工业用能过程碳捕集与封存技术发展研究

师志成 赵珊珊 张永学 李北辰 曹 毅 张 强 刘 悦

1. 北京航天动力研究所, 北京 100176; 2. 北京航化节能环保技术有限公司, 北京 100176; 3. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院, 北京 102299

0 前言

随着全球资源开发与利用的深度化和掠夺化发展,能源紧缺、生态失衡、气候变暖等问题日益严峻,人类不得不在生产和生活方式上进行必要的转变。全球碳计划组织在2020年12月发布的《2020年全球碳预算报告》中指出,2020年全球碳排放量约为340×108t,相比2019年下降24×108t,是有记录以来下降绝对值最大的一年,也是二战以来下降相对值最大的一年[1]。至此,碳足迹受到了政界、产业界和学术界的空前关注。截至2021年4月,全球已有超过120个国家制定了碳中和目标或发展路线图,低碳技术已成为全球科技大国的重点部署领域。我国经济转型升级、能源结构重组的压力大,2019年我国第二产业增加值占GDP比例下降到39%,煤炭及相关的化工产业消费占全国能源消费总量的58%,占全国二氧化碳总排放的80%,能源消费的二氧化碳排放强度比世界平均水平高30%以上[2],化工用能过程仍呈现出高投入、高能耗、高污染、低效益的恶性循环状态。

构建生态文明体系已成为我国乃至世界范围的重大任务,碳中和将转变传统的低效污染发展模式,构建绿色、低碳、循环的可持续发展模式,为能源结构转型和经济高质量发展提供有利的支撑。碳中和的实施应综合考量我国宏观经济增长、产业结构升级和碳排放空间等关键要素,《中国2060年前碳中和研究报告》指出预计到2060年一次能源消费总量在60×108t左右,力争2030年石油化工消费达峰,峰值10.6×108t标准煤,到2060年下降至约2.2×108t标准煤[3],石油化工行业能源消耗作为化石能源消耗的主体,任务重大而艰巨。

纵观工业能源消费过程,低碳技术已经逐步铺垫。碳减排装置或装备,碳回收和捕集工艺,碳检测和消纳手段,碳封存与中和技术的发展已有几十年的历史[4-7],但尚未达到全面中和的程度,且目前尚未达峰,绿色主导的相关技术仍有待于深入创新和孵化。随着国际和我国全面开展碳达峰、碳中和任务的推进,工业用能行业的碳捕集与封存技术正进入全面创新和稳步推向应用的阶段。本文以工业用能过程碳捕集与封存技术为着眼点,综合该技术在科学、技术和应用领域的情报,对其研究发展进行综述,并主要从技术数量和功效的视角,通过时空等不同维度的量化分析,力求为低碳相关技术的未来发展和实现我国“双碳”目标提供有效的支撑。

1 技术功效综合评价

1.1 技术布局

20世纪,二氧化碳的排放主要来源于石化能源消费[7],但随着科技发展进程的不断深入,人类生产生活模式逐渐多样化,碳排放也逐渐渗透到了多个领域和行业中,碳减排与处理的相关科学技术研究逐渐在各个产业领域兴起,碳足迹与碳税的研究逐渐成为热点[8]。本节从技术分布领域、技术所在的国民经济行业和技术聚类图谱综合评价碳捕集与封存技术的布局情况。

碳捕集与封存技术的分布领域见图1。

图1 碳捕集与封存技术分布领域图Fig.1 The fields of CCS technology distribution

从图1可以看出,该技术主要分布于石化能源消费行业及其附属行业。近年来绿色建筑、智能城市等生活相关行业的兴起[9-11],使得碳减排相关技术渗透到了建筑、汽车和材料领域。总体来看,物理分离设备领域、合成化合物工艺领域和石油化工燃烧过程领域占据了整个碳捕集与封存技术分布领域的一半以上,其他如催化、压缩、建筑和材料、氧化、有机高分子等领域占比相当。随着对碳减排技术的进一步聚焦和相关政策的引领[12-15],碳捕集与封存技术将进一步扩张到石油化工和能源消费行业的细分领域中,技术颗粒度也将进一步细化,整个产业的创新热度将居高不下。

碳捕集与封存技术所在的国民经济行业分布情况见图2。

图2 碳捕集与封存技术所在的国民经济行业分布图Fig.2 The national economy industries of CCS technology distribution

通过国民经济构成可以看出,通用设备制造业是碳减排技术的主战场[16-17],其主要与石油化工行业中的装备制造过程相对应,是该技术的发展根源,也是该技术的主要应用落脚点。未来,随着绿色和智能装备制造技术的普及与深化[18-21],通用设备制造业将进一步依赖碳捕集与封存技术,逐步形成以绿色、可持续为核心理念的技术发展脉络。化学原料和化学制品制造业,石油加工、炼焦和核燃料加工业是碳捕集与封存技术的次主要应用行业[22],这两大行业是石油化工行业产值的重要贡献行业。其他国民经济行业,如计算机、金属、电气等行业呈现均等的分布状况。

基于技术聚类理论的碳捕集与封存技术的二级技术分类情况见图3[23-24]。

图3 碳捕集与封存技术聚类图Fig.3 CCS technology clustering

在技术聚类理论模型下,燃烧工艺技术和远程监控与测量技术是一级技术聚类中的主导技术门类,低浓度控制技术、输运动力技术和材料技术3个技术门类次之,且比例均衡。二级技术聚类分布下的技术门类逐步细化,但未呈现出差异较大的分布,整体细化技术总体均衡。

1.2 技术功效

碳捕集与封存技术的主要应用产业集中于以石油化工领域为主导的相关化学工艺、装备制造和能量供应与消费领域,究其技术功效,主要归纳为以下10个维度:1)排放物总量降低;2)装备/工艺/设备成本降低;3)系统效率提高;4)技术复杂性降低;5)能源消耗降低;6)综合消耗降低;7)经济性/收益水平提高;8)环境综合改善;9)充分性提高;10)污染避免。碳捕集与封存技术在各个主导分布领域中所产生的功效分布见表1。表1从技术数量的视角展示了各领域关注的技术功效侧重点。可以看出,物理分离设备与合成化合物工艺领域的技术应用数量较高,自该技术开始发展以来共涌现了不低于1 000项可以独立发挥功效的技术种类,且技术创新的功效主要集中于排放与成本降低、效率提高、整体复杂性降低和能耗降低层面。此外,降低排放量和成本、提高效率也是整个碳捕集与封存技术在其各个应用领域的关注重点,其中通过物理分离手段解决成本降低问题的技术公开数量达102个之多。

表1 碳捕集与封存技术功效领域分布表

碳捕集与封存技术的深入发展与全球环境变暖趋势下世界经济大国对环境保护的高度重视密不可分,《世界环境公约》《联合国气候变化框架公约》和《巴黎协定》等世界范围内的环境保护公约与协定的签署,进一步促进了碳排放相关技术的发展[25-28]。专利是集技术、经济和法律资源信息于一体的、全球通用的知识产权信息载体,而发明问题解决理论(以下简称TRIZ理论)是支持发明创造的方法论[29-33]。通过TRIZ理论分析的视角展示碳捕集与封存技术的功效维度,能够更加清晰和客观地呈现该技术的创新发展脉络。图4为碳捕集与封存技术功效TRIZ理论分析气泡图,横轴为该技术重点应用的TRIZ参数,纵轴为该技术的细化功效,气泡面积表示了技术活跃程度。可以看出,排放、成本、效率和能耗是该技术的重要功效点,而其体现的TRIZ参数方法主要是39-生产率、31-物质产生的有害因素、19-能耗、23-物质损失和36-系统的复杂性,相比之下，其他TRIZ参数方法的应用基本均等。

图4 碳捕集与封存技术功效TRIZ理论分析图Fig.4 TRIZ theoretical analysis of CCS technology-function

2 技术发展综合评价

2.1 技术发展格局

工业领域碳捕集与封存技术的发展受政策、环境发展和资源分布情况实时变化的影响而呈现出不同的阶段。通过技术生命周期定量分析的方法能够有效地呈现其发展态势,并可靠地预测该技术的未来发展趋势[34-35]。图5为碳捕集与封存技术涌现数量随时间的变化情况,可以整体展现出该技术的发展情况。工业领域碳捕集与封存技术萌芽于20世纪70年代,发展起步于2002年。在2002—2006年技术公开的情况零星出现,标志着该技术的出现,但该阶段技术整体创新活跃度较为低迷,为该技术的导入期;2006—2010年技术数量快速增长,为该技术的成长期;2010—2015年,该技术总量已达千余项的量级,年增长数量略为缓慢,呈现出平稳增长的趋势,此为该技术的成熟期。由于技术情报公开延迟,2019年以后的数据不具有参考价值,但从图5中技术数量线和技术趋势线的整体走势来看,未来仍会呈现较大的增长。同时随着我国乃至世界范围内在2020年对环境技术和碳排放相关技术的重视,以及低碳政策的大量出台,碳捕集与封存技术有可能迎来新一波的增长高潮[36]。

图5 碳捕集与封存技术生命周期图Fig.5 Life cycle of CCS technology

碳捕集与封存技术数量发展趋势见表2。由表2可以得出与上文相同的结论,即在排放降低和成本降低以及效率提高的功效层面,该技术的创新程度较为活跃。

表2 碳捕集与封存技术发展趋势表

时间维度上可以从逐渐发展趋势上判断技术发展所处的阶段;空间维度上,可以从技术发源的国家和地区判断技术的目标市场和产业定位。碳捕集与封存技术的产出国仍主要分布于世界发达国家,中国是其产出大国,技术数量上远超世界其他国家,美国次之,加拿大、澳大利亚、日本、韩国和欧洲(瑞士、德国、芬兰为主)也有较为活跃的技术产出。中国作为碳捕集和封存技术的产出大国,其技术发源地主要集中于北京、江苏、广东、山东和上海,其中首都北京的技术数量最多,中部和东部是我国碳排放技术的主要产出地域。

中国、美国、加拿大、日本、韩国、瑞士、德国、芬兰作为碳捕集与封存技术的主要产出国,其技术布局的侧重有所区别。碳捕集与封存技术在以上主要产出国的主要技术布局情况见图6,以技术沙盘的形式直观地呈现其发展重点。通过数据分析,选取燃烧技术、合成化工技术、燃料技术、生物技术和发电系统技术等主要技术点作为以上国家碳捕集与封存技术的布局对抗点进行分析。中国在以上各技术点上的布局均有所涉猎,美国则将技术布局的重点聚焦在流化床技术、富氢气体与废气流技术和燃料技术上,其中以富氢气体与废气流技术尤为侧重,在其他技术门类上也有一定的布局。加拿大、日本、韩国、瑞士、德国和芬兰作为技术产出的第二梯队国家,在技术沙盘中的对抗点与中美相比,较为薄弱。

图6 碳捕集与封存技术主要国家布局图Fig.6 Layout of CCS technology in the main countries

2.2 技术发展路线分析

通过综合分析碳捕集与封存技术的整体发展,可知该技术的发展沿革呈现出逐步深入和精细化的趋势。碳捕集与封存技术发展路线见表3。表3基本呈现出了碳捕集与封存技术的发展路线。碳捕集与封存技术的发展脉络为:通过减排装置降低碳排放量(设备装置的优化)→通过生物方法实现碳排放消耗/转化(动植物介入的方法)→通过燃烧与燃料处理技术实现碳减排(燃料处理与燃烧工艺)→通过碳排放组分再合成/利用(回收利用)→通过碳排放量化/控制工艺(量化控制)→通过碳足迹跟踪与捕集技术(足迹跟踪与捕集)→通过碳封存技术(封存)。通过对碳捕集与封存技术标志性技术发展路线的分析可以看出,碳捕集与封存技术整体向着专业化、精细化和应用广泛化的方向发展。

20世纪70年代,碳捕集与封存技术未直接诞生,但已产生了相关的铺垫技术——避免转炉废气中一氧化碳排放的方法和装置(US4054274 A,1977,Method and apparatus for avoiding the emission of carbon monoxide from converter exhaust gase),美国开始研发减排装置来降低碳排放量,标志着碳排放相关技术的研发已经拉开帷幕;80年代,澳大利亚通过燃烧与燃料处理技术实现了碳减排(AU7306587 A,1987,Process and plant for reducing nitrogen monoxide emissions when burning solid fuels),此后数十年内,燃料与燃烧领域相关的碳减排技术一直处于非常活跃的状态;90年代,加拿大研发了碳排放组分再合成/利用技术,通过碳回收和二次循环实现碳减排(CA2029101 A1,1992,Process for reduction of carbon dioxide emissions and recycling of waste products),该技术的诞生标志着碳足迹研发步入正轨,人类对碳减排相关技术的认知达到了新层面;与此同时,碳排放量化/控制工艺逐步得到发展(EP508657 A2,1992,Integrated process for producing ethanol,methanol and butyl ethers),碳排放的精密控制工艺依赖于先进测控技术的大力发展[37-39],排放量的标准化和当量化也促使生物化学、煤化工和炼油等工业领域的产业链下游对碳排放的认识提升到新的高度[40-42];20世纪末期,美国学者正式提出“碳捕集”的定义(US5724805 A,1998,Power plant with carbon dioxide capture and zero pollutant emissions),在美国科技界引起了碳捕集相关技术的研发热潮,碳足迹跟踪与捕集技术多次以专有名词的形式被提出,并发展迅速,捕集二氧化碳开始成为学术界、能源产业界的焦点。

21世纪初期,加拿大学者提出了一种以生物方法实现碳排放消耗/转化的概念(CA2499264 A1,2004,A process and a plant for recycling carbon dioxide emissions from power plants into useful carbonated species),直接引领了低碳技术在生物、医药、食品、地质等其他交叉领域的研发热潮,后续技术诸如利用海洋生物等自然环境和资源进行碳减排的创新技术接连问世;2014年,碳封存技术(EP2438977 B1,2014,Carbon dioxide sequestration system;EP2406189 B1,2014,Method for using carbon dioxide sequestered from seawater in the remineralization of process water)正式问世,是低碳技术发展进程中的重要里程碑,此后,碳封存技术大量公开,利用海洋地质、特殊材料和先进装备与工艺进行碳组分封存的技术逐步完善并得到广泛应用。

3 结论

本文以工业用能过程碳捕集与封存技术为着眼点,综合该技术在科学、技术和产业应用领域的文献情报信息,通过数据分析和情报梳理,对碳捕集与封存技术研究发展进行综述,得出以下主要结论。

1)全球低碳技术的公开数量已达3 000项以上,石油化工行业是低碳技术的主要应用领域,排放、成本、效率和能耗是该技术创新发展的主要功效承载维度。

2)从国际发展布局的角度而言,中美两国是碳捕集与封存技术创新和应用大国,其技术发展兴起于装备领域,发展脉络历经生物技术、燃料与燃烧工艺技术、回收再利用技术、量化/控制技术,逐步发展到目前最为热门的碳足迹、碳捕集与封存技术。

3)碳捕集与封存技术萌芽于20世纪70年代,已经历了导入期、成长期、成熟期和稳定期,未来随着全球低碳政策的大量出台,以及碳税、碳交易制度的逐步成熟,碳捕集与封存技术可能会迎来第二轮快速增长。

4)通过分析,得到了碳捕集与封存技术发展路线图,可知碳捕集与封存技术整体向着专业化、精细化和应用广泛化的方向发展。