中國CCUS技術(shù)發(fā)展趨勢分析

中國CCUS技術(shù)發(fā)展趨勢分析:0引言國際能源署(InternationalEnergyAgency，IEA)在2016年報(bào)告中提出的解決全球氣候變化的主要手段是：進(jìn)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(carboncaptureandstorage，CCS)。政府間氣候變化特地委員會(huì)(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)《決策者第五次評估報(bào)告摘要》指出，假如沒有CCS，絕大多數(shù)氣候模式運(yùn)行都不能實(shí)現(xiàn)緩解氣候變化的目標(biāo)；重要的是，假如不采納CCS技術(shù)，在2050年前實(shí)現(xiàn)0.45‰二氧化碳當(dāng)量的成本會(huì)增加138%。我國在提高能效和進(jìn)展清潔能源方面的進(jìn)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、掌握非能源活動(dòng)溫室氣體排放、增加碳匯等方面實(shí)行一系列行動(dòng)，已取得了樂觀成效。2017年碳強(qiáng)度比2005年下降約46%，已經(jīng)提前完成了到2020年碳強(qiáng)度下降40%~45%的目標(biāo)。但作為經(jīng)濟(jì)高速進(jìn)展的大國，以煤為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以轉(zhuǎn)變，為完成到2030年中國在《巴黎協(xié)定》中承諾2030年碳強(qiáng)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(jiān)持綠色和諧的可持續(xù)進(jìn)展道路等各方面的工作才能實(shí)現(xiàn)。CCS作為重要的減排技術(shù)，是我國踐行低碳進(jìn)展戰(zhàn)略的重要技術(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)綠色進(jìn)展至關(guān)重要。為在2030年排放達(dá)到頂峰后的去峰問題提早考慮技術(shù)支撐，需要進(jìn)一步深化CCS在我國的討論和進(jìn)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(fèi)巨額資本和運(yùn)營成本，以及額外能耗，并且平安性以及大型示范項(xiàng)目的系統(tǒng)整合都存在肯定問題，結(jié)合我國國情，示范項(xiàng)目在CCS原有的3個(gè)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(carboncapture，utilizationandstorage，CCUS)，主要的方式包括提高原油采收率(enhancedoilrecovery，EOR)、提高煤層氣采收率(enhancedcoalbedmethanerecovery，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(yùn)營的萬t級以上CCUS示范項(xiàng)目約13個(gè)，大規(guī)模全流程的集成項(xiàng)目有14個(gè)正在部署中。隨著CCUS在中國的應(yīng)用和進(jìn)展，與其相關(guān)的各種討論，如捕集技術(shù)優(yōu)化、項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)評估等也隨之開展。本文針對CCUS的技術(shù)特點(diǎn)與其他減排技術(shù)進(jìn)行了比較，介紹了CCUS的應(yīng)用范圍和狀況，對我國CCUS項(xiàng)目的進(jìn)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了分析，闡述了其面臨的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和政策等方面的問題和挑戰(zhàn)，最終總結(jié)出CCUS在我國的進(jìn)展前景。1CCUS的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用1.1CCUS的技術(shù)特點(diǎn)CCUS在技術(shù)成熟的前提下有可能實(shí)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(jìn)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)化進(jìn)展能起到明顯的推動(dòng)作用，對世界能源供應(yīng)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(diǎn)比較如表1所示。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101509335863.jpg”alt=“1.jpg”width=“548”height=“325”/1.2CCUS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別二氧化碳；3）富氧燃燒，又稱氧氣、二氧化碳燃燒技術(shù)或空氣分別、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(shí)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愛護(hù)焊；將液體、固體CO2的冷量用于食品蔬菜的冷藏、儲(chǔ)運(yùn)；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。化學(xué)應(yīng)用主要包括：無機(jī)和有機(jī)精細(xì)化學(xué)品、高分子材料等的討論應(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(jī)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，從而進(jìn)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(kuò)大。依據(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%。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101509336494.jpg”alt=“2.jpg”width=“519”height=“239”/2我國CCUS進(jìn)展現(xiàn)狀和趨勢2.1我國CCUS進(jìn)展現(xiàn)狀我國擁有巨大的潛在CCUS應(yīng)用市場。估計(jì)2030年一次能源生產(chǎn)總量達(dá)到43億t標(biāo)煤，二氧化碳排放量112億t，達(dá)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(chǔ)量適合使用EOR，可提高原油采收率15%，估計(jì)可增加采儲(chǔ)量19.2億t，同時(shí)封存二氧化碳約47~55億t。截至2017年底，全國已建成或運(yùn)營的萬t級以上CCUS示范項(xiàng)目有13個(gè)，如表3所示。大規(guī)模全流程的集成示范預(yù)備項(xiàng)目有14個(gè)，均處于不同階段預(yù)備過程中，規(guī)模大多在100萬t以上。吉林油田EOR項(xiàng)目的管道和驅(qū)油工程實(shí)際上已經(jīng)完成50萬t/年的建設(shè)，正等待外部CO2的供應(yīng)；成功油田EOR在2013年就完成了百萬噸級項(xiàng)目的預(yù)可研，部分工程已經(jīng)完成可行性討論；延長集團(tuán)EOR項(xiàng)目，正在進(jìn)行37萬t項(xiàng)目的建設(shè)和100萬t項(xiàng)目的預(yù)研，如表4所示。2.2我國CCUS進(jìn)展趨勢和目標(biāo)CCUS作為一項(xiàng)有望實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的技術(shù)，是我國將來削減CO2排放、保障能源平安和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)進(jìn)展的重要手段。隨著示范項(xiàng)目范圍擴(kuò)大，將來有望建成低成本、低能耗、平安牢靠的CCUS技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)集群，為化石能源低碳利用供應(yīng)技術(shù)選擇，為應(yīng)對氣候變化供應(yīng)有效的技術(shù)保障，為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)進(jìn)展供應(yīng)技術(shù)支撐。依據(jù)中國21世紀(jì)議程管理中心資料，整理后的CCUS技術(shù)在我國進(jìn)展趨勢和目標(biāo)如表5所示。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101509340844.jpg”alt=““width=“554”height=“507”/<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101509341749.jpg”alt=““width=“580”height=“523”/<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101509347430.jpg”alt=““width=“574”height=“364”/3進(jìn)展CCUS面臨的挑戰(zhàn)目前我國在提高能效和進(jìn)展清潔能源方面的進(jìn)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)是進(jìn)展中并不斷完善的技術(shù)，還存在著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和政策等方面的困難和問題，要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；M(jìn)展還存在許多阻力和挑戰(zhàn)。3.1經(jīng)濟(jì)方面的挑戰(zhàn)進(jìn)展CCUS面臨的最大挑戰(zhàn)是示范項(xiàng)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(yùn)行維護(hù)成本等，以火電廠安裝為例，將額外增加140~600元/t的運(yùn)行成本，直接導(dǎo)致發(fā)電成本大幅增加。如華能集團(tuán)上海石洞口捕集示范項(xiàng)目，在項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)的發(fā)電成本從每千瓦時(shí)0.26元提高到0.5元。CCUS項(xiàng)目的重要貢獻(xiàn)在于削減碳排放，但企業(yè)在投資巨額費(fèi)用后，卻無法實(shí)現(xiàn)減排收益，這嚴(yán)峻影響著企業(yè)開展CCUS示范項(xiàng)目的樂觀性。除此之外，CO2目前輸送主要以罐車為主，運(yùn)輸成本高，而CO2管網(wǎng)建設(shè)投入高、風(fēng)險(xiǎn)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)路線都分別開展了試驗(yàn)示范項(xiàng)目，但整體仍處于研發(fā)和試驗(yàn)階段，而且項(xiàng)目及范圍都太小。雖然新建項(xiàng)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(jì)效益明顯的集成示范項(xiàng)目。另外，受現(xiàn)有的CCUS技術(shù)水平的制約，在部署時(shí)將使一次能耗增加10%~20%甚至更多，效率損失很大，這嚴(yán)峻阻礙著CCUS技術(shù)的推廣和應(yīng)用。要快速轉(zhuǎn)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，假如在運(yùn)輸、注入和封存過程中發(fā)生泄漏，將對事故四周的生態(tài)環(huán)境造成影響，嚴(yán)峻時(shí)甚至危害到人身平安。特殊是CCUS的地質(zhì)簡單性帶來的環(huán)境影響和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的不確定性，嚴(yán)峻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(xiàng)目在環(huán)境監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)防控的過程中考慮全流程、全階段來制定切實(shí)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(xiàng)目的全流程各個(gè)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(xiàng)法律法規(guī)，這導(dǎo)致企業(yè)開展CCUS示范項(xiàng)目的樂觀性不高。從現(xiàn)有政策來看，國家對于進(jìn)展CCUS持鼓舞態(tài)度，主要以宏觀的引導(dǎo)和鼓舞為主，并沒有針對CCUS進(jìn)展有詳細(xì)財(cái)稅支持。在示范項(xiàng)目的選址、建設(shè)、運(yùn)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(xiǎn)評估、監(jiān)控等方面同樣缺乏相關(guān)的法律法規(guī)。4爭論整體來看，CCUS減排潛力大，可能實(shí)現(xiàn)零排放甚至負(fù)排放，其通過EOR、ECBM等CO2利用方式促進(jìn)其他相關(guān)行業(yè)進(jìn)展，作為一種進(jìn)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(jì)、技術(shù)、環(huán)境和政策等方面存在著一些短時(shí)間難以解決的問題，結(jié)合