您现在的位置:技术装备 > 技术装备技术装备
CCUS技术发展的方向及挑战
点击次数:577次 更新时间:2024/4/9 【关闭】


在“双碳”背景下,我国CCUS(二氧化碳捕集、利用与封存)技术迅速发展,但现阶段仍面临多方面挑战,距离大规模商业化运行仍有一定的距离。为了推动CCUS技术的发展和应用,有必要搭建CCUS全产业链技术研发平台,加快CCUS技术各环节低成本、低能耗关键技术研发,超前部署前沿和颠覆性CCUS技术验证,提高技术成熟度和市场竞争力,以实现其广泛应用和可持续发展。


我国CCUS技术体系正在完善和丰富
CCUS是将二氧化碳从工业生产、能源利用或大气中分离出来,加以利用或注入地层以实现永久减排的过程。它是实现碳减排的重要途径,也是保障我国能源安全和推动经济协同发展的重要手段,同时有利于促进我国可持续发展和生态文明建设。
目前,CCUS 技术在全球范围内得到了广泛应用。在捕集环节,主要有燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧和化学链燃烧技术。在运输环节,二氧化碳可以通过管道、船舶、铁路、公路等多种方式进行运输。在利用与封存环节,可以将二氧化碳转化为高附加值产品,如水泥、钢铁、化肥等,同时也可以将其封存于地下岩层中。国外规模化的典型项目主要集中在欧美地区。
加拿大是全球最大的油砂生产国之一,油砂是一种非常规石油资源。加拿大政府在油砂领域实施了多个CCUS项目,通过将捕集的二氧化碳注入油砂中,可以促进油砂的开采和生产,同时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项目、Syncrude Canada(加拿大合成油)公司的低排放项目及Boundary Dam(边界大坝)项目等。

美国政府在煤炭行业实施了多个CCUS项目,其中之一是在怀俄明州运营的 Petra Nova(佩特拉诺瓦)项目。该项目实施地在得克萨斯州的西部牧场油田,由NRG能源公司和JX Nippon(新日本石油)合作进行,每年捕集纯度为99%的二氧化碳160万吨,通过管道输送至西部牧场油田,用于提高石油采收率。

澳大利亚政府在煤炭行业实施了多个CCUS项目。在昆士兰州运营的Gorgon (高庚)项目,捕集液化天然气生产过程中产生的二氧化碳,并将其注入海底地下岩层中,以减少温室气体排放,每年可以储存超过160万吨的二氧化碳。
欧洲北海地区是全球重要的石油和天然气生产区域之一,实施了多个CCUS项目,例如在挪威运营的Snohvit项目,每年能够捕集约70万吨二氧化碳。
我国也有很多典型CCUS示范项目。中国石化齐鲁石化-胜利油田CCUS项目是我国首个百万吨级CCUS项目,其将齐鲁石化捕集的二氧化碳输送至胜利油田注入地层驱油并封存,每年可减排二氧化碳100万吨;华东油气液碳公司与南化公司合作建设的CCUS示范基地,分4期建成每年35万吨的二氧化碳捕集装置。中国神华在煤炭开采和燃烧过程中实施了多个CCUS项目,在内蒙古、新疆等地的多个矿区捕集并封存二氧化碳,减少温室气体排放,提高矿区的安全性。国家电投集团在上海、河北等地的多个发电厂实施了CCUS项目,减少了电力行业的温室气体排放。

目前,我国CCUS技术体系正在逐步完善和丰富。在二氧化碳捕集方面,燃烧后化学吸收技术、燃烧前物理吸收技术等已完成工程示范并投入商业运行,正在研发基于新型吸收剂的化学吸收技术、化学吸附技术等。运输方面,管输规模已突破百万吨,管输压力迈入超临界范围,管输经济优势日渐明显。二氧化碳利用方面,正在由强化石油开采向化工利用和生物利用拓展,逐步实现高附加值化学品合成、生物产品转化等绿色利用方式。


规模化发展仍面临挑战
我国高度重视CCUS技术攻关和创新,尽管目前我国CCUS产业已经进入成熟商业化运营阶段,其规模化发展仍面临挑战。
一是技术成本高。目前最成熟的碳捕集技术是有机胺法,这种方法胺液和能源(蒸汽)消耗较大,每捕集1吨二氧化碳,需要消耗0.5~1公斤胺液和1.4吨蒸汽,成本较高。运输方式主要有罐车运输、管道运输和船舶运输,估算每百公里每吨碳的运输成本在80~120元,如果考虑安全性和环境影响等因素,运输成本还将进一步提高。二氧化碳封存可以分为陆地封存和海洋封存,陆地封存通常选择地下深处的咸水层或枯竭油气井,需要做大量的地质勘探和工程设计工作,海洋封存选择在海洋深处,需要进行海上施工和设备安装,据估算,每吨二氧化碳的封存成本在50~100元,成本较高。
二是技术成熟度不足。目前国际上二氧化碳捕集主要使用第一代技术——燃烧后捕集+化学吸收法,尚处于大规模示范和应用阶段。第二代和第三代技术,如新型膜分离技术、新型吸收技术(离子液体法、相变吸收剂等)、新型吸附技术、增压富氧燃烧技术、化学链燃烧技术等均处于不同研发阶段,技术尚未完全成熟。二氧化碳化学利用技术均处于示范阶段,仍需进一步研究和优化,才能实现大规模工业化应用。以二氧化碳制备合成气和甲醇为例,目前重点围绕常规催化反应法或电化学法,催化反应法需要解决催化剂的活性、选择性和稳定性等问题,电化学法需要解决能耗较高和电极材料的问题。二氧化碳驱油技术虽然相对较成熟,但是如何评价并筛选出适合注二氧化碳提高采收率的油藏、如何进一步提高二氧化碳驱油效率、在二氧化碳驱油的过程中如何防腐防窜等问题均需要进一步攻关。

三是市场接受度不高。成本较高和技术成熟度不足导致了CCUS技术的市场接受度不高。CCUS技术成本主要包括设备投资、运营维护、二氧化碳捕集和运输等,费用较高,使其在经济上不具备竞争力。尤其是在钢铁水泥和化工等排放源广泛、排放量大的行业中,采用CCUS技术需要投入大量资金,很多企业现阶段不愿主动行动。此外,对CCUS技术的支持力度不够,缺乏相关政策和法规支持,在部分地区的应用和发展受到限制。


必须提高技术的经济性和可靠性
针对这些问题,要通过技术创新和政策推动,提高碳捕集、利用与封存技术的经济性和可靠性,实现大规模应用和普及。
在捕集技术方面,要通过研发更先进的二氧化碳捕集技术,降低捕集成本、提高捕集效率,当前主要有三个发展方向。
一是开发吸收能力强、能耗低、成本低的吸收剂。美国能源部(DOE)支持研究机构开展了离子液体法捕集二氧化碳的研究,其中美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)也进行了离子液体法捕集二氧化碳的研究,成功开发出一种具有高吸收容量和快速反应速度的离子液体吸收剂。中国科学院过程工程研究所、中国科学院理化技术研究所、华东师范大学等单位也不断加强离子液体法捕集研究。
二是开发能耗低、操作简单、成本低的膜分离技术。天津大学、中国科学院大连化学物理研究所、中国石化南京化工研究院等单位均开展了膜分离二氧化碳捕集技术研究,其中,天津大学牵头的“十三五”国家重点研发计划“膜法捕集二氧化碳技术及工业示范”项目,形成了国际领先的膜法捕集二氧化碳完整技术链,并建成50000标准立方米/日膜分离碳捕集工业示范装置。
三是攻关具有吸附容量大、能耗低的吸附技术。目前化学吸附中试与工业试验项目多使用氧化钙、碱金属碳酸盐、固体胺类吸附材料实现二氧化碳的捕集与分离。此外,通过优化工艺流程(如采用先进的蒸汽压缩制冷技术、低温冷却技术等)、强化传热技术(提高换热器的传热效率和热力学效率,降低能耗和成本)、根据排放源特性设计匹配的碳捕集技术路线等方式,也可以实现捕集成本降低、效率提升。

在输送技术方面,要提高二氧化碳输送效率、提高安全性、减少对环境的影响。在管道材料设计上,研发更高强度、耐腐蚀性和轻量化的材质,提高输送效率和安全性;在输送工艺和技术上,采用先进的流体动力学技术和新型的泵送设备等来提高输送效率;在安全控制和监测技术上,采用先进的传感器和监控系统来实时监测管道的运行状态和泄漏情况;在新能源利用上,在管道沿线设置太阳能发电装置,为输送过程供应部分电力。


在利用技术方面,将二氧化碳转化为高附加值碳基新材料是一个重要的方向,如将二氧化碳转化为碳纳米管、石墨烯等高附加值的碳基新材料,推动在锂电池导电浆料、导电塑料、防腐涂料等产品的应用。对已有的二氧化碳转化技术,不断研发新型催化剂也是未来发展的重要方向。
在驱油技术方面,发展重点主要集中在提高采收率及经济效益。针对低渗透油藏埋深大、物性差、储量品位低等特点,重点攻关降低最小混相压力技术,明确影响二氧化碳驱开发效果的主控因素,加强合理开发技术对策研究,最大程度地提高原油采收率。针对中高渗油藏长期注水后转注二氧化碳开发中二氧化碳指进现象突出、腐蚀严重等问题,重点攻关高含水条件下二氧化碳与原油传质机理,泡沫复合驱技术、二氧化碳增稠技术和智能注采调整技术,低成本防腐工艺,降低开发成本,不断扩大二氧化碳驱应用规模,打造CCUS产业化示范工程。
在封存技术方面,应将发展重点集中在提高封存效率和降低封存风险。封存技术的选择和应用需要考虑不同的场景和需求,如地质封存技术需要针对不同的地质条件和环境因素,研究适合的地质封存技术,包括地下咸水层封存、枯竭油气田封存等。同时,需要加强地质封存技术的工程化应用和示范,提高封存效率和降低封存风险。化学封存技术需要加强包括催化剂的选择和优化、反应机制的研究等。物理封存技术需要压缩技术的优化、储存容器的设计和制造等。还需要加强二氧化碳捕集、利用与封存一体化技术的研发和应用。

此外,政府应加大对CCUS技术的支持力度,提高市场接受度。可通过提供财政补贴、税收优惠等政策措施,设立专门的政府基金,鼓励对CCUS技术研发和示范项目的投资,同时引导金融机构加大对CCUS产业的支持力度,鼓励企业扩大对CCUS项目的投资;制定针对CCUS项目的税收优惠政策,例如,通过减免企业所得税、增值税减免等,降低CCUS项目的成本,鼓励企业应用;不断建立完善CCUS标准体系,包括技术规范、设备检测、封存场地标准等,提高CCUS技术的规范性和可操作性,推动CCUS产业的发展;进一步强化碳资产管理运营,建立完善的碳管理体系,通过加强碳交易、碳监测和碳审计等相关工作,提高碳管理的科学化和规范化水平。


文/陈 曦 王海妹,中石化碳产业科技股份有限公司,中国石化报

来源:能源情报