新气象｜减碳路上的“捕碳高手”探访高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室

中央纪委国家监委网站 王珍

科研人员正在实验室进行二氧化碳捕集实验。王珍 摄

华能清能院副总工程师郜时旺在进行吸收剂性能评价实验。（华能清能院 供图）

华能清能院CCUS团队研发出的多种二氧化碳吸收剂及捕集塔填料等。王珍 摄

位于华能上海石洞口电厂的我国首个10万吨级二氧化碳捕集装置。（华能清能院 供图）

二氧化碳，我们并不陌生。自然界产生、人体呼出、工业排放……它在我们生活中无处不在，无色无味，看不见也摸不着，却是导致全球气候变暖的“元凶”之一。

节能降碳，不只靠种树，也要靠技术。作为世界上最大的能源生产国和消费国，我国不断通过科技创新，积极稳妥推进碳达峰、碳中和，加快发展方式绿色转型。除了大力发展新能源从源头上实现零碳替代，以及推动煤炭清洁高效利用实现过程中减污降碳之外，终端捕碳固碳技术也成为重要的探究方向。

据介绍，简称为CCUS的碳捕集利用与封存技术，就是将能源行业、工业过程中产生的二氧化碳捕集下来，送到合适的地点加以利用或者地质封存，从而避免或延缓二氧化碳进入大气。这一技术被视为减碳的托底技术，大家形象地称之为“碳捕快”。

那么，“碳捕快”如何捕捉二氧化碳？捕捉之后的二氧化碳又去了哪里、如何被再次利用？近日，记者走进依托中国华能集团建设的高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室，一线探访这个“捕碳高手”的真面目。

一瓶小小的溶液是“捕捉”二氧化碳的关键

不断地“试”只为追求更高效、更低能耗、更低成本、更高稳定性

从北京城区出发，沿京承高速一路向北，行至昌平，北六环以南，即是未来科学城。未来科学城东区，被称为“能源谷”，中国华能集团清洁能源技术研究院便坐落于此。

走在华能清能院园区内，只觉环境清幽、流水潺潺，几个风机模型随风转动。记者跟随华能清能院CCUS团队成员、温室气体减排与清洁燃料技术部副总工荆铁亚博士，来到位于实验楼二层的温室气体减排实验室，这里是高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室的重要组成部分，二氧化碳捕集利用与封存有关关键技术创新与发展的重要平台。

调整压力值、设定温度参数……走进实验室，记者看到CCUS团队成员李野正在一个一人多高、两米多长的装置前进行实验操作。

“这就是二氧化碳捕集实验装置。”李野告诉记者。该实验装置是这样工作的：模拟火电厂、化工厂、水泥厂或者钢铁厂等“排放大户”排出的、经过预处理的烟气，经过两个又细又高的塔状设备处理，便可实现二氧化碳的捕集和再生，二氧化碳的捕集率可超过90%。“烟气经过第一个塔时，二氧化碳会被吸收剂吸收；经过第二个塔时，在高温状态下，实现吸收剂与二氧化碳的分离再生。”

别看这个装置不大，却产出了不少重量级科技成果。借助它，既可以验证二氧化碳吸收剂的捕集性能，也可以验证二氧化碳捕集工艺的效率、能耗以及设备的可靠性等。

郜时旺，高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室副主任、华能清能院副总工程师，也是全国劳动模范、全国优秀共产党员、党的二十大代表，国内CCUS领域领军人物。

据他介绍，CCUS可分为捕集、输送、利用与封存几个环节。其中，碳捕集是全链条的核心环节，也是成本最高的一个环节。

“成本主要就高在吸收剂上。”郜时旺拿起一瓶小小的溶液告诉记者，二氧化碳捕集可分为化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等，其中化学吸收法被认为是最适用于大规模工业化应用的。对于化学吸收法而言，这一瓶小小的溶液正是有效“捕捉”二氧化碳的关键。

记者看到，在实验柜中摆放着多瓶不同颜色的溶液，有的是透明色，有的是棕黄色，有的上下融为一体，有的则如同油水般分为上下两层。这些可都是实验室的“宝贝”。

据介绍，上下融为一体的是复配型吸收剂，这主要是从碳捕集材料的组分来讲，指的是多种碳捕集有效化学组分的组合。如同油水般可分为上下两层的则是相变型吸收剂，这主要是从碳捕集材料吸收二氧化碳后的变化来讲，碳捕集材料吸收二氧化碳后自动分为富相（含二氧化碳较多）和贫相（含二氧化碳较少）两层，后续再生时只需要对富含二氧化碳的富相部分进行加热处理，这样可以大幅降低二氧化碳捕集的总体能耗和成本。

“我们的‘理想型’，要更高效，即捕集容量高、捕集速率快、解吸速率也快，同时要更低能耗、更低成本，还要具有更高的稳定性。”郜时旺告诉记者，为了这个目标，他和团队成员始终步履不停，目前已研发出8种不同的二氧化碳吸收剂，每一种都来之不易。“溶液的配方十分复杂，千变万化，如何找到那个最优配方，就是要不断地‘试’，一直试到那个能平衡所有参数和时序的配方出现为止。”

华能清能院CCUS团队成员、温室气体减排与清洁燃料技术部一级业务经理王焕君博士对此感触颇深：“仅新一代相变型吸收剂的研发，我们前后就经历了近10年时间，其间进行的试验不计其数。”

就是这样，该团队研发的二氧化碳吸收剂不断迭代升级，捕集性能在国际范围内处于领先地位。

“我们首创的高效低能耗复配型二氧化碳吸收剂、新一代相变型二氧化碳吸收剂，不仅吸收剂损耗实现了大幅下降，而且使碳捕集成本也下降了25%至50%。”郜时旺说。

目前，新一代相变型二氧化碳吸收剂已在华能长春热电厂、华能上海石洞口电厂的二氧化碳捕集示范装置投用。

可乐啤酒、农场气肥、油气开采……

被捕获的二氧化碳这样“变废为宝”

被捕集的二氧化碳去了哪儿、怎么用？食品饮料、农场气肥、油气开采……可谓是用处多多。

据介绍，经分离、纯化后，那些二氧化碳或是“变身”为食品制作原料，或是经加工后成为化工燃料，或是用于金属加工焊接保护、激光等工业应用，抑或是直接注入到油气层助力提高石油采收率、注入到咸水层等空间内实现地质封存。

“二氧化碳捕集的成本很高，如果只有投入，没有产出，很难进行商业化推广。所以我们希望捕集的二氧化碳能通过有效利用带来一定的收益，尽可能补偿碳捕集的成本，以此推动规模化碳捕集技术的示范应用和技术进步。”郜时旺告诉记者。

“像咱们日常喝的可乐、啤酒等都可以用捕集来的二氧化碳进行制作。”华能清能院CCUS团队成员、二氧化碳利用学科带头人王琪博士介绍，碳利用是指二氧化碳实现资源化利用的过程，主要包括食品利用、化工利用、地质利用等。

记者了解到，在食品利用方面，郜时旺与团队成员2008年在华能北京热电厂建设我国第一套燃煤电厂二氧化碳捕集装置，并生产出了食品级的二氧化碳，填补了国内空白。

“食品级二氧化碳的要求是纯度很高。”王琪告诉记者，根据国家有关标准，食品级二氧化碳的纯度需大于99.9%。通过捕集可以将二氧化碳浓度提高到99.5%，如果想要得到食品级二氧化碳，还需要经过精制处理。

然而，现实生活中，对食品级二氧化碳的需求量并不高。

据介绍，2009年，在华能上海石洞口电厂建成投产的12万吨/年的二氧化碳捕集示范工程，是当时世界最大的燃煤电厂二氧化碳捕集示范项目。虽然捕集利用量只占电厂一台发电机组二氧化碳排放量的5%左右，但已基本上能够满足上海市食品行业对二氧化碳的需求。

目前，对捕集来的二氧化碳最主要的利用方式是化工利用和地质利用。化工利用是将二氧化碳转化为燃料和原料，包括甲醇、汽油、塑料等产品的生产，而地质利用主要用于驱油开采。

与食品级二氧化碳高纯度要求不同，化工利用对捕集二氧化碳的纯度要求相对较低。“这要看具体的利用方式和催化剂，有些催化剂容易受一些杂质的影响，对二氧化碳的纯度要求就会高一些，有些催化剂则对杂质的耐受性比较高。”王琪告诉记者，二氧化碳分子十分稳定，很难打开化学键让其参与反应，如何提高二氧化碳转化率，是化工领域利用的难点。目前，他们在二氧化碳加氢制甲醇燃料、制烯烃方向取得了较大进展，研制了配套催化剂技术和关键工艺设备，二氧化碳单程转化率达到先进水平。同时，他们也正在研究如何让二氧化碳成为先进碳材料的原料。

“地质利用，被认为是实现二氧化碳大规模经济利用与地质封存的有效方式。”荆铁亚告诉记者，利用二氧化碳驱油、驱气并封存，可同时实现油气增产和二氧化碳减排。

甘肃省最东部，华能陇东煤电风光储一体化多能互补综合能源基地建设正酣。建成之后，这里将成为我国规模最大的综合能源基地。与此同时，也将成就全球首个150万吨/年大规模CCUS工程示范项目。届时那里将实现低能耗二氧化碳捕集、驱油与封存全流程工业示范。

“不过，相较于碳排放量，捕集后再利用的二氧化碳只是其中很少的一部分，没被利用的部分仍需要被封存起来。”荆铁亚说，封存二氧化碳一般要求注入距离地面至少1000米的地下岩层，在这样的深度下才能确保二氧化碳保持在“超临界流体”，且不易泄漏，“封存地点、容量以及安全性、经济性等，都是需要考量的因素。”

从“小学生”到“老师”，再到国际标准制定者

我国二氧化碳捕集技术达到国际领先水平，首次整体出口到发达国家

最近，郜时旺和团队成员除了忙于新技术研发外，还有一个“重头戏”——牵头编制国际标准ISO 27927《燃烧后二氧化碳捕集吸收溶液的关键性能指标及测试方法》。

这是由我国牵头制定的首个碳捕集领域国际标准。

“标准发布后不仅将推动提升全球碳捕集领域研发和生产的科学性和规范性，对全球碳捕集领域的科学研究、工程建设和运行管理具有重要的指导意义，而且还会大幅提高我国在全球CCUS行业、在应对气候变化方面的话语权。”提及此，郜时旺颇显激动。

十多年的时间，我国在二氧化碳捕集技术领域，走过了从“小学生”到“老师”、再到国际标准制定者的蝶变之路。

郜时旺最明白其中艰辛。“核心技术还是要靠自己。”他感慨道。

思绪回到16年前。2007年，郜时旺接到集团公司的任务，要求在2008年北京奥运会前建设并投运碳捕集装置。

“当时给我们定的二氧化碳捕集目标是每年3000吨，相当于16万棵树每年吸收的二氧化碳总量。这是该技术的首次探索，国内外都比较关注。”郜时旺回忆，彼时，他的研究方向是电厂除尘和流场模拟，碳捕集对他而言还仅仅是论文里的概念。

“外国人能搞出来，我们也能。”郜时旺坚定信念，但就在项目要开工时，国外合作方的图纸和技术资料因故突然无法到来，给项目带来了极大困难。

这也让他明白了一个道理，核心技术要靠自己。他翻遍所有能查到的资料，所获取的有效信息仍然是寥寥无几。“当时这项技术，是学校里无此专业、市场上无此技术、业界更是无此先例。”

另辟蹊径，他和同事们决定将化工行业的碳捕集技术移植到电力行业。然而，由于技术难度非常大，国内几家知名的化工设计院都婉拒了他们的合作邀请。

在处处碰壁之后，他们只能自主研发，在攻克了一个又一个技术难题后，最终提出关键创新工艺，建成并成功投运中国第一套燃煤电厂二氧化碳捕集项目——华能北京热电厂碳捕集项目，成为2008年北京奥运会期间我国对外展示的窗口。

2009年在上海石洞口电厂建成当时世界上最大的燃煤电厂二氧化碳捕集示范装置，已运行超过10年，保持世界运行时间最长的纪录。

2021年，他们参与建设澳大利亚最先进的陆上CCUS项目，实现了我国二氧化碳捕集技术向发达国家的转让。这也标志着我国二氧化碳捕集技术达到国际领先水平，首次整体出口到发达国家。

世界上最大的燃煤电厂150万吨/年的二氧化碳捕集与封存全流程示范项目正在建设中。

由CCUS技术衍生出的国际首创的颠覆性技术——低温法污染物一体化脱除技术，可一体化脱除烟气中的硫氧化物、氮氧化物、粉尘、重金属等其他污染物。

……

从0到1，成果满满。据介绍，华能清能院CCUS团队共获得国内外专利200余项。

“对我来说，最自豪的项目永远是下一个。”郜时旺说。

为进一步攻克碳捕集成本与运行能耗较高的挑战，他们正从二氧化碳捕集材料、工艺以及设备等方面进行技术创新；为提升二氧化碳利用率，他们正在开发“液态阳光”，把二氧化碳、水和太阳能转化为甲醇等可运输液体燃料……

这里，创新仍在继续。