碳捕集封存三类技术确立 成本竞争进入白炽化

二氧化碳捕集和封存（CCS）每年可大规模减排几十到几百万吨二氧化碳。其实现商业化的关键在于削减成本及增产原油等附加值。

在美国东南部墨西哥湾附近的巴里（Barry）煤炭火力发电站，捕集煤炭燃烧产生的二氧化碳的实证试验正在进行。在排放到空气中之前，捕集废气中的二氧化碳，利用管道转移到发电站以西约19公里处的封存地点，封存于地下3000到3400米处。这是由日本三菱重工业公司与美国大型电力企业共同实施的项目。

捕集煤炭火力发电产生的90%的二氧化碳

从发电站和钢铁厂等的废气中捕集二氧化碳，压入稳定的地层等中进行封存，这被称为“二氧化碳捕集及封存”（CCS）。通过封存井，将二氧化碳送入地下几千米的“蓄水层”中。使二氧化碳融入地下水，实现稳定封存。

三菱重工2011年6月开始，每年在煤炭火力发电站捕集15万吨左右的二氧化碳，这在全球为最大规模。相当于发电站排放的二氧化碳的90％。并从2012年开始封存于地下。在煤炭火力发电站一条龙实施高达15万吨的捕集及封存，这在全球也尚属首例。

煤炭火电二氧化碳排放量约为输出功率相同的天然气火电的2倍。不过，价格较其他化石燃料低，中国等新兴市场国家为了满足急剧增大的电力需求，正在加快建设煤炭火电。因此，从全球来看，确立CCS技术是当务之急。

CCS的核心技术已由许多行业确立。现在的技术开发着重于削减成本。日本地球环境产业技术研究机构（RITE）推算，捕集及封存成本总额，如果是新建煤炭火力发电站，每吨二氧化碳为7300日元，如果是已有发电站，则为1.24万日元。其中约占6成的捕集成本仍有削减的空间。

捕集技术大致分为3类，即使用吸収液、利用温度差吸收及释放二氧化碳的“化学吸収法”，使用沸石等易于吸附二氧化碳的物质的“吸附法”，在水处理领域已广为利用的使用某种膜的“膜分离法”。

钢铁及重型电机领域竞相节能

接着来看看上述三种技术各自具有的特点。首先是化学吸収法。其原理是，将含有二氧化碳、氮和氢等的废气送入“吸収塔”，在塔内，从上部注入的吸収液与废气接触，仅吸收二氧化碳，吸収液通过换热器加热之后，利用“再生塔”再次进行加热，然后释放出二氧化碳，捕集积存的二氧化碳，吸収液冷却后重新送回吸収塔。

提高吸収液的吸収效率、削减用于加热和冷却的能源，这是降低成本的有效方法。三菱重工与日本关西电力公司共同开发的吸収液“KS-1”为实现节能做出了很大贡献。以往的吸収液捕集1吨二氧化碳，需要消耗3～4吉焦（GJ）的能源，而KS-1仅需2.5吉焦。新日铁住金公司和东芝公司等也在就化学吸収法的节能性能展开竞争。

新日铁住金工程公司于2012年12月，启动了使用新日铁住金与RITE共同开发的吸収液的捕集设备。日本钢铁业界受日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托，在开发低碳型炼钢技术，作为其中一环，进行着捕集设备的实证。

新日铁住金工程战略策划中心能源及GTL事业战略部高级经理五十岚正之说：“通过改良吸収液、设计可充分发挥其性能的设备以及有效利用低温废热，实现了节能40％。”

再生塔中吸収液的温度一般为120℃左右，新日铁住金与RITE共同开发的吸収液将温度降到了95℃，属全球首创，并且还通过重沸器，将废热用于再生塔加热，将捕集1吨二氧化碳所需的能源控制在了2.4吉焦。

RITE化学研发小组首席研究员东井隆行解释说：“化学吸収法的工作原理是首先使吸収液分子与二氧化碳分子相结合，再通过加热解除与二氧化碳分子的结合。我们此次开发的吸収液具有可在更低温度下解除结合的分子结构，并且在吸収及释放性能方面都达到了最佳水平。”

另一方面，东芝也拥有优势，该公司正在通过日本国内运转着的煤炭火力发电站对分离及捕集进行验证。目前正在其旗下独立发电运营商（IPP）西格玛POWER有明公司建在福冈县大牟田市的三川发电站内，运转着采用化学吸収法的试验成套设备。通过使用自主开发的吸収液、提高换热效率等，使捕集能耗减少到了2.6吉焦。

即使废气中二氧化碳含量较少，化学吸収法也能进行高效率捕集，因此适合用于二氧化碳浓度较小的火力发电站。而钢铁厂及天然气精炼厂等的废气二氧化碳浓度在20％以上，如果提高压力，利用其他捕集技术也能进行低成本捕集。

吸附法的原理是，在高压状态下，使多孔吸附剂吸附二氧化碳，之后降低压力，释放二氧化碳。日本JFE钢铁公司于2011年，开始在西日本钢铁厂福山厂区进行实际验证。

JFE钢铁公司钢铁研究所环保加工研究部主任研究员齐间等充满信心地表示：“为了进行实用化准备工作，我们将设计年处理100万吨规模的设备。”现在正利用备有3个填充了300公斤沸石的大型罐（吸附塔）的设备，每天从高炉废气中捕集3吨二氧化碳。JFE钢铁计划使这套设备实现大型化。

日本政府针对实用化，设定了将1吨二氧化碳的捕集成本控制在2000日元左右的目标。JFE钢铁通过2年的实证实验，已经有望使成本低于2000日元。将捕集时间缩短到原先的一半，此外，如果业界正在开发的低碳型炼铁技术得以实用化，废气中的二氧化碳浓度会上升，如果将浓度上升的因素考虑在内，便可实现2000日元的目标。

对于膜分离法，有关方面瞄准了更低的1500日元。受日本经济产业省委托，由RITE、可乐丽公司、日东电工公司和新日铁住金工程组成的研究合作组织目前正在进行相关开发。在有机膜中加入高分子吸収剂，可仅使二氧化碳通过。通过改进制膜方法，将单位面积的透过量提高到了刚开始开发时的10倍以上。

RITE与可乐丽、日东电工及新日铁住金工程合作，共同开发出了能够从高压气体中，以低成本捕集二氧化碳的膜分离法。设想用于通过干馏煤炭生成燃气轮机燃料的“煤炭气化炉”。

将这种经过改进的有机膜卷成卷状，填充到压力容器中，组合利用多个容器制成模块，就可从高压废气中高效率捕集二氧化碳。研究合作组织计划2014年度开始着手进行实际验证。RITE化学研发小组主任研究员池田健一说：“我们将实际验证通过使用高效率膜及简化设备能够使成本降到1500日元，并且，还将探讨降至1000日元的可能性。”

利用捕集的二氧化碳实现石油增产

关于封存，日本已计划2016年度以后开始在北海道苫小牧市海域进行压入实证实验。自2012年度起在4年内，国家的投资总额为470亿日元。已开始向着位于海底地下1100米～1300米及2400米～3000米的蓄水层挖井。计划每年封存约10万吨二氧化碳。

而在挪威和加拿大等地，每年以几十万～一百几十万吨的规模捕集及封存天然气精炼所排二氧化碳的业务已经持续了10年以上。预定2014年以后启动的澳大利亚西北部高更（Gorgon）CCS计划年规模为300万吨。作为全球变暖对策的王牌，二氧化碳捕集及封存备受期待。

国际能源署（IEA）认为，要达成“2050年使全球温室气体减半”的全球共同目标，需要减排二氧化碳570亿吨。据称其中20％可通过CCS削减。总部设在澳大利亚的研究机构GlobalCCSInstitute（GCCSI）称，全球目前正在实施或计划的大规模二氧化碳捕集及封存业务多达75件。即便如此，仍然达不到2050年减半所需的削减量。因为以全球经济危机为背景，各国政府及金融机构开始暂缓向CCS业务投资。

单纯封存二氧化碳的CCS只会花费成本，没有任何产出。另一方面，二氧化碳可用于“提高石油采收率技术”（EOR），将二氧化碳压入油田，便可降低油层中残余原油的粘度，使之变得易于开采。二氧化碳还可用做肥料和尿素的原料。目前，以产油国和新兴市场国家等为中心，将活用二氧化碳与CCS结合起来，使收益高于捕集及封存成本的业务成为主流。