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全球 CCUS 技术和应用现状分析

发布日期:2021/7/7


      随着全球工业化进程的加快,二氧化碳的大量排放导致气候变暖。如何有效解决碳排放问题已成为全球的研究热点,二氧化碳捕集封存( Carbon Capture Utilization and Storage,CCUS) 技术的应用可有效改善碳排放问题。目前,全球许多国家和地区已建有不同规模的 CCUS 项目,对 CCUS 技术和项目进行了系统总结。分析结果表明,CCUS 项目在解决碳排放问题上有着较好的工业前景。


     1引言


      碳减排不仅关乎国家政策的规划承诺,更与我们赖以生存的地球环境息息相关。早在20世纪70年代,国外就已经开始对碳捕集进行相关研究。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change,联合国政府间气候变化专门委员会) 关于全球变暖1.5℃的特别报告指出,CCUS ( Carbon CaptureUtilization and Storage,二氧化碳捕集封存)技术可有效改善全球气候的变化,并且明确指出CCUS 技术对于实现2050年碳零排放意义重大。2019年,二十国集团 ( G20) 能源与环境部长级会议首次将CCUS 技术纳入议题。


      国外科研工作者对碳捕集已经开展大量的研究,Lee等通过固体吸收剂捕获二氧化碳(CO2),以减少来自不同燃烧过程源的 CO2排放,所用的吸附剂通过加热或减压的方式回收利用,作为捕获CO2成熟的技术,分离效率可达到90%。Dutcher等通过胺基技术捕集 CO2,由于反应的高度可逆性,可有效应用于工程项目。


      我国对 CCUS 技术的研究起步较晚,自2006年开始才陆续出台关于 CCUS 技术的政策。“十一五”期间每年平均出台3项政策,“十二五”期间平均每年出台 3 ~ 4 项政策。《中国应对气候变化国家方案》《中国应对气候变化科技专项行动》《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书等都将CCUS技术作为重点研究的技术之一。《“十三五” 控制温室气体排放工作方案》提出,到2020年单位国内生产总值 CO2排放比 2015 年下降 18%,碳排放总量得到有效控制。2015 年,巴黎气候大会上,中国承诺将于2030年左右使CO2排放达到峰值并争取尽早实现,2030 年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60% ~ 65%,非化石能源占一次能源消费比重达到 20%左右。


       现代工业生产中 CO2的排放源很多,如水泥、钢铁、电力、 煤化工及炼化厂等都是 CO2排放大户。针对CO2排放问题,各个行业均进行了CO2的捕集、利用和封存方面的研究探索,每个行业又根据自身行业特点,形成了多种CO2捕集、利用和封存的技术方法。


     2 CCUS技术概述


     2.1 碳捕集技术


     CO2捕集的方法按照对燃料、氧化剂和燃烧产物采用的措施,可以分为燃烧前捕集、纯氧燃烧和燃烧后捕集3种,如图1所示。



      燃烧前捕集是相对成本较低、效率较高的一种方法。此方法将化石燃料气化成合成气(主要成分为H2和CO),然后通过变换反应将CO转化为CO2,再通过溶剂吸收等方法将H2和CO2分离开对CO2进行收集。但此技术局限于基于煤气化联合发电装置(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC),因此以此技术投产的项目较少,燃烧前捕集CO2的成本大约为20美元/t CO2,尚需要更多的项目来进行验证。


       富氧燃烧技术采用纯氧或者富氧将化石燃料进行燃烧,燃烧后的主要产物为CO2、水和一些惰性组分。水蒸气冷凝后,通过低温闪蒸提纯CO2,提纯后的CO2浓度可达80%~98 vol%,提高了CO2捕集率。


      由于燃烧前捕集合富氧燃烧需要合适的材料和操作环境来满足高温要求,因此这两种技术的研究与开发和示范性项目较少。相比较而言,燃烧后捕集技术是当前炼厂应用较为广泛且成熟的就,该技术具有较高的选择性和捕集率。常用的方法如化学吸收法、膜分离法、物理吸附法等。化学吸附法被认为是当前最有市场前景的吸附方法,在化学吸附中,胺类溶液以其吸收效果好的特点被广泛应用。以当前的技术,燃烧后捕集CO2的成本大约是40美元/t CO2。


     2.2 碳利用和封存技术


     从国内外项目经验看,地下封存、驱油和食品级利用,是当前较为主流的方向。图2展示了主要的碳利用和封存技术。



     2.2.1 碳利用


     CCUS—EOR(Enhanced oil recovery,强化采油)技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来,有较好的收益,如图3所示,该技术通过把捕集来的CO2注入到油田中,使即将枯竭的油田再次采出石油的同时,也将CO2永久地贮存在地下。CO2驱油的主要原理是降低原油粘度、增加原油内能,从而提高原油流动性并增加油层压力。CO2制化肥和食品级CO2商业利用也是目前较成熟的碳利用项目。



      国外近年来碳利用有很多新兴的利用方向,如荷兰和日本均有较大规模的将工业产生的CO2送到园林,作为温室气体来强化植物生长的项目。包括温室气体利用技术在内,国外处于示范项目阶段碳利用技术有CO2制化肥、油田驱油、食品级应用等;正处于发展阶段的有CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2加氢制甲醇、海藻培育、动力循环等;尚处于理论研究阶段的方向有CO2制碳纤维和乙酸等。


      国内新兴的碳利用方向主要有CO2加氢制甲醇、CO2加氢制异构烷烃、CO2加氢制芳烃、CO2甲烷化重整等,如山西煤化所、大连化物所、中科院上海研究院、大连理工大学等,对这些技术进行了研究,但大多都处在催化剂研究的理论研究阶段或中试阶段。


     2.2.2 碳封存


     CO2捕集后,可以通过泵送到地下、海底长期储存,或直接通过强化自然生物学作用把CO2储存在植物、土地和地下沉积物中。当前的碳封存技术主要分为以下2种:


     第一种是将CO2高压液化注入海洋底。基于CO2的理化性质,在海平面2.5km以下,CO2主要以液态的形式存在。由于密度大于海水密度,将这一区域作为海洋碳封存的安全区域,如图4(a)所示。


     第二种是将CO2进行地质封存。在地下0.8~1.0km这一高度区域内,超临界状态的CO2具有流体性质。基于CO2的理化性质改变,可实现地质碳封存,如图4(b)所示。



     3 CCUS项目主要进展


     3.1 国外CCUS项目进展


       为应对全球气候变化,国外很早就展开了CO2捕集项目的相关研究。表1将国际大型CCS/CCUS项目做了总结。



      国外最早报道的大型CCUS项目是1972年美国建成的Terrell项目,CO2捕集能力达40万~50万t/a;随后,美国俄克拉荷马州Enid项目于1982年建成,通过化肥厂产生的CO2进行油田驱油,CO2捕集能力达70万t/a。1/3国土面积在北极圈内的挪威,也是最先开展CO2捕集项目研究的国家之一,1996年,挪威Sleipner项目的建成是世界上首个将CO2注入到地下(盐水层)的项目,年封存CO2量近百万吨。


      进入本世纪以来,由于个工业化步伐的加快以及全球变暖趋势的加剧,CO2捕集项目受到越来越多国家的重视。美国、加拿大、澳大利亚、日本及阿联酋等国家加速推进CO2捕集项目的工业化。


      2000年,美国与加拿大合作,在Weyburn油田注入Great Plain Sysfuels Plant和SaskPower电厂的CO2,提高濒临枯竭油田采油率的同时,累计封存CO2达2600多万t。


      2014年,加拿大SaskPower公司的Boundary Dam Power项目成为全球第一个成功应用于发电厂CO2捕集项目。该项目将150MW燃煤发电机产生的CO2捕集后,一部分封存地下,一部分用于美国Weyburn油田驱油,CO2捕集能力达100万t/a。2019年全年,该项目捕集CO2达61.6万t。


      2015年,加拿大Quest项目将合成原油制氢过程中产生的CO2成功注入咸水层封存,每年CO2捕集能力达100万t/a。该项目是油砂行业第一个CCS项目,每年减少碳排放可达100万t。截止到2019年,Quest项目已经累计捕集CO2达400万t,以更低的成本提前完成预定目标。目前,Quest项目是全球最大捕集CO2并成功注入到地下的项目。


      2016年,澳大利亚西部的Gorgon项目是全球最大的单体LNG项目Gorgon天然气项目的配套,该项目通过液化技术将CO2从天然气中分离出来,将分离出来的CO2注入到巴罗岛的盐水层中,注入量可达350万t/a。


     3.2 国内已建/在建的CCUS项目进展


      随着工业化进程的加快,国内也开启了CO2捕集项目的研究。相比国外,中国的CCUS项目起步较晚,且尚无百万吨级规模的捕集项目。目前,国内以捕集量为10万t级规模的项目为主。国内CCS/CCUS项目如表2所示。


     2007年,中国石油吉林油田和中石化华东分公司草舍油田开启了国内CO2捕集项目的新篇章。经过长期实践,中国石油吉林油田于2007年首先实现CCUS—EOR技术的工业化,建立五类CO2驱油与埋存示范区,年埋存CO2能力可达35万t;同年,中石化华东分公司草舍油田建成了CO2年注入量4万t的先导试验项目,后期建成了CO2回收装置,年处理量可达2万t。


     随后,基于日趋成熟的CO2捕集技术,中石化胜利油田、中国神华、延长石油及中石化中原油田加速推进CO2捕集项目的工业化。


     2010年,中石化胜利油田建成了国内首个燃煤电厂的CCUS示范项目,以燃煤电厂烟气CO2为源头,采用燃烧-捕集技术,将捕集的CO2注入到油田中进行驱油,CO2捕集能力达3万~4万t/a;2011年,神华鄂尔多斯10万t/a的CCS示范项目落成,采用甲醇吸收法捕集煤气化制氢项目尾气中的CO2,后向盐水层中注入CO2,该项目是国内第一个盐水层地质封存实验项目;2012年,延长石油建成了5万t/a的CO2捕集利用项目,该项目利用煤化工产生的CO2,经过低温甲醇洗技术提纯加压液化后注入油田中,降低了原油粘度,提高了原油采收率并实现了CO2永久封存;2015年,中石化中原油田炼厂尾气CCUS项目建成,项目将已经接近废弃的油田,通过CO2驱油将油田采出率提高15%,目前已有百万吨CO2注入到地下。


     除了传统CO2捕集技术,国内还开展了CO2新型再利用技术,应用于食品、精细化工等行业。


     2009年,上海石洞口第二电厂碳捕集项目建成,捕集规模为10万t/a,捕集后的CO2主要用于食品行业;2011年,经连云港清洁煤能源动力系统研究,将IGCC产生的CO2捕集后一部分用于尿素和纯碱工业,一部分注入到盐水层进行封存;2012年,天津北塘国电集团CO2捕集示范项目采用燃烧后捕集技术,年捕集量为2万t,捕集后的CO2用于食品行业。


     此外,微藻固碳技术世界范围内仍处于发展阶段,2010年,新奥集团在内蒙古达拉特旗利用微藻固碳技术,将煤制甲醇/二甲醚装置的尾气吸收后,一部分用作生物柴油,一部分用作生产私聊,处理量达2万t/a。


     除已建项目,国内将加速建设CO2捕集项目,如齐鲁石化在建CCUS-EOR项目(2020年),CO2捕集能力4万t/a。在一些双边协议中,中美将在中国开展一些大型CCUS项目,如中美气候变化合作延长石油CCUS示范项目等。


     4 结论与展望


     工业是现代社会的基础,也是经济发展的源泉,在带来了经济效益和工作机会的同时,也带来了许多问题。工业消耗了全球1/3的能源,却产生了全球1/3的温室气体。在实现近零排放目标和实现全球温控1.5℃路线图的进程中,CCUS技术将起到至关重要的作用。IEA预估利用CCUS技术,从2017年到2060年可以减少280亿t的CO2排放。


     下一代碳捕集技术将会在材料创新、工艺或设备的改进上取得突破,这些新进展将使得投资运营成本降低的同时提高捕集效率。如Ion Engineering公司的非水溶剂、MTR公司的膜分离体系、三菱重工的KS-21溶剂、Lind-BASF的贫富溶剂吸收再生循环技术等,都已经在FEED(Front and End Engineering Desing,前端工程设计)工程设计项目中进行了实践。随着工业的进步,下一代捕集技术将助推CCUS技术的进步和发展。


     未来几十年,对于应对全球气候变暖,碳利用将起到重要作用。纵观国内外成熟的工程项目,地下封存、驱油和食品级利用是当前较主流的方向。其中,驱油技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来,有较好的收益,有较好的应用前景。而未来,与氢能利用相结合的CCUS项目将会越来越多。


      目前全球98%的氢能来自不可再生化石能源,与CCUS技术相结合的气体重整(主要是甲烷蒸汽重整)和煤气化技术相结合可以实现生产低碳氢能的目标。欧盟和一些国家已经直接将CCUS作为一个关键就来实现这一目标,美国、荷兰、日本、澳大利亚、新西兰以及中国也都在氢能政策中提到了CCUS的重要性。



来源:现代化工  作者:赵志强 张贺 焦畅 王秋枫 林贤莉

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