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二氧化碳捕集、利用與封存技術應用前景廣闊

2023-06-05 14:43:33 2023年能源思考3月刊 　 作者： 中國工程院 林青陽  張霄  王濤  鄭成航  高翔  
中國工程院 林青陽，張霄，王濤，鄭成航，高翔
 
文章來源于《Engineering》
 
編者按：
 
碳捕集、利用與封存技術是一種能大規模實現凈零排放的技術，可用于捕集發電廠、工業廠房等排放源以及大氣中的二氧化碳，并將捕集的二氧化碳用作原料，或者注入地表深處，被永久地安全封存，降低碳排放量。作為潛在的顛覆性技術，碳捕集、利用與封存技術有助于應對氣候變化挑戰，應用前景廣闊。
 
中國工程院高翔院士研究團隊《二氧化碳捕集、利用與封存技術》一文指出，就二氧化碳捕集而言，化學吸收是可用作商用的潛在解決方案。二氧化碳的利用重點在于電化學轉化途徑，即將二氧化碳轉化為具有潛在價值的化學品；未來的發展方向是開發高活性、高選擇性和高穩定性的電催化劑，優化電解槽設計，在試點規模內推廣示范。地下封存二氧化碳是極具發展潛力的，其中碳封存可與能源生產相結合（如提高石油采收率技術和提高氣采收率技術），創造經濟效益，此外，為了成功應用二氧化碳封存技術，需要更好地了解流體力學、地質力學以及反應運移。
 
一、引言
 
在工業化和城市化進程中，將溫室氣體排入大氣已經導致全球變暖、造成氣候變化。二氧化碳（CO2）是溫室氣體的主要來源，2018年，全球CO2排放量達到33.1 Gt，大約占溫室氣體排放量的67％。因此，大氣中CO2的濃度顯著增加（大約為百萬分之412）。二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）是潛在的顛覆性技術，有助于應對氣候變化挑戰。CCUS用于捕集發電廠、工業廠房等排放源以及大氣中的CO2。捕集的CO2可用作原料，或者注入地表深處，被永久地安全封存。
 
CCUS（使用生物質時，也稱為生物質能碳捕集、利用與封存）是一種能大規模實現凈零排放的技術，可用于現有的燃煤和燃氣發電廠，有助于在發電時降低碳排放量。除了為供電行業做出貢獻之外，對于在生產過程中會產生CO2的鋼鐵、水泥、玻璃、陶瓷、化學品制造等工業，要實現深脫碳，CCUS可能是唯一具有可擴展性和成本效益的選擇。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和國際能源署（IEA）開展的分析表明，CCUS是實現2050年“凈零”（Net Zero）目標的關鍵；如《巴黎協定》所述，CCUS有助于減少1／6的全球CO2排放量，能將全球氣溫升幅控制在1.5 ℃以內。如果不能成功應用CCUS，應對氣候挑戰則會耗費更多財力。例如，在不應用CCUS的情況下，中國實現長期氣候變化緩解目標需要多花費25％的費用。
 
第2章著重討論碳捕集的化學吸收，并對此展開了詳細討論。第3章的主題是電催化還原CO2，因為該方法在CO2利用方面頗具潛力。最后，第4章著重論述基本的CO2圈閉機制，該機制對于CO2封存具有重要意義。
 
二、碳捕集
 
在發電、工業生產以及能源轉換過程中均會排放CO2。碳捕集技術分為三個途徑：燃燒后捕集、氧燃料燃燒捕集以及燃燒前捕集。捕集技術中采用了多種物理和化學工藝，包括溶劑型吸收、吸附／吸收用固體吸附劑、薄膜、低溫以及用于分離CO2的化學循環。目前，化學吸收是商業上使用最廣的技術（如加拿大每年100萬噸CO2（tCO2）邊界大壩CO2捕集廠項目和美國每年140萬tCO2佩特拉諾瓦（Petra Nova）碳捕集與封存（CCS）項目）。全球碳捕集項目的現行成本是60￣110 USD·t－1，預計到2030年會降至30￣50 USD·t－1。這有助于在商業規模上加強技術推廣。
 
鑒于燃燒后化學吸收對現有設施的改動最小，所以未來上市的潛力最大。化學吸收涉及使用化學溶劑吸收CO2的各種物理和化學捕集工藝。目前，捕集技術的采用主要受溶劑再生能耗高、毒性大、易揮發、成本高等因素的限制。當前，邊界大壩和佩特拉諾瓦項目捕集CO2消耗的能源是0.25￣0.3 MW·h·tCO2－1，導致能效損失。據估計，CO2捕集率為90％時，發電廠（如煤粉超臨界發電廠）的凈發電效率將從41％￣45％降至30％￣35％，預計商業應用中的能耗會減少30％￣40％。
 
為了提高捕集效率和經濟競爭力，開發性能高且能有效改良工藝配置的新型溶劑才是具有吸引力的研究領域。理想的CO2溶劑是化學吸收過程的核心，應具有吸收率高、吸收能力大、再生能量需求低等特點。還需要具備安全、穩定、環境友好、設備腐蝕性低和經濟合理性等特點。圖1和表1總結了不同類型的CO2捕集溶劑。單胺、胺混合物、相溶劑、貧水溶劑等胺系吸收劑用于實現更好的效率。相溶劑的理念是將一種單相的吸收體系注入吸收器，然后轉化成不相混的富CO2和貧CO2相。貧水溶劑是有機稀釋劑和胺的混合物。這些溶劑能增強傳質特性，提升吸收能力，還能減少熱量的產生。為了有效改良工藝配置，吸收過程中可采用中間冷卻、富溶劑回收、貧溶劑分離等潛在的改進方法，而解吸過程可采用中間加熱、富溶劑分離、閃蒸剝離等方法。這些方法是降低生產費用的關鍵基礎。
 


 
除點源碳捕集之外，直接空氣碳捕集（DAC）是直接從大氣中提取低濃度的CO2。然而，直接空氣碳捕集技術尚不完善，從中捕集CO2的成本也比從高濃度CO2排放源中捕集高。目前，根據選擇的技術，試點規模內的直接空氣碳捕集成本為94￣232 USD·tCO2－1。預計到2040年的總成本大約會降至60 USD·tCO2－1，這將會加快該技術在商業上的可行性。
 
三、碳利用
 
關于CO2利用，建議通過有利地重復使用捕集的CO2來提升CCUS技術的經濟競爭力。一般而言，CO2利用包括將CO2直接用作干冰、滅火器、制冷劑，以及用于食品行業；其他方法包括通過不同的化學工藝（如通過化學方法轉換成燃料和化學品、礦化）和生物工藝（如微藻培養）將CO2轉換成高價值產品。使用CO2合成燃料的規模為每年1.0￣4.2 Gt CO2。表2總結了典型化學品的市場情況以及CO2衍生技術的成熟度。電化學還原CO2是將CO2與可再生能源的燃料過程相結合的有效方法。
 
 
近年來，受再生電的影響，電催化還原CO2合成燃料和化學品引起了廣泛的關注（圖2）。經證實，通過精心設計和篩選電催化劑可將CO2轉換成雙電子還原產物（即一氧化碳和甲酸鹽），法拉第效率（FE）高于 95％。此外，采用銅基電催化劑才可獲得分離性適中的深度還原產物（電子轉移數大于2），但是該體系的穩定性仍需進一步改進。近來，采用氣體擴散電極結構實現了在高電流密度（＞　100 mA·cm－2）下進行電催化還原CO2操作，這標志著在CO2電解槽方面取得顯著進步。而且，碳－雜原子（如氮）鍵的形成與電催化還原CO2結合是在溫和條件下制備增值化學品的有效途徑。隨著理論化學和數據科學的快速發展，理論和數據輔助催化劑設計能明顯加快高性能CO2還原電催化劑的探索進程。此外，在使用產品后，CO2通常會排向大氣中。因此，直接空氣碳捕集在進一步降低空氣中CO2的濃度方面發揮著至關重要的作用。
 

 
CO2利用在CO2減排方面有很大的潛力。雖然已經提出通過CO2的利用降低CCUS成本，但是許多利用技術本身在經濟上尚不具有可行性。CO2的絕大多數化學轉化（礦化期間的酸堿中和反應除外）需要投入外部能源，另外還需要額外的成本推動轉化過程。從這個意義上說，盡管考慮到預期的性能改進，將CO2轉化成某些產物（如甲烷）在價格上無法與現有的石油化學途徑競爭。因此，CO2轉換成聚碳酸酯和丙烯酸酯塑料等高價值化學品可能是可行的利用途徑。CO2利用期間還應考慮的另一因素是物流成本。應避免CO2排放源、利用設施和終端用戶之間的長途運輸，從而降低CCUS的總成本。
 
四、碳封存
 
碳封存是將CO2注入地下（如石油／天然氣儲層、不可開采煤層以及咸水層）并進行永久封存的過程。政府間氣候變化專門委員會和國際能源署表示，任何應對氣候變化的可行凈零排放途徑均涉及全球范圍內的碳封存。近年來，提高石油／天然氣儲層的石油采收率技術（EOR）和提高不可開采煤層的氣采收率技術（ECBM）已經成為頗具吸引力的CO2地質利用技術。注入CO2，提取額外的石油和天然氣，同時封存CO2。CO2驅油技術的原理是通過非混相驅或混相驅將CO2注入儲層孔隙，進而增強孔隙尺度的替驅效率。通過該技術能額外采收30％￣60％的石油，抵消一些成本，目前該技術已被廣泛應用。CO2驅采煤層氣的機制是基于較甲烷（CH4）而言CO2在煤微孔表面的選擇性吸附情況。目前，由于CO2驅采煤層氣技術在將CO2注入低透水性的不可開采煤層方面還存在技術困難，且鉆井還需花費額外的成本，所以該技術還未上市。雖然深層鹽水層碳封存具有較大的潛力，但是現在還沒有投入商用。
 
地質系統中通常有四種CO2封存類型：由非滲透巖石組成的蓋層形成地層圈閉、溶解捕集（CO2在鹽水中溶解）、礦物捕集（CO2與容礦巖發生反應）、殘留或毛細管捕集［周圍的液體將CO2以液滴的形式圈閉在孔隙（或神經節）中］。
 
在過去幾十年中，已經開發出孔隙尺度成像技術用于從孔隙尺度層面可視化和量化多孔巖石中的多相流動。深層鹽水層和石油／天然氣儲層碳封存機制與潤濕性相關，目前已經有充分解釋（圖3）。CO2通過毛細管捕集可被封存在鹽水層中：水潤濕巖石表面，流過潤濕層，然后讓非潤濕相CO2以不連續的團塊留在大孔隙中心，此時，大量的CO2會被圈閉在地下。將CO2封存在油氣儲層時，如果地質時期多孔巖石中的碳氫化合物使得潤濕性更傾向于油濕性，那么孔隙中存在水、油和CO2，CO2－水流的概念不可被簡單地加以應用。據觀察，潤濕性取決于孔隙結構和流體特性：CO2可能是最不潤濕相，占據著最大的孔隙，促進流動并實現毛細管圈閉。在其他情況下，水不潤濕巖石表面，將CO2限制在低滲透層的孔隙中，阻礙毛細管圈閉。
 
 
從科學的角度而言，雖然CO2封存概念和機制已經得到證實，但是按照預想將CO2注入地下后的封存效率及其長期命運仍是令人關注的問題。CO2地質利用和封存相關的問題仍然存在：如何將CO2圈閉在孔隙中以及圈閉會如何造成沉積盆地、枯竭油田或疏水層等地質系統以及頁巖、煤層和破碎巖石等非常規環境的變化？物化非均勻性對封存有何影響？如何設計CO2注入使封存安全性最大化？CO2封存如何與提高石油采收率技術和提高氣采收率技術相結合，以便被永久封存并且有效、經濟實惠地生產燃料？若要獲得問題的答案，需要良好地了解下述三個重要方面，這三個方面有助于設計提高封存效率的注入和封存策略。
 
（1）應力狀態和上覆壓力等地質力學對孔隙結構和流動特性（如滲透性）變化的影響。
 
（2）反應運移（例如，在儲層條件下，孔隙中若存在CO2時巖石會溶解）及孔隙結構、流動路徑和流動特性變化對其產生的影響。
 
（3）孔隙中多個流體相的復雜流體力學。
 
五、結論和觀點
 
大氣中CO2排放量增多成為主要的環境問題，引發全球變暖和氣候變化。對CCUS的一些特定技術已經進行討論。就CO2捕集而言，化學吸收是可用作商用的潛在解決方案。但是，要求技術成本降至30￣50 USD·t－1，捕集CO2的能耗大約低于0.21 MWh·tCO。為實現這一目標，需要采用高效且再生成本低的吸收劑，以便在成功應用該技術時降低捕集成本。就CO2利用而言，電化學轉換具有將CO2轉換為有價值的化學品的潛力。未來該技術的發展方向是開發高活性、高選擇性和高穩定性的電催化劑，優化電解槽設計，在試點規模內推廣示范，有利于評估該過程的整體能源效率和成本。在地下封存CO2這一途徑極具潛力，其中CO2封存可與能源生產相結合（如提高石油采收率技術和提高氣采收率技術），創造經濟效益。雖然已經解釋了CO2圈閉的基本原理，但是進一步研究流體力學、地質力學、反應運移以及這些過程如何與CO2封存結合并且如何對其產生影響，從而實現優化和安全封存要求仍具挑戰性。采用無損成像層析技術等先進新穎的技術可以解決這一問題。
 
注：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。
 
原文鏈接：
 
二氧化碳捕集、利用與封存技術丨Engineering
 
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責任編輯： 江曉蓓