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中國CCUS技術(shù)發(fā)展趨勢分析

作者:米劍鋒 馬曉芳等  來源:中國電機工程學(xué)報 
評論: 更新日期:2020年11月10日

:0引言

國際能源署(International Energy Agency,IEA) 在 2016 年報告中提出的解決全球氣候變化的主要 手段是:發(fā)展清潔能源(包括可再生能源和核能),提高能效(包括最終使用燃料和電力效率和最終使用燃料轉(zhuǎn)換)和碳捕集與封存(carbon capture and storage,CCS)。政府間氣候變化專門委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC ) 《決策者第五次評估報告摘要》指出,如果沒有CCS,絕大多數(shù)氣候模式運行都不能實現(xiàn)緩解氣候 變化的目標(biāo);重要的是,如果不采用CCS技術(shù),在2050年前實現(xiàn)0.45‰二氧化碳當(dāng)量的成本會增加138%。

我國在提高能效和發(fā)展清潔能源方面的進展已經(jīng)居于世界前列,政府在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能提高能效、控制非能源活動溫室氣體排放、增加碳匯等方面采取一系列行動,已取得了積極成效。2017年碳強度比2005年下降約46%,已經(jīng)提前完成了到2020年碳強度下降40%~45%的目標(biāo)。但作為經(jīng)濟高速發(fā)展的大國,以煤為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變,為完成到2030年中國在《巴黎協(xié)定》中承諾2030年碳強度下降60%~65%的目標(biāo),還需要持續(xù)開展煤炭的清潔高效利用、節(jié)能減排和堅持綠色和諧的可持續(xù)發(fā)展道路等各方面的工作才能實現(xiàn)。

CCS作為重要的減排技術(shù),是我國踐行低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要技術(shù)選擇,實現(xiàn)綠色發(fā)展至關(guān)重要。為在2030年排放達到頂峰后的去峰問題提早考慮技術(shù)支撐,需要進一步深化CCS在我國的研究和發(fā)展。由于CCS技術(shù)其前沿的技術(shù)體系和巨大的工程規(guī)模,需要花費巨額資本和運營成本,以及額外能耗,并且安全性以及大型示范項目的系統(tǒng)整 合都存在一定問題,結(jié)合我國國情,示范項目在CCS原有的3個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上增加了CO2利用的環(huán)節(jié),即碳捕集和封存利用(carbon capture,utilization and storage ,CCUS),主要的方式包括提高原油采 收率(enhanced oil recovery,EOR)、提高煤層氣采收率(enhanced coal bed methane recovery,ECBM)、食品級CO2精制以及其他工業(yè)利用方式。截至2017年底,全國已建成或運營的萬t級以上CCUS示范項目約13個,大規(guī)模全流程的集成項目有14個正在部署中。隨著CCUS在中國的應(yīng)用和發(fā)展, 與其相關(guān)的各種研究,如捕集技術(shù)優(yōu)化、項目環(huán)境監(jiān)測、風(fēng)險評估等也隨之開展。

本文針對CCUS的技術(shù)特點與其他減排技術(shù)進行了比較,介紹了 CCUS 的應(yīng)用范圍和情況,對我國CCUS項目的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行了分析,闡述了其面臨的經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境和政策等方面的問題和挑戰(zhàn),最后總結(jié)出CCUS在我國的發(fā)展前景。

1CCUS的技術(shù)特點和應(yīng)用

1.1CCUS的技術(shù)特點

CCUS在技術(shù)成熟的前提下有可能實現(xiàn)近零排放,是全球氣候解決方案的重要組成部分。CCUS在促進煤清潔利用方面具有重要作用,有可能對油氣、燃煤發(fā)電、煤化工等行業(yè)的優(yōu)化發(fā)展能起到明顯的推進作用,對世界能源供給也具有戰(zhàn)略意義。CCUS與其他二氧化碳減排技術(shù)的優(yōu)缺點比較如 表1所示。

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1.2 CCUS的應(yīng)用

CCUS上游的碳捕集方面,主要有3種技術(shù)路徑:1)燃燒前捕集,通過燃燒前將碳從燃料中脫除;2)燃燒后捕集,從燃燒生成的煙氣中分離二氧化碳;3)富氧燃燒,又稱氧氣、二氧化碳燃燒技術(shù)或空氣分離、煙氣再循環(huán)技術(shù)。其中燃燒前捕集技術(shù)只能用于新建發(fā)電廠,另兩種技術(shù)則可同時應(yīng)用于新建和已投產(chǎn)的發(fā)電廠、化工廠等。

CCUS技術(shù)的應(yīng)用主要有物理應(yīng)用、化工應(yīng)用和生物應(yīng)用等。物理應(yīng)用主要包括:在啤酒、碳酸飲料中的應(yīng)用;石油三采的驅(qū)油劑;焊接工藝中的惰性氣體保護焊;將液體、固體CO2的冷量用于食品蔬菜的冷藏、儲運;在果蔬的自然降氧、氣調(diào)保鮮劑,以及用于超臨界CO2萃取等行業(yè)中等?;瘜W(xué)應(yīng)用主要包括:無機和有機精細(xì)化學(xué)品、高分子 材料等的研究應(yīng)用上。如以CO2為原料合成尿素、生產(chǎn)輕質(zhì)納米級超細(xì)活性碳酸鹽;CO2催化加氫制 取甲醇;以 CO2為原料的一系列有機原料的合成;CO2與環(huán)氧化物共聚生產(chǎn)的高聚物;通過CO2轉(zhuǎn)化為CO,從而發(fā)展一系列羥基化碳一化學(xué)品等。

生物應(yīng)用主要以微藻固定CO2轉(zhuǎn)化為生物燃料和化學(xué)品,生物肥料、食品和飼料添加劑等。從表2可知,我國在CCUS全流程的各種技術(shù)路線都開展了示范工程,新建規(guī)模也在不斷擴大。根據(jù)麥肯錫的估算,在經(jīng)過初期的示范階段之后,CCUS產(chǎn)能規(guī)模每翻一番,成本將有望下降10%~20%。

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2我國 CCUS發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

2.1我國 CCUS 發(fā)展現(xiàn)狀

我國擁有巨大的潛在CCUS應(yīng)用市場。預(yù)計2030年一次能源生產(chǎn)總量達到43億t標(biāo)煤,二氧化碳排放量112億t,達到排放峰值。封存和應(yīng)用方面,以EOR為例,全國約130億t原油地質(zhì)儲量適合使用EOR,可提高原油采收率15%,預(yù)計可增加采儲量 19.2億t,同時封存二氧化碳約47~55億t。截至2017年底,全國已建成或運營的萬t級以上CCUS示范項目有13個,如表3所示。

大規(guī)模全流程的集成示范準(zhǔn)備項目有14個,均處于不同階段準(zhǔn)備過程中,規(guī)模大多在 100萬t以上。吉林油田EOR項目的管道和驅(qū)油工程實際上已經(jīng)完成50萬t/年的建設(shè),正等待外部CO2的供給;勝利油田EOR在2013年就完成了百萬噸級項目的預(yù)可研,部分工程已經(jīng)完成可行性研究;延長集團EOR項目,正在進行37萬t項目的建設(shè)和100萬t項目的預(yù)研,如表4所示。

2.2 我國 CCUS 發(fā)展趨勢和目標(biāo)

CCUS作為一項有望實現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的技術(shù),是我國未來減少CO2排放、保障能源安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。隨著示范項目范圍擴大,未來有望建成低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)集群,為化石能源低碳利用提供技術(shù)選擇,為應(yīng)對氣候變化提供有效的技術(shù)保障,為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。根據(jù)中國21世紀(jì)議程管理中心資料,整理后的CCUS技術(shù)在我國發(fā)展趨勢和目標(biāo)如表5所示。

3發(fā)展CCUS面臨的挑戰(zhàn)

目前我國在提高能效和發(fā)展清潔能源方面的進展已經(jīng)居于世界前列,但在CCUS技術(shù)上,總體還處于研發(fā)和示范的初級階段。由于CCUS技術(shù)是發(fā)展中并不斷完善的技術(shù),還存在著經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境和政策等方面的困難和問題,要實現(xiàn)規(guī)?;l(fā) 展還存在很多阻力和挑戰(zhàn)。

3.1經(jīng)濟方面的挑戰(zhàn)

發(fā)展CCUS面臨的最大挑戰(zhàn)是示范項目的成本相對過高?,F(xiàn)有技術(shù)條件下,安裝碳捕集裝置,將產(chǎn)生額外的資本投入和運行維護成本等,以火電廠安裝為例,將額外增加140~600元/t的運行成本,直接導(dǎo)致發(fā)電成本大幅增加。如華能集團上海石洞口捕集示范項目,在項目運行時的發(fā)電成本從每千瓦時0.26元提高到0.5元。CCUS項目的重要貢獻在于減少碳排放,但企業(yè)在投資巨額費用后,卻無法實現(xiàn)減排收益,這嚴(yán)重影響著企業(yè)開展CCUS示范項目的積極性。除此之外,CO2目前輸送主要以罐車為主,運輸成本高,而CO2管網(wǎng)建設(shè)投入高、風(fēng)險大,這也影響著CCUS技術(shù)的推廣。

3.2 技術(shù)方面的挑戰(zhàn)

目前,我國CCUS全流程各類技術(shù)路線都分別開展了實驗示范項目,但整體仍處于研發(fā)和實驗階段,而且項目及范圍都太小。雖然新建項目和規(guī)模都在增加,但還缺少全流程一體、更大規(guī)模的可復(fù)制的經(jīng)濟效益明顯的集成示范項目。另外,受現(xiàn)有的CCUS技術(shù)水平的制約,在部署時將使一次能耗增加10%~20%甚至更多,效率損失很大,這嚴(yán)重阻礙著CCUS技術(shù)的推廣和應(yīng)用。要迅速改變這種狀況就需要更多的資金投入。

3.3 環(huán)境方面的挑戰(zhàn)

CCUS捕集的是高濃度和高壓下的液態(tài)CO2,如果在運輸、注入和封存過程中發(fā)生泄漏,將對事故附近的生態(tài)環(huán)境造成影響,嚴(yán)重時甚至危害到人身安全。特別是CCUS的地質(zhì)復(fù)雜性帶來的環(huán)境影 響和環(huán)境風(fēng)險的不確定性,嚴(yán)重地制約著政府和公眾對CCUS的認(rèn)知和接受程度。這需要針對CCUS項目在環(huán)境監(jiān)測、風(fēng)險防控的過程中考慮全流程、全階段來制定切實有效的方案。

3.4 政策方面的挑戰(zhàn)

目前,我國針對CCUS示范項目的全流程各個環(huán)節(jié)均有相關(guān)法律法規(guī)可供參考,但尚無針對性的專項法律法規(guī),這導(dǎo)致企業(yè)開展CCUS示范項目的積極性不高。從現(xiàn)有政策來看,國家對于發(fā)展CCUS持鼓勵態(tài)度,主要以宏觀的引導(dǎo)和鼓勵為主,并沒有針對CCUS發(fā)展有具體財稅支持。在示范項目的選址、建設(shè)、運營和地質(zhì)利用與封存場地關(guān)閉及關(guān)閉后的環(huán)境風(fēng)險評估、監(jiān)控等方面同樣缺乏相關(guān)的法律法規(guī)。

4討論

整體來看,CCUS減排潛力大,可能實現(xiàn)零排放甚至負(fù)排放,其通過EOR、ECBM等 CO2利用方式促進其他相關(guān)行業(yè)發(fā)展,作為一種發(fā)展中的很有前途的新技術(shù),CO2 的工業(yè)利用也極具前景。但受制于經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境和政策等方面存在著一些短時間難以解決的問題,結(jié)合我國國情,大規(guī)?;l(fā)展CCUS項目的時機還不成熟。建議政府層面制定CCUS發(fā)展規(guī)劃,探索有利于發(fā)展CCUS的財政政策,激勵企業(yè)開展全流程的集成示范項目;科研層面增加相關(guān)應(yīng)用技術(shù)以及配套技術(shù)的研究資金 投入;企業(yè)層面一方面深化與歐美發(fā)達國家的合作交流,獲取國際上的資金支持,另一方面對國外先進示范項目進行調(diào)研和梳理,對國內(nèi)示范項目進行及時的總結(jié)和完善,積累全產(chǎn)業(yè)鏈的工程經(jīng)驗和技術(shù)數(shù)據(jù),為我國CCUS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。

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