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CCUS碳捕捉技术的应用与发展现状

来源:风险研究师2021/8/30 13:51:31我要投稿

北极星碳管家网讯:过去十年来,CCUS技术的应用迅速扩大,不过,这仍不足以对全球气候变化产生有意义的影响,因为,要实现“巴黎协定”的目标,可能需要全球碳捕获能力达到每年10亿吨,这或将会为早期行动者带来重大机遇。

CCUS的发展前景

过去十年来,CCUS技术的应用迅速扩大,到2020年,全球二氧化碳捕获能力已经达到4000万吨。尽管这已经是一项重大成就,不过,这仍不足以对全球气候变化产生有意义的影响,因为,要实现“巴黎协定”的目标,可能需要全球碳捕获能力达到每年10亿吨。要实现这一目标,需要工业界和政府之间的密切合作,以克服与CCUS技术相关的技术和经济障碍,这或将会为早期行动者带来重大机遇。

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国际能源机构(IEA)称,到2070年,全世界实现碳中和,仅CCS/CCUS技术就需要占全球CO2减排量的约19%,其余部分则是其他清洁能源技术。

但CCS/CCUS在全球的部署一直很缓慢。全球碳捕集与封存研究院此前发布的报告显示,CCS目前在全球的装机容量约为4000万吨/年。到2050年必须增加超过一百倍才能实现净零排放。到目前为止,全球只有大约20个CCUS设施在运营,缺口巨大。

各国正在加大对CCUS项目的投入。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。自今年来,全球已经有30多个新的CCUS设施的计划相继宣布,各国政府和行业也在2020年承诺向CCUS项目提供超过45亿美元的资金。

CCUS碳捕捉的技术路线

CO2捕集主要分为燃烧后捕集、燃烧前捕集以及富氧燃烧捕集三大类,捕集能耗和成本过高是面临的共性问题。

燃烧后捕集技术相对成熟,广泛应用的是化学吸收法。我国与发达国家技术差距不大,已在燃煤电厂开展了10万吨级的工业示范。当前,制约该技术商业化应用的主要因素是能耗和成本较高。

燃烧前捕集在降低能耗方面具有较大潜力,国外5万吨级中试装置已经运行,国内6-10万吨级中试系统试验已启动。当前,该技术主要瓶颈是系统复杂,富氢燃气发电等关键技术还未成熟。

富氧燃烧技术国外已完成主要设备的开发,建成了20万吨级工业示范项目,正在实施100万吨级的工业示范;我国已建成万吨级的中试系统,正在实施10万吨级的工业级示范项目建设。新型规模制氧技术和系统集成技术是降低能耗的关键,也是现阶段该技术发展的瓶颈。

由CCUS衍生的CO2化学及生物应用

CO2化工利用是以化学转化为主要手段,将CO2和共反应物转化成目标产物,实现CO2资源化利用的过程,主要产品有合成能源、高附加值化学品以及材料三大类。

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以CO2加氢催化转化制甲醇为例,CO2催化转化途径包括热催化、光催化、电催化和生物催化等,技术核心是发展高效的CO2转化催化剂。化工利用不仅能实现减排,还可以创造额外收益,对传统产业的转型升级发挥重要作用。近年来,我国CO2化工利用技术取得了较大的进展,当前合成能源燃料的CO2利用量约为10万吨/年,产值约为1亿元/年,合成高附加值化学品的CO2利用量约为10万吨/年,产值约为 4 亿元 /年,合成材料的CO2利用量约为5万吨/年,产值约为2亿元/年。

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CO2生物利用是以生物转化为主要手段,将CO2用于生物质合成,实现CO2资源化利用的过程,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。生物利用技术的产品附加值较高,经济效益较好。目前转化为食品和饲料的技术已实现大规模商业化。转化为食品和饲料技术的CO2利用量约为 0.1 万吨/年,产值约为 0.5 亿元 /年,转化为生物肥料技术的CO2利用量约为 5万吨 /年,产值约为 5 亿元 /年,转化为化学品技术的CO2利用量约为 1 万吨 /年,产值约为 0.2 亿元/年,气肥利用技术的CO2利用量约为 1 万吨 /年,产值约为 0.2 亿元/年。

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CO2封存技术

地质封存是模仿自然界储存化石燃料的机制,把CO2封存在地层中,可经由输送管线或车船运输至适当地点后,注入特定地质条件及特定深度的地层中,如废弃的石油田,不可开采的煤田以及高盐含水层构造等。封存深度一般要在800m以下,该深度条件下CO2处于液态或超临界状态。地质构造必须满足盖层、储集层和圈闭构造等特性,方可实现安全有效埋藏。

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CO2驱油是较成熟的碳封存技术应用,把CO2注入油层中以提高油田采油率的技术,在加压情况下向井中注入CO2,在700米以上的深度,CO2变成超临界状态,并作为一种很好的溶剂,从岩层中释放石油和天然气。液体CO2在得到充分气化的情况下,体积可迅速发生膨胀,膨胀的气体可有效提高蒸汽波及体积、补充地层能量、驱动原油向目的层流动。CO2驱油具有良好的驱油效果和广泛的适应性,可以实现碳捕集封存和提高原油采收率的双重目的(CCUS)。

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海洋封存主要有溶解型和湖泊型两种封存方式,是指将CO2通过管道或者船舶运送并储存在深海的海洋水或者深海海床上。溶解型海洋封存即将CO2运送到深海中,让CO2自然分解然后变成自然界碳循环的组成部分;湖泊型海洋封存是指将CO2送入到地下3000米的深海里,因为海水密度比CO2的密度小,所以会在海底变成液态,成为CO2湖,进而推迟了CO2分解到环境中的程序。

国外典型的CCUS应用工程

2014年10月2日,世界上首个燃煤电站百万吨/年CO2捕集项目在加拿大边界大坝(Boundary Dam)电厂正式投入运营。该项目是加拿大萨斯克彻温电力集团SaskPower旗下CCS产业公司的边界大坝工程,该工程主要是对原有的煤炭发电厂3号机组进行改造,改造后的电厂3号燃煤机组发电能力为139MW,每年大约可以捕集100万吨CO2气体,CO2捕集率约为90%。捕获的CO2绝大部分出售给Cenovus 能源石油公司,被运输到Weyburn油田用于驱油,未出售的CO2注入盐水层,作为Aquistore项目的一部分,用于验证地下CO2封存的可能性。

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美国Petra Nova 电厂CCUS工程

2017年1月10日,美国Petra Nova电厂首次投运燃烧后碳捕集项目工程,该项目每年捕获约33%(或140万吨)来自8号工厂锅炉排放的二氧化碳。该项目由NRG Energy和JX Nippon Oil共同承担建设,对其中一台锅炉进行翻新,配备燃烧后碳捕集处理系统,旨在减少从锅炉燃烧系统的碳排放问题。

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该项目可以捕获到纯度为99%的二氧化碳气体,对气体压缩后,经管道运输送到约82英里外的西牧场油田,可以用于提高石油的采收率。原先,该油田每天可生产300桶石油。在通过向油田中注入新的高压二氧化碳后,油田的石油产量每天增加了50到15,000桶。当前该项目预估至少还可以再运行20年。Petra Nova项目捕集的二氧化碳最终将进入西部牧场油田Frio组的砂岩中,将被保留在地下约5,000英尺处,占地面积超过4,000英亩。

Petra Nova碳减排系统的安装成本约为10亿美元,并根据“清洁煤计划”获得了美国政府的近1.9亿美元赠款,以及日本政府提供的2.5亿美元贷款。并且随着油田采油量的增加,采收率的提高将带来更多的净收入。但是,当该项目首次提出时,油价很高(每桶100美元),而截至2017年,当前的石油价格约为每桶50美元,因此导致该油田的石油生产出现净亏损。2020年5月1日,由于COVID-19大流行导致石油价格低廉,NRG关闭了Petra Nova。

上海石洞口CCUS项目

华能国际电力股份有限公司上海石洞口第二电厂是我国首座建成2×600MW超临界机组的大型燃煤发电企业,于1992年投产。为支持2010年上海“世博会”的配套绿色电源工程,华能集团公司决定在华能上海石洞口第二电厂投资兴建二氧化碳捕集装置,这是对发展“低碳经济”城市做出的最为积极的响应。2009年12月,石洞口二厂10万吨级二氧化碳捕集项目顺利投产,这是我国第一个十万吨级燃煤电厂捕集装置。

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