CCS——未来CO2减排的重要技术
全国化工节能(减排)中心 王武
背景
全球碳减排迫在眉睫
在全球气候变暖的背景下，低碳经济、节能减排已成为全人类发展共同面临的课题，IPCC（政府间气候变化
专门委员会）认为近百年的全球变暖主要是温室气体所致。在第15次全球气候大会哥本哈根会议上，2℃以内的
温升目标作为共识被写入《哥本哈根协定》。我国在哥本哈根会议上郑重承诺减排目标：2020年单位GDP二氧化
碳排放比2005年下降40%～45%。
2009年，我国能源消耗已经达到31亿吨标准煤，折算成CO2排放大概在82亿吨，如按当前每年能源消耗净
增2亿吨标煤计算，到2020年能耗将达到53亿吨，CO2排放量约140亿吨。如此巨大的能源需求和CO2排放，
使我国在能源供给、能源安全、环保、国际关系等方面面临巨大的挑战。
因此，通过多途径减少CO2排放成为当务之急，当前提高能效、发展替代能源（可再生能源和核能）、碳汇、
进行CO2利用和CCS（Carbon Capture and Storage，碳的捕集和贮藏）技术是几个重要的减排途径。CCS技术
是从CO2驱油利用发展起来的，目前也有人称之为CCUS（Utilization），国际社会对CCS的呼声日渐高涨，以欧
盟、美国、澳大利亚、英国、挪威为代表的发达国家和地区纷纷开展CCS示范项目，IEA（国际能源署）在World
Energy Outlook 2009中预计了各技术减排量占当年能源相关减排量的百分比，见表1。
从表1中可以看出，IEA高度看好CCS，认为其是未来解决CO2排放的重要途径。我国政府高度重视能效、
可替代能源、碳汇等方面的工作，已经出台很多政策给与支持，在CCS方面尚在关注中。
现状
CCS技术不断改进和优化
CCS是指将CO2从工业排放源中分离出来，压缩输送到合适地点，并封存在深层的地质构造中，长期与大气
隔绝的一个过程。CCS技术的雏形是20世界70年代在美国兴起的，用CO2进行驱油以提高石油采收率（EOR，
Enhanced Oil Recovery)。CCS技术主要包括CO2 捕集、运输以及封存三个环节。
1．捕集环节
根据化石能源生命周期过程中捕集CO2的位置不同，分为燃烧后捕集（post-combustion）、燃烧前捕集
（pre-combustion）和富氧燃烧（oxy-fuel combustion）三种技术（见表2）。这三种捕集技术主要应用于电力
企业，但未来也可以在其他行业中使用。
燃烧后捕集技术要增加额外的分离设备以及浓缩加压设备，有的还需要增加净化装置，个别还要有脱硫装置，
以防止腐蚀设备和难闻的气味产生。尾气中的CO2浓度通常介于3%～13%，目前工程主要使用乙醇胺吸收法，也
有使用氨水法。基于氨水法比乙醇胺法捕集设备更经济，也有企业实验使用氨水和冷凝氨水工艺，已有公司宣称
此技术已规模化测试。溶剂、膜、低温、酶催化等方法等也都在研究中。在此工艺过程中，吸收剂的再生要有一
定的能耗消耗，这将导致系统能耗的增加。粉碎燃煤电厂燃烧后捕集流程见图１。
燃烧前捕集是利用煤气化或天然气重整可以将化石燃料转化为主要成分为CO和Ｈ2的合成气，进一步通过水
煤气的反应可以生成CO2和Ｈ2，CO2浓度增加，更易于被捕捉，通过物理或化学吸收剂分离，然后压缩，Ｈ2可
以燃烧发电，此法通常与IGCC（integrated gasification combined cycle）紧密联系起来，许多研究表明，此
法与IGCC结合是更经济的选择，同燃烧后捕集比较，此法是高压下的捕集。IGCC电厂燃烧前捕集流程见图２。
常规空气燃烧会稀释CO2，因此专家提出纯氧燃烧的O2/CO2循环概念。燃烧产物为CO2和水，富氧燃烧其锅
炉里含有回收废气，燃烧后经透平膨胀和余热锅炉放热后剩余的CO2浓度约为80%，直接可以压缩，但需要净化。
富氧燃烧捕集流程见图３。
上述三种方向的捕集技术，在适用范围、效率损失、发展阶段、成本等方面各有优劣，在分离过程中都有大
量的能耗，这意味着额外增加了CO2排放量，进而大幅度降低了能源系统的效率。当前捕集技术成本普遍较高，
IPCC测算数据显示，捕集1t CO2的成本在13~55美元之间，占到CCS全流程成本的８０％左右，是成本最高的
环节。因此，如何通过工艺改进和能量系统优化降低能源消耗和成本，是捕集技术大范围开展的必要考虑因素。
而在捕集过程中节水和废渣的再利用也是应该考虑的问题之一。
2. 运输环节
运输是将捕集的CO2通过管道、船运、罐车等手段输送至存储地点，是CCS一个重要的环节。几种运输方式
的比较见表3。
关于管道运输，最有效的途径是CO2处于临界状态。因CO2也是危险气体，在泄漏后会影响环境、人类生命，
所以管道运输对管道气的成分要有标准要求，尤其是H2S的浓度；对管道材料、保温材料、泄漏的应急处理也要
有相应的要求等。
3. 存储环节
地质封存指的是将捕集的CO2安全封存在地质结构中，封存地主要包括已废弃或无商业开采价值的石油和天
然气田、沉积盆地的盐水层，此外封存在开采中的油气田内可提高石油回收率（EOR），或者封存在无商业开采价
值的深部煤层并促进煤层天然气回收（ECBM）。
根据目前国内外对场地选择标准的基本认识，封存场地必须具有以下特征：足够大的封存容量和可注入性；
密封性良好的盖层；稳定的地层。此外还要考虑盆地特征（构造活动、沉积类型、地热及水力学状态）；盆地资
源（碳氢化合物、煤、盐分）；工业成熟度及基础设施；经济发展水平；环境问题；公众教育及对封存态度等社
会问题等其他因素。
中国陆地封存的潜力大于海洋封存潜力，且陆地封存成本低于海洋封存。我国理论封存能力为3088Gt，其中
深部盐水层可封存3066Gt；油田封存4.8Gt，气田封存量是5Gt；煤田封存容量是12Gt。
目前世界上还缺少明确的封存选址标准和场地勘察技术，长期封存过程的模拟计算精度尚不能满足泄露风险
评价的要求，也缺少研究场地力学稳定性评价方法，还需要进一步开发CO２泄漏的应急补救措施；同时需要进一
步深入全局性的源汇匹配研究。我国对CO２排放源和封存地间的匹配问题已有初步的研究，详情见表4。由表4
可以看出，北部、西北部、西南部地区源汇匹配良好，南部、中部以及东部沿海区匹配一般，但东部沿海地区可
能存在海底封存地。
问题
全方位问题待解决
1. 安全环境问题
CCS的安全环境问题是CCS运作的重要问题，这包括捕集环节的高耗能以及随时可能增加的其他污染物质；
运输环节的可能泄漏，及伴随增大的运输量产生的污染和安全问题；封存环节一旦泄漏将危害人体健康、影响陆
地和海洋生态系统、污染地下水源等，同时封存可能诱发地震。
2．资金问题
据IEA预测，到2020年前全球需发展100个CCS项目，资金需求量将达到1300亿美元，主要资金来自政府
支持，额外投资约为540亿美元，而到2050年，全球开发项目将达3400个，需要资金5万亿美元，届时额外资
金将达2.5万~3万亿美元。中国和印度在2020年前需要190亿美元和2050年的1.17万亿美元。资金需求量十
分巨大。
3. 技术问题
捕集环节的高耗能以及封存环节的地址勘察都是CCS不可回避的问题，高能耗增加企业的运作成本，而地址
勘探工作不完善则会增加企业的经营风险，要想大规模开展此项技术，这两个问题必须有所提高。
4. 法律、政策缺失
我国在CCS项目上，还没有相关的法律、法规、标准，没有明确的相关的政策，这些将限制我国CCS工作的
开展。有关国外的政策法规见表5。
前景
市场巨大 早日谋划
企业有参与的动力与需要，尤其是电力、石油和石油企业的设备制造商最为突出，目前煤炭和煤化工企业也
关注CCS。随着国内外气候变化政策的日益明朗，电力（煤电）企业将面临更大的减排成本，通过CCS可以防范
风险、储备技术、提高企业核心竞争力。而石油企业利用CO2驱油已经获得利益，而CCS大规模推广后，将注入
CO2盐水层等地址构造将有可能是未来石油企业的一项新业务。设备供应商和技术服务供应商也在积极进行技术
储备、积累客户，一旦CCS大规模应用，增加企业新的商业机会。煤炭开采过程中会排放煤层气，煤层气的主要
成分是甲烷，是主要的温室气体之一。煤化工生产，如煤制油、煤制烯烃、煤制甲烷和氢气等转化过程中，都会
产生大量的CO2，这些CO2浓度高，捕集成本相对低，既能促进减排，还可商用。
CO2减排是国家、企业必须要考虑的问题，已经没有回避的余地。CCS是未来CO2减排的重要手段之一。CCS
技术仍处于发展的早期阶段，我们国家在技术研发和项目示范都有一定的成果。CCS能够大规模应用，取决于多
种因素，涉及国际气候政策、利益相关者的参与、知识产权的转让、技术、安全、资金等问题。当前国内外气候
政策都是有利于推动CCS技术开展的，一旦CCS大规模开展，未来市场潜力十分巨大。如果我国企业能提早谋划，
占领技术高地，也许会成为企业难得的发展机遇。
表1 各技术减排量占当年能源相关减排量的百分比 %
减排途径 提高能效 替代能源和碳汇 核能 CCS
2020年 65 19 13 3
2030年 57 23 10 10
2050年 54 21 6 19
表2 几种典型捕集技术比较
技术 研 究 阶 段 示范阶段 商业应用
燃烧后 金属有机骨架吸附剂离子液体吸收剂 沸石无机膜分离高 甲醇吸收CO2乙醇胺
氨水吸收剂 级乙醇胺吸附剂法 吸收剂吸收分离
膜/乙醇胺吸附剂法
酶催化法
聚合物/陶瓷/中空纤维膜
氢氧化物法
富氧燃烧 化学循环法（chemical looping） 氧燃料循环法
膜法氧输送（Oxygen transport membranes） （Conventional Oxyfuel
with Recirculation）
燃烧前 煤气化为CO+H2，经变换CO制H2+CO2
H2 →为无碳燃料（燃料电池）
CO2 →分离后捕集
表3 CO2运输方式比较
运输方式 适合条件 优势 劣势 技术成熟度
公路罐车运输 小批量、非连续性 规模小、投资少、风险 运输量小、距离短 技术成熟
运输 低、运输方式灵活
铁路罐车运输 运输量大、运输距 运输量较大、运输距离 铁路运输调度和管理复 技术成熟
离远且管道运输 远、可靠性能高 杂、受铁路接轨和铁
体系还未建成的 路专用线建设的限制、
情况 需要相关的接卸和储
运配套
管道运输 适合大容量、长距 输送量大、输送稳定、 成本高、投资大、运行 技术成熟
离、负荷稳定定 运输距离长、受外界 成本高
向输送 影响小、可靠性高
船舶运输 大规模、超长距离 输送量大、目的地灵活、 成本高、投资大、运行 技术成熟（可
或海岸线运输 可超远距离运输 成本高、需要配套的 借鉴液化石
储库和接卸设备，受 油气运输船
气候条件影响大 设计）
表4 我国CO2源汇匹配情况
地 区 全国 东部 北部 东北部 西北部 中部南部 西南部
排放源样本总数 1623 588 254 159 129 349 144
封存地与排 0km（%） 54 40 67 52 58 52 88
放源间距离 0~80km（%） 83 80 68 86 99 65 94
0~161km（%） 91 94 100 91 99 72 100
最大距离（km） 375 298 111 188 299 375 146
表5 国外CCS政策法规一览
政策法规 澳大利亚《CO2捕集 欧盟《碳捕集 美国的《CO2捕集、 国际能源署《CCS
与封存指南-2009》 与封存指令》 运输和封存指南》 技术路线图》
与其他法 所有的CCS项目必须 和欧盟的相关法律 必须满足清洁空气法和 修订相关的现行
律的关系 符合已存在的法律 保持一致 清洁水法的要求 的法律
法规
环境风险 所有的CCS项目在相 强调封存过程的环 对于所有封存项目，必 建立综合的CO2运输
评价 关法律制度框架下 境风险评价，包括 须进行风险评价 和封存框架，框架
必须进行环境评价 危险识别暴露评价、 包括环境影响评价、
和核准。环境风险 影响评价、风险识 风险管理和补救措
评价将贯穿于项目 别 施
的整个生命周期
封存场地 封存场地必须接收 修订相关指南，完 形成一套准则最小化泄 到2012年形成关于封
选择 连续的风险评价， 善封存场地选择管 漏风险；早期项目应该 存场地选择的最佳实
必须提供封存地址 理 优先选择风险很低的场 践指南
详细的地质特征(封 地；应该远离新鲜水和
存容量、孔隙率、 饮用水源地区
地层学等)和储备模
型以支持满足核准
条件的评价和认定
准证核准 核准必须包括风险 修订相关指南，明 必须提交包括期望成本、 尚未明确
和颁发 评价和监测，核准 确准证申请和颁发 注入率、储存能力等参
过程必须对公众公 程序 数的准证申请
开、透明
监测 对注入的CO2进行监 建立监测与报告指 实施“可测量、监测、 指出有必要建立一
测并提供证明。监 导方针(MRGs)予以 核实(MMV)”的监测方 套国际通用的监测
测范围至少包括封 解决 法 方法
存地址的安全性、
环境保护、公众健
康和资源管理等
安全 CCS项目符合《职业 强调封存地点的永 强调制定管道和封存CO2 制定了到2012年的封
健康与安全准则》 久封存评价、对运 的安全标准 存安全管理条例和准
（Occupational 行、监测和场地关 则
Health and Safety 闭和后关闭的管理
Principles）
注入和关 与伦敦协定的规定一 注入地下面临一些 项目运行商应该制定透 尚未明确
闭前 致，注入海洋的必须 法律层面的障碍 明的运行和执行计划；
是CO2。仅有的额外的 进行水注入试验；注入
物质必须是自然存在 ＃及设备应该符合联邦
的，或者是捕集/分离 和各州的建筑和设计管
出来的类似蒸汽的物 理
质，或者添加剂，如
用于监测的指示剂。
场地关闭 必须满足场地关闭标 当允许的场地关闭 关闭期间执行连续的监 尚未明确
和后关闭 准 工程状态达到，或 测；运行商应该建立一
条件 者运营商请求权利 套包括位置、关闭条件、
部门授权是可以进 完整性压力测试等的数
行场地关闭；还规 据；经批准的关闭场地
定了场地关闭后运 应经营实体管理
营商的责任，包括
监测、报告、补救
措施等
事故处理 尚未明确 按照《环境责任指 风险评价应该提供不可 尚未明确
令》处理突发环境 预料事故的减缓或补救
事故 计划，这些计划应该提
交项目管理方以支持建
议的MMV计划