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  • CCUS(碳捕集、利用与封存技术)

    目录

    CCUS碳捕集利用与封存技术是什么

    二氧化碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)是在二氧化碳排放前对它捕捉,并将二氧化碳从排放源如工业过程、能源利用或大气中分离出来,然后通过管道或船舶运输到新的生产过程进行提纯、循环再利用,或输送到封存地进行压缩注入到地下并使其发挥有效作用的过程,达到彻底减排和二氧化碳资源化利用的目的。

    CCUS发展历程

    在CCUS技术之前,更多探讨的是CCS技术。CCS全称为二氧化碳捕获与封存,其雏形是20世纪70年代在美国兴起的用二氧化碳驱油以提高石油采收率的技术。CCS拥有三个关键环节,分别是对二氧化碳进行捕集、运输和地质封存。CCUS全称为二氧化碳的捕获、使用与埋存,在CCS基础上增加了二氧化碳利用的环节,是中国结合本国实际提出的概念,目前主要的利用方式包括二氧化碳强化采油,化学品生产以及作为饲料添加剂等工业利用方式CCUS与CCS技术理念相同,CCS是CCUS的基础,CCUS是CCS的更高阶技术形态,目前,CCUS的概念己经在世界范围内被广泛接受。

    自2006年以来,在CCS技术中填入利用模块就引起了中国政府的特别关注,2009年提出了CCUS的概念。2011年左右,许多政府计划,技术会议和研宄计划都开始采用CCUS作为碳捕获系列技术的缩写,而不再仅是CCS。2011 年科技部社会发展科技司和中国 21 世纪议程管理中心发布《中国碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展路线图研究》,明确了中国发展 CCUS 的愿景:为应对气候变化提供技术可行和经济可承受的技术选择。针对捕集、运输、利用、

    封存以及全系统分别提出了开展研发和示范的规模、技术和成本等阶段性目标。在2012年5月举行的第11届碳捕集,利用和封存年度会议上,可以观察到从CCS到CCUS尝试构架转换的实施过程。碳捕获埋存技术中普遍存在的“利用”,从根本上改变了这套技术的性质和目的。Danielle Endres等人研究了科学和工程专业人士交流过程中从碳捕获与埋存(CCS)到碳捕获使用和埋存(CCUS)逐渐转变的响应,明确了2012年会议从CCS过渡到CCUS,对技术部门的持续实践以及气候变化背景下的能源政策都具有重要意义,2019 年科技部更新了 CCUS 技术发展路线图,总体愿景是构建低成本、低能耗、安全可靠的 CCUS 技术体系和产业集群,为化石能源低碳化利用提供技术选择,为应对气候变化提供技术保障,为经济社会可持续发展提供技术支撑。

    CCUS的定位

    CCUS是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择

    CCUS是碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段。

    CCUS是钢铁水泥等难以减排行业低碳转型的可行技术选择

    CCUS与新能源耦合的负排放技术是实现碳中和目标的重要技术保障

    CCUS全过程

    根据《2021年环保行业负排放及CCUS技术发展趋势分析报告》,CCUS包括

    捕集:将化工、电力、钢铁、水泥等行业利用化石能源过程中产生的二氧化碳进行分离和富集的过程;可分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集

    运输:将捕集的二氧化碳运送到利用或封存地的过程,包括陆地或海底管道、船舶、铁路和公路等输送方式

    利用与封存:利用即通过工程技术手段,实现资源化利用。比如将二氧化碳注入地下,进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程,比如提高石油、天然气的开采率。封存即将收集到的二氧化碳注入深部地质储层,实现二氧化碳与大气长期隔绝的过程。如陆地封存或海洋封存等方式。

    CCUS

    CCUS利用与封存方式

    地质利用:将二氧化碳注入地下,生产或强化能源、资源开采的过程,主要用于提高石油、地热、地层深部咸水、铀矿等资源采收率

    化工利用:以化学转化为主要手段,将二氧化碳和共反应物转化成目标产物,实现二氧化碳资源化利用的过程,不包括传统利用二氧化碳生成产品、产品在使用过程中重新释放二氧化碳的化学工业,例如尿素生产等

    生物利用:以生物转化为主要手段,将二氧化碳用于生物质合成,主要产品有食品和饲料、生物肥料、化学品与生物燃料和气肥等

    地质封存:通过工程技术手段将捕集的二氧化碳储存于地质构造中,实现与大气长期隔绝的过程。主要划分为陆上咸水层封存、海底咸水层封存、枯竭油气田封存等

    CCUS捕集方式

    (1)燃烧后捕集:优势是技术成熟,很容易对现有电厂进行改造;缺点是低度CO2会影响捕集效率;主要应用在燃煤或燃气发电厂

    (2)燃烧前捕集:优势是高浓度CO2会提高吸附效率,技术发展完善,可以在部分工业实现所需规模的商业应用,有改造现有电厂的可能性;劣势是当前需要考虑的问题还有很多,如温度相关的传热问题,与使用富氢燃气轮机燃料相关的效率衰减问题;吸附剂再生的高寄生功率;由于市场上运行的煤炭气化厂少而导致的经验不足问题;现有吸附系统的高投资和运行成本;主要应用在煤炭气化厂

    (3)富氧燃烧捕集:优势是非常高的CO2浓度可以提高吸收效率;空气分离技术成熟可行;减少需要处理的气体体积;劣势是效率下降大,能量损失高,低温氧气生产成本昂贵;可能出现腐蚀问题,现状是国际上大多还处于研发当中

    (4)化学链燃烧:CO2是主要的燃烧产物,未混合N2,因而避免了高能耗的空分,但国际上大多还处于研发当中

    碳捕集技术

    按不同角度可对碳捕集技术进行分类。根据碳捕获与燃烧过程的先后顺序,可将碳捕集技术分为燃烧前捕获、富氧燃烧和燃烧后捕获等,使用哪种技术与碳排放源高度相关。另外,根据分离过程进行分类,可将碳捕集技术分为化学吸收法、物理吸收法、吸附法、膜分离法和化学链法。根据技术先进程度,可将碳捕集技术分为第一代技术、第二代技术等。

    CCUS

    CCUS运输方式

    (1)管道运输:最广泛大规模运输,缺点是长距离的管道造价成本高,优点是大规模、长距离,稳定定向的CO2输送

    (2)船舶运输:大规模运输方式,缺点是技术复杂,需专用设备,优点是适用于远距离海上封存

    (3)公路罐车运输:适合小规模运输,缺点是运输量小,优点是适用小规模、近距离、目的地分散

    (4)铁路罐车运输:运输量大、距离较远、安全性高,缺点是运输调度和管理复杂、受线路限制,优点是量大、距离远且管道运输还未建成时

    CCUS封存方式

    CCUS封存方式有CO2-EOR、深部咸水层、枯竭的油(气)田、CO2-ECBM、玄武岩等

    ccus

    中国CCUS现状

    根据生态环境部发布的《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)》,中国已投运或建设中的CCUS示范项目约为40个,捕集能力300万吨/年。多以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主,缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业化示范。中国已具备大规模捕集利用与封存CO2的工程能力,正在积极筹备全流程CCUS产业集群。中国CCUS技术项目遍布19个省份,捕集源的行业和封存利用的类型呈现多样化分布。中国13个涉及电厂和水泥厂的纯捕集示范项目总体CO2捕集规模达85.65万吨/年,11个CO2地质利用与封存项目规模达182.1万吨/年,其中EOR的CO2利用规模约为154万吨/年。中国的CCUS各技术环节均取得了显著进展,部分技术已经具备商业化应用潜力。

    2022年1月17日,中国石化对外宣布,我国首个百万吨级CCUS项目——齐鲁石化-胜利油田CCUS项目即将建成投产,涵盖碳捕集、利用和封存3个环节,该项目每年可减排二氧化碳100万吨,相当于近60万辆经济型轿车停开一年,预计未来15年可实现增油296.5万吨。

    国外CCUS项目

    国外CCUS项目起步早,规模较大。1972年美国建成Terrell项目,CO2捕集能力达40万~50万吨/年,这是国外最早报道的大型CCUS项目;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70万吨/年。1996年,挪威Sleipner项目建成,它是世界上首个将CO2注入到地下(盐水层)的项目,年封存CO2量近百万吨。本世纪以来,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。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,2019年该项目捕集CO2达61.6万吨。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100万吨/年。

    CCUS产业模式及驱动方式

    按CCUS产业捕集、运输、利用及埋存环节的组合关系,可将目前国内外CCUS产业模式分为3类:

    ①CU型:产业环节组合为捕集—利用,即对排放的CO2进行捕集,其捕集的CO2直接利用于化学品、制冷、饮料等;

    ②CTUS型:产业环节组合为捕集—运输—利用+埋存,如美国在Oklahoma运行中的Enid化肥项目,捕集量约为0.68亿t/a,采用陆陆管道运输模式,用于CO2驱油

    ③CTS型:捕集—运输—埋存,如挪威在北海已运行的SleipnerCO2注入盐水层项目。目前,世界上大规模综合性项目中,美国、加拿大及中东地区以CTUS-EOR产业模式为主,欧洲及澳大利亚—新西兰则以CTS-盐水层及废弃油气田模式居多。

    我国运行及在建产项目中,多以CO2利用为主,因此,产业模式多为CU型,部分为CUS型,完整产业链的CTUS相对较少;计划执行的大规模项目中,完整产业链、永久埋存的产业模式CTUS或CTS开始增多。

    目前,CCUS产业发展的驱动方式主要有5种,分别为:政府及公共基金、国家激励政策、税收(碳税)、强制性减排政策及碳交易等。其中,激励政策包括政府或组织机构投资补贴、税收减免、矿区使用费的优惠、CO2价格担保和政府对投资贷款的担保等。需要指出的是,目前CCUS项目多处在研发和示范阶段,其主要的驱动力来源于政府的资金支持和国家激励政策,以及税收等因素。随着产业的发展,当从示范阶段走向大规模工业化推广和商业化运行阶段,强制性减排与碳交易市场可能成为其主要的驱动因素。

    中国CCUS减排需求

    创业邦研究中心《2021年碳捕集(CCUS)行业研究报告》指出,根据IEA(国际数据能源基金会)数据,碳中和目标下中国CCUS减排需求为:2030年0.2-4.08亿吨、2050年6-14.5亿吨、2060年10-18.2亿吨。主要考虑各行业二氧化碳排放路径、CCUS技术发展以及CCUS可以使用或可能使用的情景

    火电行业:当前中国CCUS 示范的重点,碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段。我国电力需求到2050年预计增长到12万亿~15万亿度,有4.3亿~16.4亿吨二氧化碳需通过CCUS技术减排才能实现电力系统的净零排放。燃煤电厂加装CCUS可捕获90%的碳排放量,使其变成一种低碳的发电技术。

    钢铁行业:预计2030年减排需求为0.02亿吨-0.05亿吨/年,2060年减排需求为0.9亿吨-1.1亿吨/年。值得注意的是,钢铁行业的二氧化碳除了进行利用与封存外,还可以直接用于炼钢过程。充分利用这些技术,能够减排5%-10%。

    水泥行业:预计2030年的减排需求为0.1亿吨-1.52亿吨/年,2060年减排需求为1.9亿吨-2.1亿吨/ 年。水泥行业石灰石分解产生的二氧化碳约占总排放量的60%,因此CCUS是水泥行业脱碳的必要手段。

    石油化工:预计2030年的减排需求约为5000万吨,到2040年逐渐降低至0。这是由于石化和化工行业是二氧化碳的主要利用领域,并且捕集能耗低、投资成本与运行维护成本低,可为早期CCUS示范提供低成本的机会。

    参考资料:

    生态环境部:中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)(54页).pdf

    【精选】2021年环保行业负排放及CCUS技术发展趋势分析报告(23页).pdf

    全球碳捕集与封存研究院:全球碳铺集与碳封存报告2020(44页).pdf

    创业邦研究中心:2021年碳捕集(CCUS)行业研究报告(19页).pdf

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