CO2綜合利用概述及發(fā)展現(xiàn)狀
2018—2022年，全球能源領(lǐng)域CO2年排放量整體呈上升趨勢(shì)。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2022年全球能源領(lǐng)域CO2排放量達(dá)到368億噸，比上年增加3.21億噸，增幅為0.9%。在經(jīng)歷了兩年能源使用和排放異常波動(dòng)后，去年的增長速度遠(yuǎn)低于2021年超過6%的反彈速度。在全球范圍內(nèi)，能源燃燒排放增加了4.23億噸，而工業(yè)過程排放減少了1.02億噸。
在全球的CO2排放構(gòu)成中，主要集中于電力(39%)、工業(yè)生產(chǎn)(28%)、陸運(yùn)(18%)、航空(3%)、船運(yùn)(2%)以及居民消耗(10%)，從另外一個(gè)角度來說，也就是主要來自于煤、石油和天然氣等化石燃料的燃燒。
(資料圖片)
而我國則略有不同，電力生產(chǎn)和供應(yīng)所產(chǎn)生的CO2占到我國CO2排放量的51%，遠(yuǎn)超世界水平；此外為工業(yè)生產(chǎn)碳排放與交通運(yùn)輸碳排放，分別占到28%、10%，這三類行業(yè)已經(jīng)或即將面臨碳減排的壓力，尤其是電力企業(yè)，全國碳排放交易將電力企業(yè)納入首批名單，而石化煉制企業(yè)碳排放暫未受到嚴(yán)格管制。
我國已投運(yùn)或建設(shè)中的碳捕獲、利用與封存（CCUS）示范項(xiàng)目有40余個(gè)，遍布19個(gè)省份，總捕集能力達(dá)400萬噸/年。截至2022年，國內(nèi)已建成在運(yùn)或間歇運(yùn)行的CCUS項(xiàng)目共23個(gè)，其中捕集規(guī)模超過30萬噸/年的項(xiàng)目有9個(gè)。
CO2綜合利用技術(shù)主要分為物理應(yīng)用、化學(xué)應(yīng)用和生物應(yīng)用。
其中，物理應(yīng)用主要包括:在啤酒、碳酸飲料中的應(yīng)用；石油開采的驅(qū)油劑；焊接工藝中的惰性氣體保護(hù)焊；將液體、固體CO2的冷量用于食品蔬菜的冷藏、儲(chǔ)運(yùn)；在果蔬的自然降氧、氣調(diào)保鮮劑等行業(yè)中。
化學(xué)應(yīng)用主要包括:無機(jī)和有機(jī)化學(xué)品、高分子材料等的研究應(yīng)用上。如以CO2為原料合成尿素、生產(chǎn)輕質(zhì)納米級(jí)超細(xì)活性碳酸鹽；CO2催化加氫制取甲醇；以CO2為原料的一系列有機(jī)原料的合成；CO2與環(huán)氧化物共聚生產(chǎn)的高聚物；通過CO2轉(zhuǎn)化為CO，從而發(fā)展一系列羥基化碳化學(xué)品等。
生物應(yīng)用主要以微藻固定CO2轉(zhuǎn)化為生物燃料和化學(xué)品，生物肥料、食品和飼料添加劑等。
總體而言，油田驅(qū)油、地下封存、食品級(jí)利用、醫(yī)療、焊接、水泥固化、CO2制甲醇，是當(dāng)前較主流的利用方向，也是國內(nèi)外碳利用相對(duì)成熟的技術(shù)方向，但是其中食品、醫(yī)療和焊接市場容量小，對(duì)巨大的CO2排放影響微弱。CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2海藻培育、動(dòng)力循環(huán)等尚處于發(fā)展階段，多數(shù)有機(jī)、無機(jī)化工和高分子領(lǐng)域尚處于理論研究階段。因此，綜合來看，油田驅(qū)油、地下封存、水泥固化、CO2制甲醇是當(dāng)前CO2利用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和目標(biāo)。
對(duì)CO2綜合利用技術(shù)在物理應(yīng)用和化學(xué)應(yīng)用的方面，以下將舉例說明。
1.物理應(yīng)用——CO2油田驅(qū)油技術(shù)
近十年來，采油領(lǐng)域正逐漸成為CO2的超級(jí)用戶，隨著油田原油采出難度加大，針對(duì)提高原油采出率的新工藝不斷應(yīng)用，其最具前景的工藝為CO2混相驅(qū)油工藝。
CO2和地層原油在通常情況下是不能進(jìn)行融合形成混相的，但是在特定的溫度、壓力下，結(jié)合原油的實(shí)際成分，即可以形成混相。注入油藏儲(chǔ)藏的CO2就反映出自身的超臨界狀態(tài)作用。在這種狀態(tài)下CO2所占據(jù)的儲(chǔ)層空間會(huì)降低，CO2的密度也隨著降低。在密度差的作用下，CO2會(huì)產(chǎn)生一定的推動(dòng)力，使其具有良好的流動(dòng)性和擴(kuò)散性。混相流體將從原油中不斷地萃取含量較重的碳?xì)浠衔铩＿@樣CO2就可以將地層中的原油不斷地驅(qū)替上來，從而達(dá)到提高原油采收效率的目的。
CO2驅(qū)油技術(shù)目前主要分為以下幾類工藝。
①CO2分層注入工藝技術(shù)：向油藏中注入CO2技術(shù)主要以分層注入和籠統(tǒng)注入兩種方式。由于油藏層間的非均質(zhì)性比較強(qiáng)，籠統(tǒng)注入方式會(huì)引起層間壓力不均造成縱向的油層吸氣不均勻，使得CO2的波及體積達(dá)不到預(yù)期的效果。分層注入的工藝技術(shù)能夠避開籠統(tǒng)注入的弊端，但需要在注入前對(duì)注氣井以及井下布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)地面和井下的分層注入。在工藝設(shè)計(jì)上還需要重點(diǎn)考慮注氣井口的設(shè)計(jì)、注氣管柱尺寸的大小和優(yōu)選。
②高效舉升工藝技術(shù)：在CO2驅(qū)油的過程中，一旦CO2突破后，采油井內(nèi)CO2的含量會(huì)瞬間升高，層間的氣油比升高等問題，不僅造成采收效率降低，對(duì)常規(guī)的抽油機(jī)工藝也提出了更高的要求，在高的氣油比環(huán)境中的適應(yīng)較差，無法保證正常的生產(chǎn)。因此高套壓、高氣油比舉升技術(shù)的應(yīng)用能夠很好地應(yīng)對(duì)CO2氣竄、層間的氣壓升高等問題，保證原油的采收效率。對(duì)于高氣油比的油藏和油井，在泵下安裝氣液分離器，在采收過程中將氣液進(jìn)行分離，降低進(jìn)入抽油泵的氣體的含量，維持好原油的正常生產(chǎn)。再結(jié)合氣舉閥的輔助抽取，從而達(dá)到控制套內(nèi)壓力提高舉升效率的目的。
目前，我國在該領(lǐng)域的研究主要是利用CO2在油藏中的超臨界特性，提高原油的采收效率，這在國內(nèi)外的石油企業(yè)中廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的驅(qū)油技術(shù)相比，CO2驅(qū)油技術(shù)不僅能夠降低驅(qū)油成本、降低溫室效應(yīng)，還能顯著提高采收效率，這些優(yōu)點(diǎn)使得CO2的驅(qū)油和埋存技術(shù)得到了長足的發(fā)展。
二氧化碳捕獲、利用與封存-提高原油采收率（簡稱CO2驅(qū)油，CCUS-EOR）技術(shù)是在現(xiàn)有的CO2封存和固化技術(shù)中，大規(guī)模使用最為廣泛的技術(shù)應(yīng)用類型，即在封存CO2的同時(shí)，利用CO2提高石油采收率，獲得一定的經(jīng)濟(jì)利益，從而使CCUS項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性顯著改善。
在該類項(xiàng)目中，“三桶油”不僅是我國能源保供的主力軍，也成為努力實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的中堅(jiān)力量。
中石油大慶油田CCUS-EOR項(xiàng)目。1965年大慶油田就率先開展小井距單井組碳酸水試注試驗(yàn)，拉開了我國石油探索CO2驅(qū)油的序幕。針對(duì)大慶外圍油田水驅(qū)難動(dòng)用、動(dòng)用效果差的特低滲透扶楊油層和海拉爾油田強(qiáng)水敏性興安嶺油層，大慶油田在五個(gè)區(qū)塊開展了CO2驅(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)，動(dòng)用含油面積26.5平方公里、地質(zhì)儲(chǔ)量2065.8萬噸。截至2019年底，大慶油田累積注氣161.6萬噸，累積產(chǎn)油53.7萬噸，2019年當(dāng)年產(chǎn)油超過10萬噸，占我國石油CO2驅(qū)年產(chǎn)量的60%以上。
中石油吉林油田CCUS-EOR項(xiàng)目。吉林油田建成了國內(nèi)首個(gè)CCUS-EOR全流程示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目包括5個(gè)CO2驅(qū)油與埋存示范區(qū)，覆蓋地質(zhì)儲(chǔ)里1183萬噸，注氣井組88個(gè)，累計(jì)注氣超過200萬噸，年產(chǎn)油能力10萬噸，年埋存能力35萬噸。長慶油田建成10萬噸規(guī)模注入綜合試驗(yàn)站，具備了集CO2捕集、驅(qū)油與埋存為一休的完整技術(shù)模式。目前吉林油田正全力推進(jìn)20萬噸CCUS開發(fā)方案落地實(shí)施，規(guī)劃建設(shè)百萬噸CCUS示范區(qū)。
中石化齊魯石油化工EOR項(xiàng)目。我國首個(gè)百萬噸級(jí)CCUS項(xiàng)目，齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目于2021年7月啟動(dòng)建設(shè)，該項(xiàng)目由齊魯石化捕集CO2運(yùn)送至勝利油田進(jìn)行驅(qū)油封存，預(yù)計(jì)未來15年，該油田將累計(jì)注入1068萬噸CO2，實(shí)現(xiàn)增油227萬噸。
中石化華東油田EOR項(xiàng)目。華東油氣田液碳公司與南化公司合作建設(shè)的CCUS示范基地分兩期建設(shè)成每年10萬噸的捕集裝置，截至2021年4月27日，已累計(jì)回收CO216.5萬噸，應(yīng)用到油田企業(yè)驅(qū)油增產(chǎn)約5萬噸。
2.化學(xué)應(yīng)用——CO2合成DMC技術(shù)
2018年12月21日，由我國科學(xué)院過程工程研究所離子液體與綠色工程團(tuán)隊(duì)歷時(shí)15年持續(xù)研發(fā)，并于2014年與江蘇奧克化學(xué)有限公司簽約合作完成的“固載離子液體催化CO2轉(zhuǎn)化制備碳酸二甲酯/乙二醇（DMC/EG）綠色工藝”項(xiàng)目通過了由中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定。
該項(xiàng)技術(shù)成果利用乙烯氧化制環(huán)氧乙烷排放的CO2廢氣為原料，與環(huán)氧乙烷在離子液體催化劑的作用下，通過羰基化反應(yīng)生成碳酸乙烯酯，然后碳酸乙烯酯再與甲醇反應(yīng)生產(chǎn)碳酸二甲酯和乙二醇。研究開發(fā)了固載離子液體催化CO2轉(zhuǎn)化制備碳酸二甲酯/乙二醇綠色工藝，實(shí)現(xiàn)了原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)和CO2溫和轉(zhuǎn)化，突破了現(xiàn)有碳酸二甲酯和乙二醇工藝能耗高、效率低、污水難處理的難題；發(fā)明了固載離子液體催化劑，具有環(huán)氧乙烷單程轉(zhuǎn)化率高、原料適應(yīng)性強(qiáng)、催化劑無需分離等優(yōu)勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)工業(yè)化示范應(yīng)用；攻克了羰基化反應(yīng)器氣液均勻分布等關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新開發(fā)了萬噸級(jí)固載離子液體氣液固三相列管式反應(yīng)器；研究開發(fā)了醇解反應(yīng)-變壓共沸精餾耦合過程強(qiáng)化技術(shù)，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成，大幅降低了能耗、顯著提高了經(jīng)濟(jì)性、減少了設(shè)備投資；形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)專利成果。由遼寧省石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)、江蘇奧克化學(xué)有限公司采用該技術(shù)建成了萬噸級(jí)工業(yè)化示范裝置并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行，碳酸二甲酯品質(zhì)達(dá)到電池級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，乙二醇品質(zhì)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。
近年來，工業(yè)級(jí)DMC有多種制備方法，其中由CO2合成DMC工藝有甲基化、酯交換和直接合成3種反應(yīng)路線，但目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的主要為酯交換法。酯交換法，即先由CO2和活潑的環(huán)氧烷烴(環(huán)氧乙烷或環(huán)氧丙烷)進(jìn)行環(huán)加成反應(yīng)生成具有五元結(jié)構(gòu)的環(huán)狀碳酸酯(碳酸亞乙酯或碳酸亞丙酯)，再與甲醇進(jìn)行酯交換制得DMC．同時(shí)副產(chǎn)二醇(乙二醇或丙二醇)。
目前，國內(nèi)碳酸二甲酯生產(chǎn)工藝仍是以環(huán)氧丙烷酯交換法為主，如山東石大勝華化工集團(tuán)股份有限公司（年產(chǎn)能12.5萬噸）、銅陵金泰化工股份有限公司（年產(chǎn)能9萬噸）、山東海科新源材料科技股份有限公司（年產(chǎn)能5萬噸），而浙江石油化工有限公司則擁有20萬噸EO制酯交換法碳酸二甲酯裝置。近年來同時(shí)有很多新工藝投放，如甲醇氧化羰基化法（液相法和氣相法）、尿酸法（一步法和二步法）/以環(huán)氧乙烷為原料的酯交換法及草酸去羥基法，目前碳酸二甲酯主要是生產(chǎn)工藝多元化發(fā)展，這也是未來的發(fā)展趨勢(shì)，成本上的縮減，對(duì)未來更有競爭力。
我國CO2綜合利用技術(shù)發(fā)展前景分析
1. 優(yōu)勢(shì)分析
當(dāng)前，我國的CCUS技術(shù)已經(jīng)取得了大幅進(jìn)展，不論是工程應(yīng)用方面，還是技術(shù)研發(fā)方面，都已初具規(guī)模，個(gè)別地區(qū)和項(xiàng)目已經(jīng)具備了市場化以及經(jīng)濟(jì)性持續(xù)運(yùn)營的條件。在政策制定方面，早在2005年，CCUS技術(shù)研究計(jì)劃就已提上日程，之后的《我國應(yīng)對(duì)氣候變化科技專項(xiàng)行動(dòng)》等一系列文件的頒布，充分體現(xiàn)了國家政策方面的扶持。今后的相關(guān)政策制定過程中，可以參考國內(nèi)國外現(xiàn)有的相對(duì)成熟的相關(guān)法律法規(guī)，后續(xù)發(fā)展前景將十分廣闊。
另外，我國CCUS示范項(xiàng)目范圍逐漸廣泛。隨著未來化石能源低碳技術(shù)利用的需求加大，CCUS技術(shù)體系有望得到較快成立，對(duì)應(yīng)產(chǎn)業(yè)化集群發(fā)展勢(shì)頭也勢(shì)不可擋。兼具能耗低、成本低、安全性高的CCUS技術(shù)，優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸凸顯。
2. 劣勢(shì)分析
鑒于我國CCUS技術(shù)起步較晚，一定程度上無法避免地存在技術(shù)成本高、基建條件薄弱等實(shí)際問題，CCUS產(chǎn)業(yè)集群的形成以及成熟化商業(yè)模式運(yùn)作尚需時(shí)日。首先，投資成本成為制約CCUS技術(shù)發(fā)展的無形瓶頸。CCUS項(xiàng)目的建設(shè)運(yùn)行，需要高昂的成本支持，以陸地運(yùn)輸為主的運(yùn)輸方式，大大提高了項(xiàng)目運(yùn)行成本。第二，CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的碳減排量的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施尚未出臺(tái)，高成本與低補(bǔ)償使開展CCUS項(xiàng)目的企業(yè)經(jīng)濟(jì)壓力巨大。長期的盈虧不平衡，違背了企業(yè)利潤最大化的本質(zhì)屬性，長此以往，選擇縮小規(guī)模甚至停產(chǎn)，將成為越來越多相關(guān)企業(yè)的選擇，這種形勢(shì)對(duì)我國CCUS技術(shù)的發(fā)展造成了嚴(yán)重阻礙。第三，CCUS項(xiàng)目運(yùn)行過程中，包括申請(qǐng)、審批、執(zhí)行等環(huán)節(jié)，通常需要多部門、多區(qū)域的銜接，而當(dāng)前的協(xié)調(diào)機(jī)制相對(duì)匱乏，直接導(dǎo)致了項(xiàng)目溝通過程中缺乏有效性，增加了交易成本的同時(shí)，也加大了項(xiàng)目的推進(jìn)難度。
3. 威脅分析
近年來，我國在節(jié)能增效方面取得了突破性進(jìn)展，但是單就CCUS技術(shù)的發(fā)展，不論是研發(fā)還是示范，都處于規(guī)模較小的初級(jí)階段。實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展，仍面臨著諸多威脅和挑戰(zhàn)。
首先，CCUS發(fā)展在經(jīng)濟(jì)方面面臨巨大挑戰(zhàn)。安裝裝置設(shè)備的資本投入、后期使用過程中的維護(hù)成本，都較大程度上增加了CCUS項(xiàng)目運(yùn)行企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而該項(xiàng)目做出的碳減排貢獻(xiàn)，在當(dāng)前政策環(huán)境下，又很難轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)需要支付巨額的投資成本的同時(shí)，無法獲得對(duì)應(yīng)的收益，嚴(yán)重影響企業(yè)開展CCUS項(xiàng)目的積極性和主動(dòng)性。在CO2運(yùn)輸過程中，限于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的桎梏，陸運(yùn)成本高，也成為 CCUS 技術(shù)推廣的負(fù)面影響因素。
第二，CCUS作為一項(xiàng)新技術(shù)，與我國當(dāng)前創(chuàng)新型發(fā)展的總體戰(zhàn)略十分契合，CCUS 流程線上各類技術(shù)目前都已經(jīng)展開了實(shí)驗(yàn)示范，但多數(shù)技術(shù)路線仍處于初期的研發(fā)階段，且面臨著實(shí)驗(yàn)范圍較小，難以形成規(guī)模化的實(shí)際困難。對(duì)于建成流程一體化、規(guī)模可復(fù)制且具有較高經(jīng)濟(jì)效益的集成示范項(xiàng)目，具有極大的挑戰(zhàn)性。此外，受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，能耗效率較低，嚴(yán)重制約了CCUS技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
第三，CCUS技術(shù)的發(fā)展在環(huán)境方面有一定的威脅、具體政策匱乏，具體表現(xiàn)在捕集到的高濃度、高壓液態(tài)CO2，目前多采用陸地運(yùn)輸方式進(jìn)行運(yùn)輸，從運(yùn)輸?shù)紺O2的注入、封存，整個(gè)流程中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)泄漏事故，都會(huì)對(duì)周邊環(huán)境乃至民生安全產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響，亟需建立環(huán)境評(píng)價(jià)與安全監(jiān)管機(jī)制。此外，應(yīng)用CCUS技術(shù)是否對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，仍存在一定的不確定性，現(xiàn)階段仍面臨政府乃至公眾對(duì)其認(rèn)知度和接受度的多重挑戰(zhàn)。
第四，在國家政策制定方面，缺乏針對(duì)性的專項(xiàng)法規(guī)政策支持，現(xiàn)有的政策體系，主要以鼓勵(lì)為主導(dǎo)，但是具體的政策相對(duì)匱乏，以財(cái)稅政策為例，CCUS示范企業(yè)承受高額成本支出的同時(shí)，沒有享受到國家財(cái)政方面的補(bǔ)貼優(yōu)惠，久而久之，勢(shì)必打擊企業(yè)參與積極性，成為CCUS技術(shù)穩(wěn)定發(fā)展的消極影響因素。
4. 機(jī)會(huì)分析
當(dāng)前我國CCUS技術(shù)發(fā)展有來自包括世界環(huán)境、金融措施以及國際合作等因素的外部環(huán)境帶來的良好機(jī)遇。首先，環(huán)境問題已經(jīng)全球化，聯(lián)合國氣候變化框架公約明確要求廣泛應(yīng)用CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳中和；其次，多個(gè)發(fā)達(dá)國家與國際組織相繼制定并出臺(tái)了扶持CCUS技術(shù)發(fā)展的投資融資措施，為該項(xiàng)技術(shù)的可持續(xù)研發(fā)打造了強(qiáng)大的金融后盾；第三，我國同歐盟等多個(gè)國家，已經(jīng)就CCUS技術(shù)研發(fā)開展了多項(xiàng)合作，協(xié)同推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，為我國CCUS技術(shù)發(fā)展創(chuàng)造了較大的機(jī)會(huì)空間。
除了外部環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，我國在內(nèi)部儲(chǔ)備方面也有不錯(cuò)的機(jī)會(huì)。我國在CCUS技術(shù)方面的研發(fā)已經(jīng)初具規(guī)模，自身有一定的基礎(chǔ)，積累了許多工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)；國內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用市場，為技術(shù)下一步發(fā)展帶來了巨大潛力。
綜上，CCUS技術(shù)是在優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)共生，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的環(huán)境中，逐步發(fā)展起來。
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