2023CCUS产业发展报告（一）CCUS发展背景与技术内涵

越来越多的国家政府正在将碳中和目标上升为国家战略，提出“无碳未来”的愿景。自20世纪80年代以来，每个连续十年都比前一个十年更暖。在过去几十年中，人为排放的二氧化碳，大致54%被自然过程所吸收固定，剩下的46%则留存于大气中。在自然吸收的54%中，23%由海洋完成，31%由陆地生态系统完成。比如最近几年，全球每年的碳排放量大约为400亿吨二氧化碳，其中的86%来自化石燃料燃烧，14%由土地利用变化造成。这400亿吨二氧化碳中的184亿吨（46%）加入到大气中，导致大约2ppmv的大气二氧化碳浓度增加。温室气体（如二氧化碳、臭氧、氧化亚氮等）的大量排放是气候变暖的重要原因。为避免全球气候持续变暖，造成难以挽回的损失，全球各经济体纷纷加快推进节能减排计划，控制和减少温室气体排放量，扭转全球气候变暖趋势。

20世纪90年代以来，各国政府开始对气候相关事务进行积极介入，国家间协作得到进一步加强。1992年，纲领性文件《联合国气候变化框架公约》在巴西里约热内卢举行的地球首脑会议上通过。1995年，公约第一次缔约方会议（COP）即世界气候大会在德国柏林召开。1997年，人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放的《京都议定书》顺利通过，从而构建起了应对气候变化的国际制度框架。2015年，全世界178个缔约方共同签署了气候变化协定《巴黎协定》，明确了全球共同追求的“硬指标”：“各方将加强对气候变化威胁的全球应对，把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内，并为把升温控制在1.5℃之内努力”。

2022年12月，欧盟理事会和欧洲议会就碳边境调节机制（CBAM）未决的几个关键问题达成了临时协议，确定欧盟碳边界调整机制将于2023年10月起试运行，以应对气候变化和防止碳泄漏。在CBAM的设计规则中，坚持对所有进口来源地一视同仁，最终要实现的目标是确保全球的产品制造商在进入欧盟市场时需要为生产过程中的每一吨碳排放支付相同的碳成本。但由于各国技术发展水平、资源能源禀赋、工艺制造流程的差异，产品生产制造过程中的碳排放强度存在差异，这种碳排放强度的差异将会构成碳中和时代国际贸易中新的比较优势，进而重塑全球产业链。

我国当前CO2年排放量大数在100亿吨左右，约为全球总排放量的四分之一。这样较大数量的排放主要由我国的能源消费总量和能源消费结构所决定。

中国已进入全球气候投融资的主力方阵。2022年全球能源转型投资总额达1.1万亿美元，中国连续多年为全球最大投资国；2022年全球绿色债券发行规模4437亿美元，中国是全球最大绿债发行国之一；2022年全球碳市场交易总额约8650亿欧元，中国交易额位列欧盟、北美、英国、新西兰、韩国之后，处于稳步发展阶段。

我国实现碳中和目标的路径，一是利用光伏、风能等清洁能源替代传统能源，二是在不改变传统能源结构的基础上对二氧化碳进行捕集，减少二氧化碳的排放量，而后将捕集的二氧化碳进行资源化利用或封存，即CCUS。在控制CO2排放的同时保持经济增长，对于中国经济发展是严峻的挑战。CCUS技术给与中国较大的CO2排放缓冲空间，这对于需要短期内降低CO2排放的中国有着重要意义。

在实施碳达峰、碳中和战略的背景下，碳捕集利用与封存技术（CCUS）技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。“碳中和”是指碳的排放量和碳的吸收利用量达到一个平衡点，即处于“碳吸收”等于“碳排放”平衡的“净零排放”状态。“碳捕集与封存技术”（Carbon Capture and Storage，简称CCS）的基本原理是捕集电厂、钢铁厂、水泥厂等工业设施产生的二氧化碳，运输至指定地点后封存于地下。盐碱含水层或资源耗尽的石油储层、气储层可作为封存地点，其深度通常在地表1000米以下，是促进“碳吸收”的直接且有效的重要方式之一。

“碳捕集利用与封存技术”（Carbon Capture, Utilizationand Storage，以下简称CCUS），将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用（用于生产塑料、水泥或生物燃料）或注入地层以实现CO2永久减排的过程（图1）。它包括碳捕集技术、捕集后的工业化利用技术（分为生物利用和化工利用两大类）、地质利用和封存技术。对这些技术，国内外尚处在研发阶段，真正大面积的应用尚未见到。

图1：CCUS技术及主要类型示意图

CCUS技术链上中下游分别为捕集、输送、利用与封存等环节（图2）。

图2：CCUS技术链

CO2捕集是指将CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程，主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链捕集。

CO2输送是指将捕集的CO2运送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同，分为罐车运输、船舶运输和管道运输，其中罐车运输包括汽车运输和铁路运输两种方式。

CO2利用是指通过工程技术手段将捕集的CO2实现资源化利用的过程。根据工程技术手段的不同，可分为CO2地质利用、CO2化工利用和CO2生物利用等。其中，CO2地质利用是将CO2注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气采收率，开采地热、深部咸（卤）水、铀矿等多种类型资源。

CO2封存是指通过工程技术手段将捕集的CO2注入深部地质储层，实现CO2与大气长期隔绝的过程。按照封存位置不同，可分为陆地封存和海洋封存；按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。

碳中和目标下，大力发展CCUS技术不仅是未来我国减少二氧化碳排放、保障能源安全的战略选择，而且是构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。

CCUS是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择。中国能源系统规模庞大、需求多样，从兼顾实现碳中和目标和保障能源安全的角度考虑，未来应积极构建以高比例可再生能源为主导，核能、化石能源等多元互补的清洁低碳、安全高效的现代能源体系。2019年，煤炭占中国能源消费的比例高达58%，根据已有研究的预测，到2050年，化石能源仍将扮演重要角色，占中国能源消费比例的10%-15%。CCUS将是实现该部分化石能源近零排放的唯一技术选择。

CCUS是碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段。碳中和目标要求电力系统提前实现净零排放，大幅提高非化石电力比例，必将导致电力系统在供给端和消费端不确定性的显著增大，影响电力系统的安全稳定。充分考虑电力系统实现快速减排并保证灵活性、可靠性等多重需求，火电加装CCUS是具有竞争力的重要技术手段，可实现近零碳排放，提供稳定清洁低碳电力，平衡可再生能源发电的波动性，并在避免季节性或长期性的电力短缺方面发挥惯性支撑和频率控制等重要作用。

CCUS是钢铁水泥等难以减排行业低碳转型的可行技术选择。国际能源署（IEA）发布2020年钢铁行业技术路线图，预计到2050年，钢铁行业通过采取工艺改进、效率提升、能源和原料替代等常规减排方案后，仍将剩余34%的碳排放量，即使氢直接还原铁（DRI）技术取得重大突破，剩余碳排放量也超过8%。水泥行业通过采取其他常规减排方案后，仍将剩余48%的碳排放量。CCUS是钢铁、水泥等难以减排行业实现净零排放为数不多的可行技术选择之一。

CCUS与新能源耦合的负排放技术是实现碳中和目标的重要技术保障。预计到2060年，中国仍有数亿吨非CO2温室气体及部分电力、工业排放的CO2难以实现减排，BECCS及其他负排放技术可中和该部分温室气体排放，推动温室气体净零排放，为实现碳中和目标提供重要支撑。

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上发表重要讲话，提出我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。习近平总书记关于碳达峰、碳中和作出的一系列重大宣示和重要论述，为我国应对气候变化和绿色低碳发展明确了目标与方向，为强化全球气候行动注入了强大的政治推动力。政府出台系列政策助力CCUS技术推广和示范工程建设，促进CCUS技术发展，其中包括支持内资企业相关经济发展，保护国内企业在CCUS市场的经营等。

表2：我国CCUS技术相关政策梳理

表3：山东CCUS相关政策梳理

CCUS技术作为一种大规模的温室气体减排技术，近年来在生态环境部、科技部、发改委等部门的共同推动下，CCUS相关政策逐步完善，科研技术能力和水平日益提升，试点示范项目规模不断壮大，整体竞争力进一步增强，已呈现出良好的发展势头。但总体上看，我国面向碳中和的绿色低碳技术体系还尚未建立，重大战略技术发展应用尚存缺口，现有减排技术体系与碳中和愿景的实际需求之间还存在较大差距。有研究表明，CCUS将成为我国实现碳中和目标不可或缺的技术，而且发展规模将快速增长。可以预见，未来5年开展重大项目示范，将推动CCUS在本世纪30年代初步实现产业化，对于2060年前实现我国碳中和目标意义重大。

从二氧化碳排放源类型及规模来看，对CCUS技术应用主要集中于电厂、水泥、钢铁及煤化工等行业。碳捕集技术指利用吸收、吸附、膜分离、低温分馏、富氧燃烧等方式将不同排放源的CO2进行分离和富集的过程，是CCUS技术发展的基础和前提。由于对化石能源的使用方式不同，排放源中气体组分及温度、压力等特点存在较大差异，为满足下游生产需要，对CO2净化程度要求也高。在工程实践中应综合考虑气源特点、净化度和经济成本等因素选择合适的碳捕集技术。

按碳捕集与燃烧的先后顺序可将碳捕集技术分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。燃烧前捕集成本相对较低、效率较高，但适用性不高；燃烧后捕集虽应用较广，但相对能耗和成本更高；富氧燃烧对操作环境要求高，目前仍处于试验与示范阶段。

目前应用最为广泛的依然是燃烧后捕集技术，主要分为化学吸收法、物理吸收法、物理吸附法和膜法等。

1、化学吸收法

化学吸收法是目前燃煤电厂烟气捕集CO2使用最为广泛的方法。化学吸收法利用化学试剂与CO2发生化学反应来捕获CO2。常用的化学吸收剂有碳酸钾、氨水或有机胺类水溶液。化学吸收法较适合CO2浓度低于20%的低压烟气的处理。

（1）热钾碱法

热钾碱法采用25%-30%的K2CO3水溶液吸收CO2。总反应如下：K2CO3+H2O+CO2↔2KHCO3。生成的KHCO3在减压和加热时可释放出CO2，重新生成K2CO3循环利用。

热钾碱脱碳工艺吸收CO2能力强、净化度高、有机组分损失最低，溶液价格便宜；但是再生热耗高是其主要缺点。主要用于以天然气为原料的制氢和天然气为原料合成氨（甲醇）变换气脱除二氧化碳，同时也应用于石油化工生产中反应循环气中CO2的脱除。

（2）有机胺法

有机胺法是利用带有羟基和胺基的碱性水溶液对CO2进行捕集。常见的有机胺有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、N-甲基二乙醇胺（MDEA）、2-氨基-2-甲基丙醇（AMP）等。其中，MEA和DEA对CO2的吸收速率较快，但吸收负荷较低，再生能耗高，腐蚀性强；MDEA吸收负荷比MEA大1倍，但其反应速率较慢；AMP因为具有空间位阻效应，在吸收负荷、再生能耗方面有较大优势，但在反应速率上略逊于MEA，且价格昂贵。

目前，国内外对有机胺吸收剂的研究是通过将两种或多种单一吸收剂混合，进行优势互补，以获得吸收容量高、吸收速率快、再生能耗和腐蚀性低的脱碳吸收剂。

有机胺法CO2捕集的基本工艺流程：脱硫后烟道气经过预处理，除去烟气携带的水分和微量石膏，再由引风机送入吸收塔，其中CO2被胺溶液吸收，尾气由塔顶排入大气。吸收CO2后的富液被送入再生塔，解析得到高浓度的CO2气，进入后续系统进行液化提纯，得到最终产品—液态CO2；再生塔解析出CO2后的贫液送到吸收塔循环使用。

（3）氨水法

CO2与氨可以在不同温度条件下进行化学反应。研究表明，氨水的CO2吸收能力高于有机胺，使用氨水脱碳的效率可达95％-99％，且不存在设备腐蚀的问题；氨水脱碳的副产品为NH4HCO3，其热稳定性较差；氨水与MEA相比，具备较低的再生能，并且能脱除烟气中的SO2和O2，可实现酸性气体的一体化处理。但是因氨具有较高的挥发速度，如何减少氨逃逸是当前的技术难点，因此当前工业应用较少。

化学吸收法运行稳定，气体回收率和纯度可达90%以上，但也存在很多不足，如吸收剂的再生循环使用问题、能耗问题、环境污染问题、设备检修问题等，这些问题进一步改进的空间较小，限制了此技术的进一步应用。

2、物理吸收法

物理吸收法是通过物理溶解作用对酸性气体进行吸收可在加压作用下完成，降压后即可实现溶剂的再生。由于物理吸收并不发生化学反应，是一种较弱的溶解作用，所以再生所需能耗也较少。常用的物理溶剂法有聚乙二醇二甲醚法（Selexol法）、碳酸丙烯酯法（Fluor法）、冷甲醇法（Rectisol法）等。

物理溶剂法技术特点如下：物理溶剂法一般在高压和较低温度下进行，适用于酸性组分分压高（大于345kPa）的原料气脱碳，如合成氨、煤制氢、煤制甲醇生产中变换气脱碳工序；溶剂不易变质，比热容小，腐蚀性小；同时脱除H2S、有机硫（COS、CS，和RSH）等污染物；因为物理溶剂对天然气中的重烃有较大的溶解度，不宜用于重烃含量高的天然气；受再生程度的限制，净化度（即原料气中酸性组分的脱除程度）不如化学溶剂法，当净化度要求很高时，需采用加热、汽提等再生方法。

3、物理吸附法

吸附分离法是利用固体吸附剂选择吸附原料气中CO2，从而达到脱除CO2的目的。在高压（或低温）的条件下吸附CO2，在低压（或高温）的条件下脱附CO2，通过周期性地改变操作压力（或温度），实现工业排放气中CO2的分离和回收。通常，根据吸附操作条件的不同，吸附法分为变温吸附和变压吸附。

（1）变温吸附TSA

TSA是利用吸附剂在不同温度下的CO2吸附量和吸附速率差异，实现CO2的分离和回收。吸附剂在常温（约20-30℃）下吸附CO2，在较高温度（约120℃）下脱附CO2。该变温操作可以实现固态吸附剂的再生和重复利用，但周期性地加热和冷却操作，不仅会降低固态吸附剂的使用寿命，也会增加设备的投资成本、导致高能耗。

（2）变压吸附PSA

PSA是一种通过改变操作压力实现CO2吸附和脱附的低能耗脱碳技术。具体工艺过程如图：原料气经鼓风机加压,经冷却器降温到40℃以内，先进入净化器脱出原料气中的大部分水分及微量污染物，然后进入PSA-CO2装置，原料气中的CO2被吸附，多个吸附塔交替进行吸附与再生过程即可实现CO2的连续生产。每个塔依次经历：吸附、均压降、顺放、逆放/抽空、均压升等步骤。变压吸附法在常温下即可操作，无需反复加热和冷却操作，较TSA法可节约1-2倍的能耗；而且与等效的TSA法相比，PSA法循环周期短产量高，所需的吸附剂量要少得多，因此常采用PSA法脱碳。

吸附分离技术建立在吸附剂性质的基础之上。吸附剂的选择一方面要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。吸附剂对杂质应有较大的吸附量，同时被吸附的物质应易于解吸。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大。气体组份的分离系数越大，分离越容易，得到的产品纯度越高。PSA变压吸附法原料适应性广，无设备腐蚀和环境污染，工艺过程简单，自动化程度高；综合考虑，PSA分离CO2较适合CO2体积分数为20-80%的工业气，随着吸附新材料的研发和改进，物理吸附法有着广阔的发展前景。

图4：物理吸附法工艺流程图

4、膜分离法

利用不同气体组分在压差驱动下透过膜的速率差异实现分离，其中的薄膜是利用某些聚合材料来制成的。气体的性质、薄膜的特性以及薄膜两边的压力差关系到每种组分透过膜的速度。对于脱碳过程，通常CO2在膜的渗透侧富集，而氮气、甲烷等气体的穿透能力较低，在膜的渗余侧富集。膜分离过程不发生相变，具有能耗低、操作简单、设备占地面积小等优点，特别适用于空间受限的场合，如海上平台天然气脱碳处理。但是膜技术也存在一些缺点，比如在混合气复杂或含高腐蚀性物质等环境下缺乏稳定性，有机膜存在不耐高温（烟气需预先冷却）、化学腐蚀、易被污染和不容易清洗等缺点，在使用中容易老化，因此膜分离脱碳技术仍在研究发展阶段，整体来说工程化应用并不成熟。

5、低温冷凝法

低温冷凝法属于一种物理过程，其处理工艺原理是根据尾气中各组气体挥发度不同，将尾气进行多次的压缩以及冷冻，将CO2变为液体。低温分离法适用于气源中二氧化碳浓度90%以上，且产品纯度要求高、又需要液化储运的场合。

综上所述，目前我国燃烧后捕集日渐成熟，2020年前重点发展的燃煤烟气醇胺吸收法已经初见成效，可以大规模实践。但吸收法捕集二氧化碳技术发展仍然面临以下问题：例如，由反应化学计量和吸收剂类型决定的二氧化碳吸收能力有限；挥发性或热/化学降解引起的溶剂损失；对设备腐蚀和溶剂排放对环境产生负面影响；对烟气温度、压力和杂质（如氮氧化物、硫氧化物和氧）的存在高度敏感；由于物理吸附法工艺过程相对简单，且无腐蚀无污染，因此开发高吸附容量、高选择性的CO2吸附剂成为CO2捕集技术研究热点之一。

1、碳利用

碳利用是实现人工碳循环、降低CCUS实施成本、提升CO2经济效益的关键，CO2的资源化利用方式主要有物理利用、化工利用、生物利用和地质利用。

物理利用主要包括食品、制冷、发泡材料等行业，只是延迟了CO2的释放时间，最终还是要排入大气。

化工利用是以化学转化为主要特征，将CO2和共反应物转化为目标产物从而实现资源化利用，对CO2浓度要求低、实施成本低，具有开发价值；CO2化学转化生成的产品可分为3大类：①大宗化学品。目前以CO2为原料的具有成熟工艺技术并实现工业化生产的化工产品包括尿素、水杨酸、纯碱、小苏打和碳酸钙等。②有机燃料。利用CO2作为碳源，通过加氢还原合成甲烷、甲醇、二甲醚、甲酸和低碳烷烃等气体或者液体燃料，既可以减少对化石燃料的依赖，也可以减排CO2。③高分子材料。CO2从分子结构角度来看，具有进行共缩聚和加成共聚形成高分子材料的途径。

生物利用是以生物转化为主要手段，将CO2用于生物质合成，对CO2的浓度要求较高、实施成本较高，但单吨CO2产出效益也相对较高。生物利用技术可分为两类，一是利用植物或微生物的光合作用，如将捕集到的二氧化碳注入温室中，用以增加温室中作物的产量；或者在反应器中生产微藻，微藻再用作生产燃料、肥料、饲料、化学品的原料。二是把二氧化碳同微生物发酵过程相结合，生成有机酸。

地质利用是指利用收集起来的二氧化碳驱油、驱煤层气、驱天然气、驱页岩气等，例如CO2-EOR强化采油技术既能封存大量的CO2，又能增产石油，兼顾经济与环境效益，短期内具有较高的可行性。目前，我国以地质利用为主要方式，化工利用和生物利用相对较少。

表6：碳利用技术分类

2、碳封存

目前CO2的排放量远超其利用能力，无法被利用的CO2需要利用封存技术埋存。碳封存技术主要分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。其中，咸水层分布较广且封闭性较好，封存效果理想；枯竭油气藏通常具有完整、封闭且稳定的地质环境，能保证封存的安全性，但存在一定的泄漏风险，需要多方位监测技术进行保障。