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    CCUS技術(shù)發(fā)展的方向及挑戰(zhàn)
    點擊次數(shù):923次 更新時間:2024/4/9 【關(guān)閉】


    在“雙碳”背景下,我國CCUS(二氧化碳捕集、利用與封存)技術(shù)迅速發(fā)展,但現(xiàn)階段仍面臨多方面挑戰(zhàn),距離大規(guī)模商業(yè)化運行仍有一定的距離。為了推動CCUS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,有必要搭建CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)研發(fā)平臺,加快CCUS技術(shù)各環(huán)節(jié)低成本、低能耗關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),超前部署前沿和顛覆性CCUS技術(shù)驗證,提高技術(shù)成熟度和市場競爭力,以實現(xiàn)其廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。


    我國CCUS技術(shù)體系正在完善和豐富
    CCUS是將二氧化碳從工業(yè)生產(chǎn)、能源利用或大氣中分離出來,加以利用或注入地層以實現(xiàn)永久減排的過程。它是實現(xiàn)碳減排的重要途徑,也是保障我國能源安全和推動經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展的重要手段,同時有利于促進我國可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。
    目前,CCUS 技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。在捕集環(huán)節(jié),主要有燃燒后捕集、燃燒前捕集、富氧燃燒和化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。在運輸環(huán)節(jié),二氧化碳可以通過管道、船舶、鐵路、公路等多種方式進行運輸。在利用與封存環(huán)節(jié),可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品,如水泥、鋼鐵、化肥等,同時也可以將其封存于地下巖層中。國外規(guī)模化的典型項目主要集中在歐美地區(qū)。
    加拿大是全球最大的油砂生產(chǎn)國之一,油砂是一種非常規(guī)石油資源。加拿大政府在油砂領(lǐng)域?qū)嵤┝硕鄠CCUS項目,通過將捕集的二氧化碳注入油砂中,可以促進油砂的開采和生產(chǎn),同時可以提高石油采收率。例如 Suncor Energy(森科能源)公司的碳捕集和封存項目、Syncrude Canada(加拿大合成油)公司的低排放項目及Boundary Dam(邊界大壩)項目等。

    美國政府在煤炭行業(yè)實施了多個CCUS項目,其中之一是在懷俄明州運營的 Petra Nova(佩特拉諾瓦)項目。該項目實施地在得克薩斯州的西部牧場油田,由NRG能源公司和JX Nippon(新日本石油)合作進行,每年捕集純度為99%的二氧化碳160萬噸,通過管道輸送至西部牧場油田,用于提高石油采收率。

    澳大利亞政府在煤炭行業(yè)實施了多個CCUS項目。在昆士蘭州運營的Gorgon (高庚)項目,捕集液化天然氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳,并將其注入海底地下巖層中,以減少溫室氣體排放,每年可以儲存超過160萬噸的二氧化碳。
    歐洲北海地區(qū)是全球重要的石油和天然氣生產(chǎn)區(qū)域之一,實施了多個CCUS項目,例如在挪威運營的Snohvit項目,每年能夠捕集約70萬噸二氧化碳。
    我國也有很多典型CCUS示范項目。中國石化齊魯石化-勝利油田CCUS項目是我國首個百萬噸級CCUS項目,其將齊魯石化捕集的二氧化碳輸送至勝利油田注入地層驅(qū)油并封存,每年可減排二氧化碳100萬噸;華東油氣液碳公司與南化公司合作建設(shè)的CCUS示范基地,分4期建成每年35萬噸的二氧化碳捕集裝置。中國神華在煤炭開采和燃燒過程中實施了多個CCUS項目,在內(nèi)蒙古、新疆等地的多個礦區(qū)捕集并封存二氧化碳,減少溫室氣體排放,提高礦區(qū)的安全性。國家電投集團在上海、河北等地的多個發(fā)電廠實施了CCUS項目,減少了電力行業(yè)的溫室氣體排放。

    目前,我國CCUS技術(shù)體系正在逐步完善和豐富。在二氧化碳捕集方面,燃燒后化學(xué)吸收技術(shù)、燃燒前物理吸收技術(shù)等已完成工程示范并投入商業(yè)運行,正在研發(fā)基于新型吸收劑的化學(xué)吸收技術(shù)、化學(xué)吸附技術(shù)等。運輸方面,管輸規(guī)模已突破百萬噸,管輸壓力邁入超臨界范圍,管輸經(jīng)濟優(yōu)勢日漸明顯。二氧化碳利用方面,正在由強化石油開采向化工利用和生物利用拓展,逐步實現(xiàn)高附加值化學(xué)品合成、生物產(chǎn)品轉(zhuǎn)化等綠色利用方式。


    規(guī)模化發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)
    我國高度重視CCUS技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新,盡管目前我國CCUS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入成熟商業(yè)化運營階段,其規(guī)模化發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。
    一是技術(shù)成本高。目前最成熟的碳捕集技術(shù)是有機胺法,這種方法胺液和能源(蒸汽)消耗較大,每捕集1噸二氧化碳,需要消耗0.5~1公斤胺液和1.4噸蒸汽,成本較高。運輸方式主要有罐車運輸、管道運輸和船舶運輸,估算每百公里每噸碳的運輸成本在80~120元,如果考慮安全性和環(huán)境影響等因素,運輸成本還將進一步提高。二氧化碳封存可以分為陸地封存和海洋封存,陸地封存通常選擇地下深處的咸水層或枯竭油氣井,需要做大量的地質(zhì)勘探和工程設(shè)計工作,海洋封存選擇在海洋深處,需要進行海上施工和設(shè)備安裝,據(jù)估算,每噸二氧化碳的封存成本在50~100元,成本較高。
    二是技術(shù)成熟度不足。目前國際上二氧化碳捕集主要使用第一代技術(shù)——燃燒后捕集+化學(xué)吸收法,尚處于大規(guī)模示范和應(yīng)用階段。第二代和第三代技術(shù),如新型膜分離技術(shù)、新型吸收技術(shù)(離子液體法、相變吸收劑等)、新型吸附技術(shù)、增壓富氧燃燒技術(shù)、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)等均處于不同研發(fā)階段,技術(shù)尚未完全成熟。二氧化碳化學(xué)利用技術(shù)均處于示范階段,仍需進一步研究和優(yōu)化,才能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。以二氧化碳制備合成氣和甲醇為例,目前重點圍繞常規(guī)催化反應(yīng)法或電化學(xué)法,催化反應(yīng)法需要解決催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性等問題,電化學(xué)法需要解決能耗較高和電極材料的問題。二氧化碳驅(qū)油技術(shù)雖然相對較成熟,但是如何評價并篩選出適合注二氧化碳提高采收率的油藏、如何進一步提高二氧化碳驅(qū)油效率、在二氧化碳驅(qū)油的過程中如何防腐防竄等問題均需要進一步攻關(guān)。

    三是市場接受度不高。成本較高和技術(shù)成熟度不足導(dǎo)致了CCUS技術(shù)的市場接受度不高。CCUS技術(shù)成本主要包括設(shè)備投資、運營維護、二氧化碳捕集和運輸?shù)龋M用較高,使其在經(jīng)濟上不具備競爭力。尤其是在鋼鐵水泥和化工等排放源廣泛、排放量大的行業(yè)中,采用CCUS技術(shù)需要投入大量資金,很多企業(yè)現(xiàn)階段不愿主動行動。此外,對CCUS技術(shù)的支持力度不夠,缺乏相關(guān)政策和法規(guī)支持,在部分地區(qū)的應(yīng)用和發(fā)展受到限制。


    必須提高技術(shù)的經(jīng)濟性和可靠性
    針對這些問題,要通過技術(shù)創(chuàng)新和政策推動,提高碳捕集、利用與封存技術(shù)的經(jīng)濟性和可靠性,實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用和普及。
    在捕集技術(shù)方面,要通過研發(fā)更先進的二氧化碳捕集技術(shù),降低捕集成本、提高捕集效率,當前主要有三個發(fā)展方向。
    一是開發(fā)吸收能力強、能耗低、成本低的吸收劑。美國能源部(DOE)支持研究機構(gòu)開展了離子液體法捕集二氧化碳的研究,其中美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)也進行了離子液體法捕集二氧化碳的研究,成功開發(fā)出一種具有高吸收容量和快速反應(yīng)速度的離子液體吸收劑。中國科學(xué)院過程工程研究所、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、華東師范大學(xué)等單位也不斷加強離子液體法捕集研究。
    二是開發(fā)能耗低、操作簡單、成本低的膜分離技術(shù)。天津大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國石化南京化工研究院等單位均開展了膜分離二氧化碳捕集技術(shù)研究,其中,天津大學(xué)牽頭的“十三五”國家重點研發(fā)計劃“膜法捕集二氧化碳技術(shù)及工業(yè)示范”項目,形成了國際領(lǐng)先的膜法捕集二氧化碳完整技術(shù)鏈,并建成50000標準立方米/日膜分離碳捕集工業(yè)示范裝置。
    三是攻關(guān)具有吸附容量大、能耗低的吸附技術(shù)。目前化學(xué)吸附中試與工業(yè)試驗項目多使用氧化鈣、堿金屬碳酸鹽、固體胺類吸附材料實現(xiàn)二氧化碳的捕集與分離。此外,通過優(yōu)化工藝流程(如采用先進的蒸汽壓縮制冷技術(shù)、低溫冷卻技術(shù)等)、強化傳熱技術(shù)(提高換熱器的傳熱效率和熱力學(xué)效率,降低能耗和成本)、根據(jù)排放源特性設(shè)計匹配的碳捕集技術(shù)路線等方式,也可以實現(xiàn)捕集成本降低、效率提升。

    在輸送技術(shù)方面,要提高二氧化碳輸送效率、提高安全性、減少對環(huán)境的影響。在管道材料設(shè)計上,研發(fā)更高強度、耐腐蝕性和輕量化的材質(zhì),提高輸送效率和安全性;在輸送工藝和技術(shù)上,采用先進的流體動力學(xué)技術(shù)和新型的泵送設(shè)備等來提高輸送效率;在安全控制和監(jiān)測技術(shù)上,采用先進的傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)來實時監(jiān)測管道的運行狀態(tài)和泄漏情況;在新能源利用上,在管道沿線設(shè)置太陽能發(fā)電裝置,為輸送過程供應(yīng)部分電力。


    在利用技術(shù)方面,將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值碳基新材料是一個重要的方向,如將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳納米管、石墨烯等高附加值的碳基新材料,推動在鋰電池導(dǎo)電漿料、導(dǎo)電塑料、防腐涂料等產(chǎn)品的應(yīng)用。對已有的二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù),不斷研發(fā)新型催化劑也是未來發(fā)展的重要方向。
    在驅(qū)油技術(shù)方面,發(fā)展重點主要集中在提高采收率及經(jīng)濟效益。針對低滲透油藏埋深大、物性差、儲量品位低等特點,重點攻關(guān)降低最小混相壓力技術(shù),明確影響二氧化碳驅(qū)開發(fā)效果的主控因素,加強合理開發(fā)技術(shù)對策研究,最大程度地提高原油采收率。針對中高滲油藏長期注水后轉(zhuǎn)注二氧化碳開發(fā)中二氧化碳指進現(xiàn)象突出、腐蝕嚴重等問題,重點攻關(guān)高含水條件下二氧化碳與原油傳質(zhì)機理,泡沫復(fù)合驅(qū)技術(shù)、二氧化碳增稠技術(shù)和智能注采調(diào)整技術(shù),低成本防腐工藝,降低開發(fā)成本,不斷擴大二氧化碳驅(qū)應(yīng)用規(guī)模,打造CCUS產(chǎn)業(yè)化示范工程。
    在封存技術(shù)方面,應(yīng)將發(fā)展重點集中在提高封存效率和降低封存風(fēng)險。封存技術(shù)的選擇和應(yīng)用需要考慮不同的場景和需求,如地質(zhì)封存技術(shù)需要針對不同的地質(zhì)條件和環(huán)境因素,研究適合的地質(zhì)封存技術(shù),包括地下咸水層封存、枯竭油氣田封存等。同時,需要加強地質(zhì)封存技術(shù)的工程化應(yīng)用和示范,提高封存效率和降低封存風(fēng)險。化學(xué)封存技術(shù)需要加強包括催化劑的選擇和優(yōu)化、反應(yīng)機制的研究等。物理封存技術(shù)需要壓縮技術(shù)的優(yōu)化、儲存容器的設(shè)計和制造等。還需要加強二氧化碳捕集、利用與封存一體化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

    此外,政府應(yīng)加大對CCUS技術(shù)的支持力度,提高市場接受度。可通過提供財政補貼、稅收優(yōu)惠等政策措施,設(shè)立專門的政府基金,鼓勵對CCUS技術(shù)研發(fā)和示范項目的投資,同時引導(dǎo)金融機構(gòu)加大對CCUS產(chǎn)業(yè)的支持力度,鼓勵企業(yè)擴大對CCUS項目的投資;制定針對CCUS項目的稅收優(yōu)惠政策,例如,通過減免企業(yè)所得稅、增值稅減免等,降低CCUS項目的成本,鼓勵企業(yè)應(yīng)用;不斷建立完善CCUS標準體系,包括技術(shù)規(guī)范、設(shè)備檢測、封存場地標準等,提高CCUS技術(shù)的規(guī)范性和可操作性,推動CCUS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;進一步強化碳資產(chǎn)管理運營,建立完善的碳管理體系,通過加強碳交易、碳監(jiān)測和碳審計等相關(guān)工作,提高碳管理的科學(xué)化和規(guī)范化水平。


    文/陳 曦 王海妹,中石化碳產(chǎn)業(yè)科技股份有限公司,中國石化報

    來源:能源情報

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