碳捕集与封存( CCS)简介

碳捕集与封存（CCS）简介
碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS）是指将大型发电厂、钢铁厂、水泥厂、
化工厂等排放的二氧化碳收集起来并封存而与大气隔绝的一种技术。

CCS是为了实现温室气体减排、
应对全球气候变化而开发的一项新技术，其重要意义在Array于：它是在继续利用煤、石油等化石能源的同时实现CO2
近零排放的唯一有效技术。

CCS技术包括CO2捕集、运输以及封存三个环节，
每个环节都已有成熟技术，但在串联起来应用于大规模
CO2减排时尚需要通过各种途径降低成本，包括进行技术
改造和将所捕集的一部分CO2提供利用，如用于提高石
油采收率等。

二氧化碳捕集
二氧化碳的捕集方式主要有三种：燃烧前捕集（Pre-combustion）、富氧燃烧（Oxy-fuel
combustion）、燃烧后捕集（Post-combustion）。

燃烧前捕集
目前主要采用IGCC（整体煤气化联合循环）发电系统。

其过程是在燃烧之前将煤气化成煤气并
净化除去CO2、H2S、NOx及粉尘等，再将煤气分离得到得到H2和CO2。

H2作为燃气轮机的燃料，CO2经脱水和压缩后提供封存。

伴生的高温废气再利用来产生蒸汽供蒸汽轮机发电。

该技术的捕集系统小，效率高、用水少、环保（同时实现脱碳、脱硫、脱硝和除尘），还可与煤化工相结合，实现电、热、化工产品（氢气、甲醇、烯烃）等多联产。

IGCC的研发已列入我国“十一五”发展规划纲要和863计划重大项目。

富氧燃烧
采用传统燃煤电站的技术流程，但通过制氧技术，将空气中占大比例的氮气（N2）脱除，直接采用高浓度的氧气（O2）与抽回的部分烟气的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。

该技术目前尚处于研发阶段，最大的难题是制氧技术的投资
和能耗太高。

燃烧后捕集
在传统工业排放的烟道气中捕集CO2。

目前常用的CO2分离技术主要有化学吸收法（利用酸碱Array性吸收）和物理吸收法（变温变压吸附），而膜分离法也发
展很快，在能耗和设备紧凑性方面具有巨大潜力。

燃烧后捕
集技术的优点是适用于传统煤电厂和其他工业排放源的脱
碳改造。

然而，普通烟道气中CO2浓度低，因而捕集耗能
较大。

捕集预留
捕集预留（CO2 Capture Ready, 简称CCR）指在新建传
统电厂时为将来安装CO2捕集装置预留空间和作一些设计
上的调整。

目前国内外都预测在2030年左右将需要CCS的
大规模工业化进入，对当前新建传统电厂实施CCR的好处
是大大降低将来实现电厂脱碳改造的成本。

目前英国已立法
规定新建传统电厂必须实行CCR。

二氧化碳运输
捕集到的二氧化碳经过脱水和压缩后，要运输到合适的地点进行封存。

可以使用汽车、火车、
轮船以及管道来进行运输。

一般说来，管道是最经济的运输方式。

二氧化碳封存
二氧化碳封存的方法原来分为两类：地质封存（将CO2封存于深部地质结构中）和海洋封存（将
CO2封存于底层海水中）；但目前海洋封存已被禁止，因为担心海洋封存对生态产生不可预测的影响。

CO2地质封存指将压缩的CO2注入800米以下的地质结构中，这些地质结构可以是油田、气田、咸水层、无法开采的煤矿等。

大量研究表明，CO2会逐渐溶于地下水，若地质封存点是经过谨慎选择、设计与管理的，注入其中的CO2的99%都可安全封存1000年以上不会泄露。

将CO2注入油田用以驱油（简称CO2-EOR）可以提高原油采收率，在美国已应用了30多年，平均提高采收率约13%，与此同时也实现了一部分CO2的地质封存。

将CO2注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气（甲烷）驱出来，即提高煤层气采收率（简称ECBM），其技术困难是煤层渗
透率太低。

然而，CO2-EOR不是对所有油田都适用，所能封存CO2总量也有限。

为实现减排目标需要封存大量的CO2，最适合的地点是深部咸水层。

咸水层指富含不适合农业或饮用的咸水的砂岩层，深度
需要在800米以下，以使CO2处于高密度的临界状态；
地质结构在沉积盆地中较为常见，有巨大的封存潜力。

适合于CO2封存的地质结构既有在陆上，也有在海
底。

海底CO2封存的工程成本远高于陆上封存，但有不
与工农业和居民生活争地、对环境影响较小等优点。

我国
南方陆上沉积盆地少而小，而海底有一系列大型沉积盆
地，CO2封存的希望主要在海底。

二氧化碳的利用
将捕集的CO2进行工农业利用可以降低CCS成本，但为实现温室气体减排的CO2利用必须致力
于同时实现CO2的永久（>1000年）封存，而不是仅仅短期推迟CO2的排放。

目前，CO2-EOR是能同时实现CO2大规模利用和永久封存的唯一技术，我国已在973计划中立项研究和在吉林油田试验。

CO2还可应用于食品（如干冰、汽水、蔬菜瓜果的保鲜等）、化工（如生产合成尿素、碳酸盐建材、塑料、阿司匹林、脂肪酸和水杨酸及其衍生物等）、其他工业（如制冷剂、超临界萃取等）。

其中只有CO2的矿物化可同时实现CO2的永久封存。

据统计，目前全世界CO2的利用率不足1亿吨／年，不到各种化石能源燃烧排放到大气中的CO2量总的0.5%。

CCS的成本和产业机遇
与没有CO2减排功能的传统电厂相比，实现CCS需要增加成本和能耗。

一般认为建厂成本会增
加一半，能耗会增加10%以上。

所增加的成本和能耗中，约2//3用于捕集，1/3用于运输和发电。

当
然这个数字是因时、因地、因项目而变的，而且还在随技术的发展而迅速降低。

但是，CCS发电的成本明显低于可再生能源（水电、风电、光伏发电、生物质发电）和核电。

国际能源署（IEA）指出，如果没有CCS，实现2050年减排目标的成本将增加70%；清华大学对我
国的研究表明，为实现相同的减排量，CCS所需要增加的投资是核电的1/2不到，是风电的1/4不
到，而且这个比例还将随时间而降低。

CCS的产业机遇
根据国际能源署（IEA）的预测，在几十年内世界的一次能源需求的大部分仍将来自化石能源。

为了实现将全球的CO2减排目标，CCS的贡献率将达20%左右。

国家发改委能源研究所的研究表明，我国要想实现大幅度的碳减排，需要在2030年后实现CCS的商业化利用。

近年来全球气候变化行业的增长速度远远超过预期。

据汇丰银行的资料，2008年全球经济衰退时，低碳行业的收入仍大幅增长75%，其上市企业（包括可再生能源发电、核能、能源管理、水处理和垃圾处理企业）营业总额超过了航天与国防业的营业总额。

目前国内外CCS处于示范工程阶段，各国都在努力攻占技术制高点。

可以预期，CCS的技术研发和相关产业将有极大的机遇。

我国的CCS研发进展
我国已在国家基础科学研究（973）计划和高技术发展（863）计划中启动了相关的研究项目，短短几年内在CCS的技术研发方面的进展令世界瞩目，碳捕集技术方面已部分进入世界前列。

截止2010年8月，已投产或在建中的一定规模CCS工程如下：
l华能北京热电厂，国内首座燃煤电厂燃烧后CO2捕集示范工程，2008年7月建成投产，CO2捕集量3千吨/年。

l华能上海石洞口第二电厂，目前世界最大的燃烧后CO2捕集示范工程，2009年12月建成投产，CO2捕集和提纯12万吨/年，自主技术，成本仅为美国同类工程的30%。

l华能天津IGCC电站示范工程，2009年由国家发改委正式核准并开工兴建，自主技术，首期250MW将于2011年前建成，二期2x400MW将于2015年前建成。

l中电投重庆双槐电厂，燃烧后碳捕集装置，自主技术，CO2捕集和提纯1万吨/年。

l973项目吉林油田CO2-EOR试验，至2009年9月已注入7万吨CO2，预测提高采收率14%以上。

l神华鄂尔多斯，我国首个全程CCS示范项目，包括从煤制油厂捕集CO2和注入深部咸水层封存。

2010年7月开始向地下注气，预计10万吨/年。

未来将分两步建成年捕集与封存100万吨、300万吨CO2的项目。

在广东省，东莞电化股份有限公司的天明电厂120兆瓦IGCC项目已完成了项目核准、环保立项、工程设计、主设备预选型等，基本具备动工条件。

该公司的洪梅太阳洲4×200MW IGCC示范工程项目已列入国家863计划，可研报告已通过审查。

广东国华惠州的2×400MW两期IGCC项目也正在报批之中。

（GDCCSR项目组，2010年8月）。