CO₂捕集•利用•封存 | NWUer告诉你减少碳排放的神奇魔法
以变暖为主要特征的全球气候变化问题日益严峻，已成为当今人类社会共同面临的挑战。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术能够大幅度减少碳排放量，被国际上广泛认为是应对全球气候变化、控制温室气体排放的最关键技术之一。
近日，由西北大学牵头申报的“二氧化碳捕集与封存技术国家地方联合工程研究中心”正式被国家发展和改革委员会批准成立，这是目前全国该领域的唯一研究中心。
2016年11月西北大学碳捕集与封存技术团队参加在瑞士洛桑举办的第十三届温室气体控制技术大会。
西北大学和陕西延长石油集团共同承担的国家863计划“二氧化碳地质封存关键技术”课题正式立项。
2014.9
该课题成果被国家发改委列为国家重点推广的33项低碳技术之一。
2015.3以该课题为基础的“靖边油田二氧化碳捕集与封存项目”，被中国和澳大利亚政府推荐为中国第一个列入“碳收集国家领导人论坛（CSLF）”国际认证的候选项目。
2015.6西北大学和陕西延长石油集团共同承担的国家863计划“二氧化碳地质封存关键技术”课题，在陕西延长石油集团靖边油田现场顺利通过了科技部高技术中心组织的专家验收。
同月，以该课题为基础的“靖边油田二氧化碳捕集与封存项目”顺利通过“碳收集国家领导人论坛（CSLF）”国际认证组织的答辩，成为国际认证的中国唯一全流程二氧化碳捕集、封存项目，使得陕西处于国内CCUS技术领域的领先地位。
2015.9《中美元首气候变化联合声明》选择在陕西延长石油集团所属延安－榆林地区的项目场址，开展大规模碳捕集、利用与封存示范。
2016陕西省立项“延长石油集团100万吨CCUS示范项目”，该项目也成为国家“十三五”唯一支持的大规模CCUS示范。
近日，国家发展和改革委员会正式公布了2016年国家地方联合工程研究中心（工程实验室）名单，由西北大学牵头申报的“二氧化碳捕集与封存技术国家地方联合工程研究中心”获批。
碳捕集、利用与封存技术到底是什么？
国家863计划“二氧化碳地质封存关键技术”课题负责人——西北大学地质学系马劲风教授，为我们揭开CCUS技术的面纱。
什么是碳捕集、利用与封存技术？
碳捕集与封存（CCS-Carbon Capture and Sequestration 或 Carbon Capture and Storage）是将煤化工、燃煤（气）电厂等高碳排放企业产生的CO₂捕集，然后注入地下深部地质构造或废弃油气田中进行永久性封存，以减少人类生产活动产生的CO₂对于生态环境破坏的技术方法。
由于直接将CO₂捕集后注入地下并进行地质封存的成本较高，一些学者将碳捕集与封存过程中的CO₂驱油概念进行了扩展，提出了碳捕集、利用与封存（CCUS-Carbon Capture, Utilization and Storage）概念。
根据国际能源组织 IEA的估算，到2050年，CCS技术将可以降低全球约六分之一的碳排放，被国际上认为是目前快速降低温室效应的有效方法。在工业技术水平不高和能耗高的情况下，“碳捕集、利用和封存技术”是我国从燃煤电厂、水泥、钢铁、玻璃、化工等高耗能企业快速降低碳排放最有效的技术，甚至是唯一的技术，是高耗能企业实现零碳生产的必选技术。
到2050年CCS可减少全球每年19%的碳排放量
碳捕集与封存技术主要包括三个步骤
碳捕集：即在燃煤电厂及高碳排放企业捕集CO₂
运输：通过罐车或输送管道将捕集的CO₂运输到封存场地。特别是对于大规模CO₂捕集与封存来说，管道运输是可行经济的方式
地质封存：将CO₂注入地下深部的油层中，在强化驱油（CO₂-EOR）的同时进行封存，并在生产井口进行回收与回注。或者注入深部构造（主要是咸水层）中进行永久封存。这些油层或者深部构造往往在地下1000米以下，上覆泥质盖层致密而无法渗透CO₂，并且具有多套盖层封堵CO₂，确保其安全的封存于地下。
CO₂捕集、运输与地质封存示意图
（Saskpower CCS Project）
技术的意义和价值
该技术可以快速有效降低碳排放量，是实现《巴黎气候协定》全球气候治理目标的关键技术之一。此外，通过大规模“全流程”工作，全面带动碳捕集、管道运输与地质封存监测技术与装备产业链，提升地方制造的工业技术水平，促进陕西地方企业的绿色低碳发展，拉动陕西省GDP，完成经济发展和环境保护的有机结合。
西北大学在国内CCUS研究中表现突出，有效提升了学校的影响力，同时也带动了全校多个学科共同参与CCUS技术的实施，促进了学科之间的交叉合作。
2016年11月，西北大学相关研究人员与清华大学、华中科技大学、西安交通大学、湖南大学、中国石油大学（北京）、中国科学院武汉岩土力学研究所及部分华人学生学者，在瑞士洛桑参加碳捕集与封存领域最高水平的第十三届温室气体控制技术大会。
碳排放其实贯穿在我们生活的多个方面
”人类的任何活动都有可能造成碳排放，中国目前大量使用煤、石油等矿物燃料，碳排放量高，控制温室气体排放日益迫切。为了解决该问题，我国努力强化科技支撑，推进碳排放权交易市场建设，健全温室气体排放统计核算体系。从2017年起，我国开始实施碳排放交易体系。“先进行统计，年消耗煤一万吨以上的企业都要进入国家碳交易体系，排放高的企业需要交钱，这部分钱可以拿出来推动减排环保的工作。”马劲风解释。碳排放交易体系能够充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，在碳排放权交易试点基础上，稳步推进全国碳排放权交易体系建设，逐步建立碳排放权交易制度。
除过碳交易体系的管理作用还有什么方法可以抑制碳排放量持续上升呢？传统植树造林的方法对减少碳排放量成效缓慢，马劲风举了一个简单的例子：“种树是一个什么概念呢？汉中是陕西森林覆盖率最高的地区，汉中的树木一年的二氧化碳吸收量大概在六七百万吨，而一个电厂的碳排放，就需要两个汉中的所有树一起才能吸收掉。因此仅依靠种树吸收二氧化碳是非常困难的。”由此来看，快速减少碳排放是一项非常重要的工作，“利用碳捕集与封存技术，预测到2030年可以减少12%-13%的年碳排放量；到2050年，可以减少19%的年碳排放量。我们普遍认为，这种技术手段对中国的情况非常适合。”
2013年11月科技部专家组考察靖边油田CO₂注入与封存现场。
完成这项任务非常迫切
”气候变化对全球自然生态系统影响显著，为解决这一全球性问题需要国际社会携手共同应对。《联合国气候变化框架公约》和《中美元首气候变化联合声明》要求中国在能源利用和生态保护方面做出更多改变，共同推动可持续发展。
中国承诺在2030年达到碳排放峰值，基于此国家发改委气候司向每个省分配排放指标，对陕西省也提出了非常严格的要求。马劲风介绍：“从目前的情况来看，陕西省煤炭消耗每年不能增加超过一千万吨，二氧化碳排放每年不能增加超过一千三百万吨，且到2030年二氧化碳排放量就不能再增加了。”
如何兼顾经济发展与环境保护？这是从国家到地方、从政府到企业都面临的挑战，也是急需解决的问题。“为了能够在碳排放总量不变的情况下发展经济，就必须快速减少碳排放。传统的方法比如提高能源利用效率而减少碳排放，国家称之为‘碳强度’下降，即是指单位GDP的二氧化碳排放量下降。但是实施过程中碳排放总量还是增加的。而CCS技术，即碳捕集与封存，是一个非常快速有效减少碳排放总量的方法。国家实施碳排放权交易制度是推动CCS技术发展的机遇。”马劲风说。
2015年6月在参加CSLF会议期间、科技部、陕西延长石油集团及国外代表参观加拿大SaskPower燃煤电厂碳捕集与封存项目。
国家给了陕西一个机会
”马劲风介绍，“陕西目前具有CCUS产业链中几乎所有环节的产、学、研国内优势单位，并且鄂尔多斯盆地是中国最大的油气生产基地，有最佳开展CCUS源汇匹配的条件”。独特的环境资源和产业优势让陕西通过重重竞争，努力争取到了中国第一个大规模CCUS 产业化项目，这也是国家发改委“十三五”期间唯一重点支持的大规模 CCUS 项目。“要在陕西建立的碳捕集封存项目是中国第一个百万吨级别的项目。目前世界上该级别的仅有十几个，且主要集中在发达国家。”因此该项目具有相当大的战略创新性，我国也出台了一系列政策推动CCUS项目的实施，如科技部的“十三五”国家科技创新行动、国家发改委和能源局联合发布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》等。
CCUS技术包含了二氧化碳的捕集、利用和封存技术，其中创新性地用二氧化碳驱油技术取代了之前的水驱油技术，通过如此可以提高百分之十左右的原油采收率，不仅减少了二氧化碳的排放量还创造了新的经济发展点。延长石油集团靖边采油厂副厂长总工程师田东恩说：“自从实施二氧化碳捕集封存、驱油以来示范区平均油井单产日产油量由原来的0.17吨提升到了0.35吨，根据科学论证和预测，全区可以提高采收率5%以上，埋存了二氧化碳6万吨，同时节约了地表淡水6万方。”“这个项目是国家给陕西的一个绿色发展机遇”，马劲风说，“大的石油公司很看重这个市场，并将碳捕集与封存看做和过去的石油天然气同等规模的大工业。”
“在陕西开展大规模CCUS项目，可以带来大量就业机会，拉动陕西与CCUS相关产业链的技术与装备制造业的发展及增加产值，推动地方经济转型并带动鄂尔多斯盆地周边省份的减排与CCUS产业发展，此外还能带动学科交叉，围绕 CCUS 产业链培养企业创新型人才。”马劲风说。
我们现在是向上拓展
”“我们的主要优势是二氧化碳地质封存关键技术，即把二氧化碳注入到油田驱油的同时，将二氧化碳封存在地下。然而封存到地下就要其确保安全性，目前我们主要是从地下地质、地表环境这个角度来监测二氧化碳在封存过程中的安全性，之后准备整合化工学院、物理学院、化学与材料科学学院、城市与环境学院、生命科学学院等及政、产、学、研力量，开展捕集技术研发及面对二氧化碳泄露可能发生的不同情况，利用不同学科的专业知识来解决问题”，马劲风说，“不同于其他高校相关研究，我们现在实际上是在地质封存优势基础上，往（捕集）上拓展。”
我校承担CCUS技术相关项目，不仅可以扩大原有优势，提高学校影响力，还能促进不同学科的交叉融合。在本次我校和陕西延长石油集团共同承担的国家863计划“二氧化碳地质封存关键技术”课题项目中，就已经有地震、测井、石油地质、化学分析和环境监测、现场实施等不同领域的专家、学者共60余人一同参与。地质学系张小莉教授、王震亮教授、化材院卫引茂教授、城环院马俊杰教授等都是主要参与人员。我校专家与陕西延长石油集团合作，积极进行科研攻关。
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采访/施依然 程弋菲 杜京翰 摄影/赵栋
编辑/王君睿 责编/李琛
特别鸣谢马劲风教授提供资料图片