CCUS：危、机并存中逐步发展
2023.07.13 10:39CO2综合利用概述及发展现状
2018—2022年，全球能源领域CO2年排放量整体呈上升趋势。国际能源署数据显示，2022年全球能源领域CO2排放量达到368亿吨，比上年增加3.21亿吨，增幅为0.9%。在经历了两年能源使用和排放异常波动后，去年的增长速度远低于2021年超过6%的反弹速度。在全球范围内，能源燃烧排放增加了4.23亿吨，而工业过程排放减少了1.02亿吨。
在全球的CO2排放构成中，主要集中于电力(39%)、工业生产(28%)、陆运(18%)、航空(3%)、船运(2%)以及居民消耗(10%)，从另外一个角度来说，也就是主要来自于煤、石油和天然气等化石燃料的燃烧。
而我国则略有不同，电力生产和供应所产生的CO2占到我国CO2排放量的51%，远超世界水平；此外为工业生产碳排放与交通运输碳排放，分别占到28%、10%，这三类行业已经或即将面临碳减排的压力，尤其是电力企业，全国碳排放交易将电力企业纳入首批名单，而石化炼制企业碳排放暂未受到严格管制。
我国已投运或建设中的碳捕获、利用与封存（CCUS）示范项目有40余个，遍布19个省份，总捕集能力达400万吨/年。截至2022年，国内已建成在运或间歇运行的CCUS项目共23个，其中捕集规模超过30万吨/年的项目有9个。
CO2综合利用技术主要分为物理应用、化学应用和生物应用。
其中，物理应用主要包括:在啤酒、碳酸饮料中的应用；石油开采的驱油剂；焊接工艺中的惰性气体保护焊；将液体、固体CO2的冷量用于食品蔬菜的冷藏、储运；在果蔬的自然降氧、气调保鲜剂等行业中。
化学应用主要包括:无机和有机化学品、高分子材料等的研究应用上。如以CO2为原料合成尿素、生产轻质纳米级超细活性碳酸盐；CO2催化加氢制取甲醇；以CO2为原料的一系列有机原料的合成；CO2与环氧化物共聚生产的高聚物；通过CO2转化为CO，从而发展一系列羟基化碳化学品等。
生物应用主要以微藻固定CO2转化为生物燃料和化学品，生物肥料、食品和饲料添加剂等。
总体而言，油田驱油、地下封存、食品级利用、医疗、焊接、水泥固化、CO2制甲醇，是当前较主流的利用方向，也是国内外碳利用相对成熟的技术方向，但是其中食品、医疗和焊接市场容量小，对巨大的CO2排放影响微弱。CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2海藻培育、动力循环等尚处于发展阶段，多数有机、无机化工和高分子领域尚处于理论研究阶段。因此，综合来看，油田驱油、地下封存、水泥固化、CO2制甲醇是当前CO2利用技术的发展趋势和目标。
对CO2综合利用技术在物理应用和化学应用的方面，以下将举例说明。
1.物理应用——CO2油田驱油技术
近十年来，采油领域正逐渐成为CO2的超级用户，随着油田原油采出难度加大，针对提高原油采出率的新工艺不断应用，其最具前景的工艺为CO2混相驱油工艺。
CO2和地层原油在通常情况下是不能进行融合形成混相的，但是在特定的温度、压力下，结合原油的实际成分，即可以形成混相。注入油藏储藏的CO2就反映出自身的超临界状态作用。在这种状态下CO2所占据的储层空间会降低，CO2的密度也随着降低。在密度差的作用下，CO2会产生一定的推动力，使其具有良好的流动性和扩散性。混相流体将从原油中不断地萃取含量较重的碳氢化合物。这样CO2就可以将地层中的原油不断地驱替上来，从而达到提高原油采收效率的目的。
CO2驱油技术目前主要分为以下几类工艺。
①CO2分层注入工艺技术：向油藏中注入CO2技术主要以分层注入和笼统注入两种方式。由于油藏层间的非均质性比较强，笼统注入方式会引起层间压力不均造成纵向的油层吸气不均匀，使得CO2的波及体积达不到预期的效果。分层注入的工艺技术能够避开笼统注入的弊端，但需要在注入前对注气井以及井下布置进行优化设计，实现地面和井下的分层注入。在工艺设计上还需要重点考虑注气井口的设计、注气管柱尺寸的大小和优选。
②高效举升工艺技术：在CO2驱油的过程中，一旦CO2突破后，采油井内CO2的含量会瞬间升高，层间的气油比升高等问题，不仅造成采收效率降低，对常规的抽油机工艺也提出了更高的要求，在高的气油比环境中的适应较差，无法保证正常的生产。因此高套压、高气油比举升技术的应用能够很好地应对CO2气窜、层间的气压升高等问题，保证原油的采收效率。对于高气油比的油藏和油井，在泵下安装气液分离器，在采收过程中将气液进行分离，降低进入抽油泵的气体的含量，维持好原油的正常生产。再结合气举阀的辅助抽取，从而达到控制套内压力提高举升效率的目的。
目前，我国在该领域的研究主要是利用CO2在油藏中的超临界特性，提高原油的采收效率，这在国内外的石油企业中广泛应用。与传统的驱油技术相比，CO2驱油技术不仅能够降低驱油成本、降低温室效应，还能显著提高采收效率，这些优点使得CO2的驱油和埋存技术得到了长足的发展。
二氧化碳捕获、利用与封存-提高原油采收率（简称CO2驱油，CCUS-EOR）技术是在现有的CO2封存和固化技术中，大规模使用最为广泛的技术应用类型，即在封存CO2的同时，利用CO2提高石油采收率，获得一定的经济利益，从而使CCUS项目的经济性显著改善。
在该类项目中，“三桶油”不仅是我国能源保供的主力军，也成为努力实现绿色低碳转型的中坚力量。
中石油大庆油田CCUS-EOR项目。1965年大庆油田就率先开展小井距单井组碳酸水试注试验，拉开了我国石油探索CO2驱油的序幕。针对大庆外围油田水驱难动用、动用效果差的特低渗透扶杨油层和海拉尔油田强水敏性兴安岭油层，大庆油田在五个区块开展了CO2驱现场试验，动用含油面积26.5平方公里、地质储量2065.8万吨。截至2019年底，大庆油田累积注气161.6万吨，累积产油53.7万吨，2019年当年产油超过10万吨，占我国石油CO2驱年产量的60%以上。
中石油吉林油田CCUS-EOR项目。吉林油田建成了国内首个CCUS-EOR全流程示范项目，该项目包括5个CO2驱油与埋存示范区，覆盖地质储里1183万吨，注气井组88个，累计注气超过200万吨，年产油能力10万吨，年埋存能力35万吨。长庆油田建成10万吨规模注入综合试验站，具备了集CO2捕集、驱油与埋存为一休的完整技术模式。目前吉林油田正全力推进20万吨CCUS开发方案落地实施，规划建设百万吨CCUS示范区。
中石化齐鲁石油化工EOR项目。我国首个百万吨级CCUS项目，齐鲁石化-胜利油田CCUS项目于2021年7月启动建设，该项目由齐鲁石化捕集CO2运送至胜利油田进行驱油封存，预计未来15年，该油田将累计注入1068万吨CO2，实现增油227万吨。
中石化华东油田EOR项目。华东油气田液碳公司与南化公司合作建设的CCUS示范基地分两期建设成每年10万吨的捕集装置，截至2021年4月27日，已累计回收CO216.5万吨，应用到油田企业驱油增产约5万吨。
2.化学应用——CO2合成DMC技术
2018年12月21日，由我国科学院过程工程研究所离子液体与绿色工程团队历时15年持续研发，并于2014年与江苏奥克化学有限公司签约合作完成的“固载离子液体催化CO2转化制备碳酸二甲酯/乙二醇（DMC/EG）绿色工艺”项目通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。
该项技术成果利用乙烯氧化制环氧乙烷排放的CO2废气为原料，与环氧乙烷在离子液体催化剂的作用下，通过羰基化反应生成碳酸乙烯酯，然后碳酸乙烯酯再与甲醇反应生产碳酸二甲酯和乙二醇。研究开发了固载离子液体催化CO2转化制备碳酸二甲酯/乙二醇绿色工艺，实现了原子经济性反应和CO2温和转化，突破了现有碳酸二甲酯和乙二醇工艺能耗高、效率低、污水难处理的难题；发明了固载离子液体催化剂，具有环氧乙烷单程转化率高、原料适应性强、催化剂无需分离等优势，并实现量产工业化示范应用；攻克了羰基化反应器气液均匀分布等关键技术，创新开发了万吨级固载离子液体气液固三相列管式反应器；研究开发了醇解反应-变压共沸精馏耦合过程强化技术，创新实现了全系统热网络优化集成，大幅降低了能耗、显著提高了经济性、减少了设备投资；形成了具有自主知识产权的成套技术专利成果。由辽宁省石油化工规划设计院有限公司设计、江苏奥克化学有限公司采用该技术建成了万吨级工业化示范装置并实现了稳定运行，碳酸二甲酯品质达到电池级标准，乙二醇品质优于国家标准。
近年来，工业级DMC有多种制备方法，其中由CO2合成DMC工艺有甲基化、酯交换和直接合成3种反应路线，但目前实现工业化生产的主要为酯交换法。酯交换法，即先由CO2和活泼的环氧烷烃(环氧乙烷或环氧丙烷)进行环加成反应生成具有五元结构的环状碳酸酯(碳酸亚乙酯或碳酸亚丙酯)，再与甲醇进行酯交换制得DMC．同时副产二醇(乙二醇或丙二醇)。
目前，国内碳酸二甲酯生产工艺仍是以环氧丙烷酯交换法为主，如山东石大胜华化工集团股份有限公司（年产能12.5万吨）、铜陵金泰化工股份有限公司（年产能9万吨）、山东海科新源材料科技股份有限公司（年产能5万吨），而浙江石油化工有限公司则拥有20万吨EO制酯交换法碳酸二甲酯装置。近年来同时有很多新工艺投放，如甲醇氧化羰基化法（液相法和气相法）、尿酸法（一步法和二步法）/以环氧乙烷为原料的酯交换法及草酸去羟基法，目前碳酸二甲酯主要是生产工艺多元化发展，这也是未来的发展趋势，成本上的缩减，对未来更有竞争力。
我国CO2综合利用技术发展前景分析
1. 优势分析
当前，我国的CCUS技术已经取得了大幅进展，不论是工程应用方面，还是技术研发方面，都已初具规模，个别地区和项目已经具备了市场化以及经济性持续运营的条件。在政策制定方面，早在2005年，CCUS技术研究计划就已提上日程，之后的《我国应对气候变化科技专项行动》等一系列文件的颁布，充分体现了国家政策方面的扶持。今后的相关政策制定过程中，可以参考国内国外现有的相对成熟的相关法律法规，后续发展前景将十分广阔。
另外，我国CCUS示范项目范围逐渐广泛。随着未来化石能源低碳技术利用的需求加大，CCUS技术体系有望得到较快成立，对应产业化集群发展势头也势不可挡。兼具能耗低、成本低、安全性高的CCUS技术，优势会逐渐凸显。
2. 劣势分析
鉴于我国CCUS技术起步较晚，一定程度上无法避免地存在技术成本高、基建条件薄弱等实际问题，CCUS产业集群的形成以及成熟化商业模式运作尚需时日。首先，投资成本成为制约CCUS技术发展的无形瓶颈。CCUS项目的建设运行，需要高昂的成本支持，以陆地运输为主的运输方式，大大提高了项目运行成本。第二，CCUS技术实现的碳减排量的经济激励措施尚未出台，高成本与低补偿使开展CCUS项目的企业经济压力巨大。长期的盈亏不平衡，违背了企业利润最大化的本质属性，长此以往，选择缩小规模甚至停产，将成为越来越多相关企业的选择，这种形势对我国CCUS技术的发展造成了严重阻碍。第三，CCUS项目运行过程中，包括申请、审批、执行等环节，通常需要多部门、多区域的衔接，而当前的协调机制相对匮乏，直接导致了项目沟通过程中缺乏有效性，增加了交易成本的同时，也加大了项目的推进难度。
3. 威胁分析
近年来，我国在节能增效方面取得了突破性进展，但是单就CCUS技术的发展，不论是研发还是示范，都处于规模较小的初级阶段。实现规模化发展，仍面临着诸多威胁和挑战。
首先，CCUS发展在经济方面面临巨大挑战。安装装置设备的资本投入、后期使用过程中的维护成本，都较大程度上增加了CCUS项目运行企业的经济负担。而该项目做出的碳减排贡献，在当前政策环境下，又很难转化为经济效益。企业需要支付巨额的投资成本的同时，无法获得对应的收益，严重影响企业开展CCUS项目的积极性和主动性。在CO2运输过程中，限于当前技术发展的桎梏，陆运成本高，也成为 CCUS 技术推广的负面影响因素。
第二，CCUS作为一项新技术，与我国当前创新型发展的总体战略十分契合，CCUS 流程线上各类技术目前都已经展开了实验示范，但多数技术路线仍处于初期的研发阶段，且面临着实验范围较小，难以形成规模化的实际困难。对于建成流程一体化、规模可复制且具有较高经济效益的集成示范项目，具有极大的挑战性。此外，受到当前技术水平的限制，能耗效率较低，严重制约了CCUS技术的推广和应用。
第三，CCUS技术的发展在环境方面有一定的威胁、具体政策匮乏，具体表现在捕集到的高浓度、高压液态CO2，目前多采用陆地运输方式进行运输，从运输到CO2的注入、封存，整个流程中任一环节出现泄漏事故，都会对周边环境乃至民生安全产生严重负面影响，亟需建立环境评价与安全监管机制。此外，应用CCUS技术是否对环境产生影响，仍存在一定的不确定性，现阶段仍面临政府乃至公众对其认知度和接受度的多重挑战。
第四，在国家政策制定方面，缺乏针对性的专项法规政策支持，现有的政策体系，主要以鼓励为主导，但是具体的政策相对匮乏，以财税政策为例，CCUS示范企业承受高额成本支出的同时，没有享受到国家财政方面的补贴优惠，久而久之，势必打击企业参与积极性，成为CCUS技术稳定发展的消极影响因素。
4. 机会分析
当前我国CCUS技术发展有来自包括世界环境、金融措施以及国际合作等因素的外部环境带来的良好机遇。首先，环境问题已经全球化，联合国气候变化框架公约明确要求广泛应用CCUS技术实现碳中和；其次，多个发达国家与国际组织相继制定并出台了扶持CCUS技术发展的投资融资措施，为该项技术的可持续研发打造了强大的金融后盾；第三，我国同欧盟等多个国家，已经就CCUS技术研发开展了多项合作，协同推进技术发展，为我国CCUS技术发展创造了较大的机会空间。
除了外部环境的优势，我国在内部储备方面也有不错的机会。我国在CCUS技术方面的研发已经初具规模，自身有一定的基础，积累了许多工程建设经验；国内具有广阔的应用市场，为技术下一步发展带来了巨大潜力。
综上，CCUS技术是在优势与劣势共生，机遇与挑战并存的环境中，逐步发展起来。