如何看待碳捕集技术的未来发展?

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英国政府近日宣布,将在2020年代中期,投入运营首个碳捕捉、储存以及利用(CCUS)项目,这也是英国应对气候变化的具体措施之一。

碳捕捉是将工业生产过程中产生的二氧化碳收集起来,防止其进入大气,从而助力碳减排,我国也把“发展二氧化碳捕集利用与封存技术”正式写入了《国家“十三五”科学和技术发展规划》。那么,现在的碳捕捉技术已发展成熟了吗?各国研发的碳捕捉技术主要有哪些类型和不同点?应用的难点在哪里?

尽管还不成熟,但已不是最前沿科技

CCUS技术由碳捕集、碳封存和利用三部分组成,碳捕集技术目前大体上分作三种:燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。燃烧前捕集技术主要是在燃料煤燃烧前,先将煤气化得到一氧化碳和氢气,然后再把一氧化碳转化为二氧化碳,再通过分离得到二氧化碳;燃烧后捕集是将燃料煤燃烧后产生的烟气分离,得到二氧化碳;富氧燃烧捕集是将二氧化碳从空气中分离出来,得到高浓度的氧气,再使燃料煤进行充分燃烧后,捕获较为充足的二氧化碳。

碳封存是指捕捉到的二氧化碳通过公路、铁路、管道和船舶等方式来运输,而管道运输被认为适用于大批量的二氧化碳运送,经济性较好。封存二氧化碳,一般要求注入距离地面至少800米的合适地下岩层,在这样的深度下压力才能将二氧化碳转换成“超临界流体”,使其不易泄漏;也可注入废弃煤层和天然气、石油储层等,达到埋存二氧化碳和提高油气采收率的双重目的。

尽管从目前来看,CCUS技术还不成熟,但是煤炭信息研究院能源安全研究所能源经济中心主任孙超表示,CCUS已经不算产业链上最前沿的科技了,在CCUS方面业界有物理法和化学法,国内常用的是低温甲醇提取,技术难度并不大。但碳捕捉及封存成本高昂,阻碍了其大规模推广。

CCUS技术的主要工艺环节在美国等国家都有很长时间的使用历史。如聚乙二醇二甲醚和低温甲醇提取是燃烧前捕集技术的两大工艺,从20世纪50—60年代就开始投入商业应用,目前全球已有上百个项目正在使用这样的技术。

不断研发中的新技术,市场前景看好

CCUS技术中的碳捕集可分为化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等。其中,化学吸收法被认为市场前景最好,受重视程度也最高。

不过,相应的新技术也在不断研发中。如中国科学院武汉岩石力学所二氧化碳地质封存学科组正在开发“二氧化碳驱采水”技术,其原理是通过二氧化碳的提取把地下水置换出来,在置换过程中,二氧化碳被封存到地下。置换出的咸水如同石油一样,可从中提取有价值的元素或把水淡化处理后用于生产生活。“依据我国国情,我们选择的最佳应对方案是‘二氧化碳驱采水’技术。这会让二氧化碳的封存与利用相得益彰。”中科院武汉岩石力学所研究员李琦告诉科技日报记者,我国已基本掌握“二氧化碳驱采水”的技术要领。

据《应用化学》周刊报告,美国能源部下属橡树岭国家实验室的科研人员合成出一种简单的胍类化合物,将这种化合物的水溶液放置于空气中就会形成晶体,其中包含了碳酸盐,这说明空气中的部分二氧化碳被捕获了。“通过新方法,我们通过将晶体加热到80—120摄氏度来释放与化合物结合的二氧化碳,这种方式比传统碳捕捉更温和。”参与研究的拉杜·卡斯特尔辛说,加热后,晶体还可恢复成最初的胍类化合物,并可循环利用3次,这使得碳捕捉成本大幅降低。

成本高昂、缺乏全流程示范经验

CCUS示范项目的成本相对较高,是阻碍其发展的主要原因。据统计,目前CCUS示范工程投资额都在数亿元人民币的规模,而且,在现有技术条件下,引入碳捕集后每吨二氧化碳将额外增加140—600元的运行成本。如华能集团上海石洞口捕集示范项目的发电成本就从大约每千瓦时0.26元提高到0.5元。

仍有待提升的CCUS技术水平,是制约其发展的又一障碍。在我国,CCUS试验示范还处于起步阶段,缺乏大规模、全流程示范经验,特别是在现有CCUS技术条件下,企业部署CCUS将使一次能耗增加10%—20%,效率损失大。

不过,国际能源署(IEA)2018年12月发布报告称,煤炭消费量持续稳健情况下,为了达到气候行动目标,就必须使用碳捕捉、封存与利用这一新兴技术。IEA署长法提赫·比罗尔表示:“简单来说,要实现我们的可持续发展目标,没有CCUS将不会有未来。”

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