二氧化碳捕集和封存（CCS）每年可大規(guī)模減排幾十到幾百萬噸二氧化碳。其實現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵在于削減成本及增產(chǎn)原油等附加值。

在美國東南部墨西哥灣附近的巴里（Barry）煤炭火力發(fā)電站，捕集煤炭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳的實證試驗正在進行。在排放到空氣中之前，捕集廢氣中的二氧化碳，利用管道轉(zhuǎn)移到發(fā)電站以西約19公里處的封存地點，封存于地下3000到3400米處。這是由日本三菱重工業(yè)公司與美國大型電力企業(yè)共同實施的項目。

捕集煤炭火力發(fā)電產(chǎn)生的90%的二氧化碳

從發(fā)電站和鋼鐵廠等的廢氣中捕集二氧化碳，壓入穩(wěn)定的地層等中進行封存，這被稱為“二氧化碳捕集及封存”（CCS）。通過封存井，將二氧化碳送入地下幾千米的“蓄水層”中。使二氧化碳融入地下水，實現(xiàn)穩(wěn)定封存。

三菱重工2011年6月開始，每年在煤炭火力發(fā)電站捕集15萬噸左右的二氧化碳，這在全球為最大規(guī)模。相當(dāng)于發(fā)電站排放的二氧化碳的90％。并從2012年開始封存于地下。在煤炭火力發(fā)電站一條龍實施高達15萬噸的捕集及封存，這在全球也尚屬首例。

煤炭火電二氧化碳排放量約為輸出功率相同的天然氣火電的2倍。不過，價格較其他化石燃料低，中國等新興市場國家為了滿足急劇增大的電力需求，正在加快建設(shè)煤炭火電。因此，從全球來看，確立CCS技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

CCS的核心技術(shù)已由許多行業(yè)確立?，F(xiàn)在的技術(shù)開發(fā)著重于削減成本。日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機構(gòu)（RITE）推算，捕集及封存成本總額，如果是新建煤炭火力發(fā)電站，每噸二氧化碳為7300日元，如果是已有發(fā)電站，則為1.24萬日元。其中約占6成的捕集成本仍有削減的空間。

捕集技術(shù)大致分為3類，即使用吸収液、利用溫度差吸收及釋放二氧化碳的“化學(xué)吸収法”，使用沸石等易于吸附二氧化碳的物質(zhì)的“吸附法”，在水處理領(lǐng)域已廣為利用的使用某種膜的“膜分離法”。

鋼鐵及重型電機領(lǐng)域競相節(jié)能

接著來看看上述三種技術(shù)各自具有的特點。首先是化學(xué)吸収法。其原理是，將含有二氧化碳、氮和氫等的廢氣送入“吸収塔”，在塔內(nèi)，從上部注入的吸収液與廢氣接觸，僅吸收二氧化碳，吸収液通過換熱器加熱之后，利用“再生塔”再次進行加熱，然后釋放出二氧化碳，捕集積存的二氧化碳，吸収液冷卻后重新送回吸収塔。

提高吸収液的吸収效率、削減用于加熱和冷卻的能源，這是降低成本的有效方法。三菱重工與日本關(guān)西電力公司共同開發(fā)的吸収液“KS-1”為實現(xiàn)節(jié)能做出了很大貢獻。以往的吸収液捕集1噸二氧化碳，需要消耗3～4吉焦（GJ）的能源，而KS-1僅需2.5吉焦。新日鐵住金公司和東芝公司等也在就化學(xué)吸収法的節(jié)能性能展開競爭。

新日鐵住金工程公司于2012年12月，啟動了使用新日鐵住金與RITE共同開發(fā)的吸収液的捕集設(shè)備。日本鋼鐵業(yè)界受日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的委托，在開發(fā)低碳型煉鋼技術(shù)，作為其中一環(huán)，進行著捕集設(shè)備的實證。

新日鐵住金工程戰(zhàn)略策劃中心能源及GTL事業(yè)戰(zhàn)略部高級經(jīng)理五十嵐正之說：“通過改良吸収液、設(shè)計可充分發(fā)揮其性能的設(shè)備以及有效利用低溫廢熱，實現(xiàn)了節(jié)能40％。”

再生塔中吸収液的溫度一般為120℃左右，新日鐵住金與RITE共同開發(fā)的吸収液將溫度降到了95℃，屬全球首創(chuàng)，并且還通過重沸器，將廢熱用于再生塔加熱，將捕集1噸二氧化碳所需的能源控制在了2.4吉焦。

RITE化學(xué)研發(fā)小組首席研究員東井隆行解釋說：“化學(xué)吸収法的工作原理是首先使吸収液分子與二氧化碳分子相結(jié)合，再通過加熱解除與二氧化碳分子的結(jié)合。我們此次開發(fā)的吸収液具有可在更低溫度下解除結(jié)合的分子結(jié)構(gòu)，并且在吸収及釋放性能方面都達到了最佳水平?！?/p>

另一方面，東芝也擁有優(yōu)勢，該公司正在通過日本國內(nèi)運轉(zhuǎn)著的煤炭火力發(fā)電站對分離及捕集進行驗證。目前正在其旗下獨立發(fā)電運營商（IPP）西格瑪POWER有明公司建在福岡縣大牟田市的三川發(fā)電站內(nèi)，運轉(zhuǎn)著采用化學(xué)吸収法的試驗成套設(shè)備。通過使用自主開發(fā)的吸収液、提高換熱效率等，使捕集能耗減少到了2.6吉焦。

即使廢氣中二氧化碳含量較少，化學(xué)吸収法也能進行高效率捕集，因此適合用于二氧化碳濃度較小的火力發(fā)電站。而鋼鐵廠及天然氣精煉廠等的廢氣二氧化碳濃度在20％以上，如果提高壓力，利用其他捕集技術(shù)也能進行低成本捕集。

吸附法的原理是，在高壓狀態(tài)下，使多孔吸附劑吸附二氧化碳，之后降低壓力，釋放二氧化碳。日本JFE鋼鐵公司于2011年，開始在西日本鋼鐵廠福山廠區(qū)進行實際驗證。

JFE鋼鐵公司鋼鐵研究所環(huán)保加工研究部主任研究員齊間等充滿信心地表示：“為了進行實用化準(zhǔn)備工作，我們將設(shè)計年處理100萬噸規(guī)模的設(shè)備?！爆F(xiàn)在正利用備有3個填充了300公斤沸石的大型罐（吸附塔）的設(shè)備，每天從高爐廢氣中捕集3噸二氧化碳。JFE鋼鐵計劃使這套設(shè)備實現(xiàn)大型化。

日本政府針對實用化，設(shè)定了將1噸二氧化碳的捕集成本控制在2000日元左右的目標(biāo)。JFE鋼鐵通過2年的實證實驗，已經(jīng)有望使成本低于2000日元。將捕集時間縮短到原先的一半，此外，如果業(yè)界正在開發(fā)的低碳型煉鐵技術(shù)得以實用化，廢氣中的二氧化碳濃度會上升，如果將濃度上升的因素考慮在內(nèi)，便可實現(xiàn)2000日元的目標(biāo)。

對于膜分離法，有關(guān)方面瞄準(zhǔn)了更低的1500日元。受日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省委托，由RITE、可樂麗公司、日東電工公司和新日鐵住金工程組成的研究合作組織目前正在進行相關(guān)開發(fā)。在有機膜中加入高分子吸収劑，可僅使二氧化碳通過。通過改進制膜方法，將單位面積的透過量提高到了剛開始開發(fā)時的10倍以上。

RITE與可樂麗、日東電工及新日鐵住金工程合作，共同開發(fā)出了能夠從高壓氣體中，以低成本捕集二氧化碳的膜分離法。設(shè)想用于通過干餾煤炭生成燃氣輪機燃料的“煤炭氣化爐”。

將這種經(jīng)過改進的有機膜卷成卷狀，填充到壓力容器中，組合利用多個容器制成模塊，就可從高壓廢氣中高效率捕集二氧化碳。研究合作組織計劃2014年度開始著手進行實際驗證。RITE化學(xué)研發(fā)小組主任研究員池田健一說：“我們將實際驗證通過使用高效率膜及簡化設(shè)備能夠使成本降到1500日元，并且，還將探討降至1000日元的可能性。”

利用捕集的二氧化碳實現(xiàn)石油增產(chǎn)

關(guān)于封存，日本已計劃2016年度以后開始在北海道苫小牧市海域進行壓入實證實驗。自2012年度起在4年內(nèi)，國家的投資總額為470億日元。已開始向著位于海底地下1100米～1300米及2400米～3000米的蓄水層挖井。計劃每年封存約10萬噸二氧化碳。

而在挪威和加拿大等地，每年以幾十萬～一百幾十萬噸的規(guī)模捕集及封存天然氣精煉所排二氧化碳的業(yè)務(wù)已經(jīng)持續(xù)了10年以上。預(yù)定2014年以后啟動的澳大利亞西北部高更（Gorgon）CCS計劃年規(guī)模為300萬噸。作為全球變暖對策的王牌，二氧化碳捕集及封存?zhèn)涫芷诖?/p>

國際能源署（IEA）認(rèn)為，要達成“2050年使全球溫室氣體減半”的全球共同目標(biāo)，需要減排二氧化碳570億噸。據(jù)稱其中20％可通過CCS削減?？偛吭O(shè)在澳大利亞的研究機構(gòu)GlobalCCSInstitute（GCCSI）稱，全球目前正在實施或計劃的大規(guī)模二氧化碳捕集及封存業(yè)務(wù)多達75件。即便如此，仍然達不到2050年減半所需的削減量。因為以全球經(jīng)濟危機為背景，各國政府及金融機構(gòu)開始暫緩向CCS業(yè)務(wù)投資。

單純封存二氧化碳的CCS只會花費成本，沒有任何產(chǎn)出。另一方面，二氧化碳可用于“提高石油采收率技術(shù)”（EOR），將二氧化碳壓入油田，便可降低油層中殘余原油的粘度，使之變得易于開采。二氧化碳還可用做肥料和尿素的原料。目前，以產(chǎn)油國和新興市場國家等為中心，將活用二氧化碳與CCS結(jié)合起來，使收益高于捕集及封存成本的業(yè)務(wù)成為主流。