技术最成熟、应用最广泛的方法。

吸收法主要分为物理吸收和化学吸收，通过加热或减压等方式实现CO₂的解吸提纯。物理法以低温甲醇洗为代表，适用于分离煤化工原料气中高分压CO₂；化学法是当前唯一实现了大规模商业应用的一种，适用于煤电、钢铁、水泥等低浓度CO₂气源，国内外学者们致力于开发低能耗化学吸收剂，比较典型的有有机胺溶液[单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、哌嗪（PZ）、2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）、多元复合胺（如日本三菱重工KS系列、中石化南化院MA系列）等]、两相吸收剂[如法国石油研究院的DMXTM溶剂、浙江大学的二乙氨基乙醇（DEEA）型或环丁砜型、肌氨酸钾盐]、少水或无水吸收剂（如AMP/AEEA/NMP无水溶液、多种胺与多种有机溶剂混合溶液）、离子液体（如咪唑基物理离子液体、功能化离子液体）等，具有吸收效率高、反应速率快等优点，但再生能耗高、污染物排放、吸收剂氧化降解和腐蚀性等问题不容忽视。

吸附法通过范德华力或化学键将CO₂捕集到吸附剂表面，通常分为物理吸附和化学吸附，分别以变压吸附（PSA）和变温吸附（TSA）为代表工艺。根据工作温区的差异还可分为低温吸附剂（<200℃，如固体胺、碳基、沸石类、金属有机骨架等吸附剂）、中温吸附剂（200~400℃，如类水滑石基和MgO基吸附剂）、高温吸附剂（>400℃，如CaO基、硅酸盐基、锂基吸附剂），与吸收法相比，吸附法具有工艺流程简单、理论能耗低、污染和腐蚀风险小等优点，但吸附容量小、选择性较低、对水分敏感、存在动力学限制、成型造粒及规模化制备难等问题限制了其工业化应用。

膜分离法根据CO₂和其他气体在膜内渗透性和选择性上的差异，在压力差驱动作用下实现分离，当前研究主要聚焦开发膜材料（聚合物膜、无机膜、复合膜等）和膜分离工艺（原料侧压缩、渗透侧抽真空等），比较具有代表性的有美国MTR公司的 PolarisTM膜、德国HZG研究中心的PolyactiveTM膜、天津大学PVAm复合膜，已进行中试规模的测试验证，但高性能膜材料和组件对低浓度及成分复杂气源适配性较差、难以规模化制备，工业化推广进程受到了限制。

1.2 CO₂利用与封存

1.2.1 CO₂化学利用

CO₂的化学利用是突破C-C、C-O键的精准调控技术，通过研发高效廉价催化剂、碳酸化矿化配方，将 CO₂转化为高附加值化学物质，实现捕集后CO₂的资源化和能源化利用。根据反应过程中C原子价态的变化可分为还原性和非还原性，其中还原性化学采用加氢还原、电催化还原等方式制备甲醇、合成气、甲烷、甲酸、烯烃，中科院上海高等研究院、大连化学物理研究所等单位均已建成千吨级CO₂加氢制甲醇中试装置，催化转化主要瓶颈在于高性能催化剂单程转化率低、定向选择性差，以及示范规模较小、制氢成本较高。非还原性化学利用将CO₂分子整体合成到产物中，一方面CO₂与环氧化合物反应生成环状碳酸酯，并可进一步合成碳酸二甲酯、聚碳酸酯等一系列化学品；另一方面，CO₂与富含Ca、Mg等碱金属的工业固废（如灰渣、钢渣、磷石膏等）发生矿化反应，形成稳定的碳酸盐，并产出肥料、混凝土、建筑材料等产品，四川大学、浙江大学已分别建成1.5万t/aCO₂矿化利用脱硫渣和1万t/aCO₂矿化养护混凝土示范装置，未来仍需进一步提升不同体系矿物的碳化速率，降低强化固碳过程的能耗。

1.2.2 CO₂生物利用

CO₂的生物利用主要通过微生物、植物的光合作用，将CO₂转化为食品和饲料添加剂、化学品和生物燃料、生物肥料，以及CO₂温室气肥利用（大棚蔬菜）。其中，微藻转化利用CO₂具有固碳效率高、生物质产品应用范围广等优点，目前已实现万吨级商业化应用的有螺旋藻、小球藻、雨生红球藻等，将CO₂转化生物燃料、肥料等技术尚处于中试验证阶段，未来仍需着力开发高效低成本固碳优良藻株的大规模培育及高效生物光反应器放大技术。

1.2.3 CO₂地质利用与封存

CO₂地质利用与封存是指以CO₂作为工质，在适宜地质条件下将其注入地下，驱替石油、天然气或直接封存，主要包括CO₂强化驱油（EOR）、驱替煤层气（ECBM）、强化天然气开采（EGR）、强化地热系统（EGS）、陆上和海底咸水层地质封存（SWR）等。目前，CO₂-EOR和CO₂-SWR技术较为成熟，国内外均有十万吨级乃至百万吨级的全流程CO₂驱油与封存示范项目，基本达到商业化应用阶段。但是，要想实现大规模推广应用，未来仍需结合CO₂源汇匹配进行经济可行的产业集群规划，并深入研究CO₂规模化注入、场地表征与筛选、安全性监测、风险评价处置等技术及装备。

二CCUS典型工程案例分析

目前，世界多国正在积极推进规模化、集群化CCUS工业示范乃至商业化项目的落地实施。根据全球碳捕集与封存研究院（Global CCS Institute）的最新报告，截至2022年9月，全球建设运行、正在开发的商业化CCUS项目已增长到近200个，总的CO₂捕集能力可超过2.4亿t/a。其中，运行中的CCUS设施主要分布在美国、加拿大、中国、欧洲、澳大利亚等国家和地区。世界上最成功的CCUS-EOR示范项目是加拿大Weyburn项目，首次实现煤气化厂产生高浓度CO₂的大规模捕集、长距离运输、驱油与封存，自2000年10月开始注入CO₂，至今累积封存超过3500万tCO₂。世界上首个燃煤电厂百万吨/年燃烧后CCUS示范项目于2014年10月在加拿大边界大坝（Boundary Dam）电厂建成投运，将低浓度CO₂进行捕集，绝大部分运输到Weyburn油田进行驱油与封存。世界上最大的燃煤电厂燃烧后CCUS示范项目于2017年1月在美国佩特拉诺瓦（Petra Nova）电厂建成投运，CO₂捕集能力达到140万t/a，通过管道输送至西部牧场油田，用于提高原油采收率。

在中国，尽管CCUS技术起步晚于西方发达国家，但在政府的支持下，通过“产学研用”协同攻关，CCUS全链条关键技术取得较大突破，商业化进程持续加速。截至2022年9月，我国建设运行、正在开发的CCUS示范项目约100个，已投运项目近60个，具备CO₂捕集能力超过400万t/a。其中，针对煤基能源已建成多个十万吨级以上CCUS示范项目，具备大规模示范的条件，当前国家能源集团、华能集团已启动百万吨级规模的煤电和煤化工CCUS全流程示范项目。

2.1 15万t级煤电燃烧后CCUS示范工程

2016年以来，在国家重点研发计划和系列企业级科技项目支持下，国家能源集团联合国内高等院校、科研院所、设计院等相关优势单位，依托国能锦界公司600MW机组，开展燃煤电厂化学吸收法CO₂捕集技术研究和工业示范。项目发明了新型低能耗、低腐蚀性、抗氧化降解的高性能吸收剂，研制了增强型改性塑料填料、低端差贫富液换热器、汽提式降膜再沸器等新设备，首创了“级间冷却+分流解吸+机械式蒸汽再压缩（MVR）闪蒸”等新型高效节能工艺，建成国内最大规模的15万t/a燃煤电厂燃烧后CO₂捕集-利用/封存全流程示范工程。该工程于2019年11月1日正式开工建设，2021年6月25日一次通过168h试运行，实现了低分压、大流量、复杂燃煤烟气CO₂捕集率>90%、CO₂体积分数>99.95%、再生能耗达到2.35GJ/tCO₂的重大突破，投资及捕集成本较传统MEA工艺降低30%以上，性能指标国际领先，CO₂全部用于驱油封存和化工利用。

2.2 10万t级富氧燃烧碳捕集关键技术装备及示范

2006年以来，在国家级和系列企业级科技项目支持下，华中科技大学联合国家能源集团等单位攻克了煤粉富氧燃烧碳捕集关键核心技术与装备，先后建成 0.3、3、35MWth等一系列高水平的小试、中试装置和工业示范装置，并完成200MWe富氧燃烧发电系统全流程方案设计和系统集成优化。2015年1月，在湖北应城建成国内首套且规模最大的35MWth富氧燃烧示范装置，CO₂年捕集能力约10万t，具有干烟气和湿烟气循环能力，成功实现了煤粉燃烧“空气-富氧”和“富氧-空气”的切换运行，烟气CO₂体积分数达到了82.7%的国际最高值，并于2021年7月成功通过168h连续稳定运行。

2.3 万吨级CO₂矿化利用固废关键技术及示范

在国家重点研发计划项目支持下，浙江大学等单位开发了基于工业固废的CO₂矿化封存协同养护混凝土技术，形成了以钢渣、粉煤灰、炉底渣、电石渣、水泥为主料的多元复合轻质实心混凝土配方。2020年8月，在河南强耐新材股份有限公司建成全球首个万吨级CO₂矿化养护混凝土示范工程，以化工厂高浓度CO₂排放废气和钢渣、粉煤灰等工业固废为原料，每年生产1亿块MU15标准的轻质实心混凝土砖。

目前，国家能源集团正联合浙江大学以燃煤电厂捕集到的CO₂气体，以及发电过程中产生的粉煤灰、脱硫石膏、炉渣等固废为原料，开展万吨级以上CO₂矿化煤基固废制混凝土协同废水治理技术研究与工业示范，产品砌块固碳率>5%，CO₂吸收转化率>90%，CO₂矿化净封存率>80%，强度达到 MU15 国家标准，实现煤电CO₂、固废和废水协同消纳。

2.4 10万t级煤化工CO₂捕集与咸水层地质封存示范工程

2009年以来，在国家级和系列企业级科技项目支持下，国家能源集团联合国内多家优势单位，依托鄂尔多斯煤制油公司煤直接液化厂，全球首次建成10万 t/a煤制油高浓度CO₂捕集与低孔低渗陆相咸水层封存全流程示范工程，首创了CO₂一步压缩吸附冷冻精馏捕集工艺和陆相超低渗储层规模化实施CCS关键技术，建立了多位一体、相互印证的CCS监测与评价体系，并研发了保证CCS地下工程安全的配套技术。该工程2011年5月起连续生产、注入、监测，并于2015年4月完成既定注入任务，将CO₂通过捕集、压缩、注入、封存到地下1500~2500m之间的咸水层，累计注入封存CO₂超过30万t。

三结论

（1）在CCUS的整体技术链条中，CO₂捕集处于上游，主要有燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后捕集等技术，其中燃烧后化学吸收法可用于绝大部分煤基能源应用场景，需要重点突破新型吸收剂成本、能耗、降解、腐蚀等瓶颈问题；CO₂利用与封存技术处于下游，通过能源、化工等行业深度耦合，可实现化学利用、生物利用、地质利用与封存，需要重点突破CO₂定向转化的高效催化体系和过程强化工艺、矿化固碳过程碳化效率和经济性提升、CCUS产业集群规划等瓶颈问题。

（2）全球范围内CCUS工业示范项目数量逐年增多、规模逐步扩大，发展势头良好，国外已建成百万吨级规模的煤基能源CCUS示范项目；我国已投运煤基能源CCUS项目捕集规模虽以10万吨级为主，但正在规划百万吨级煤电和煤化工CCUS全流程示范工程，有望加快推动CCUS项目的商业化运营和产业化推广。

（3）CCUS技术有助于实现传统煤基能源行业低碳化转型和可持续发展的双赢目标，未来应充分考虑新型能源体系中煤基能源与可再生能源的深度耦合，探索典型能源基地CCUS产业集群“电化耦合、协同脱碳”新模式，持续提升CCUS整体链条的经济性。

文章来源：顾永正．煤基能源碳捕集利用与封存技术研究进展[J/OL]．现代化工.https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2172.TQ.20230724.1039.032.html