自称“碳捕快”的陆诗建博士从事碳捕集、利用与封存(CCUS)研究已经13年了。历经多年积累,陆诗建已成长为中国矿业大学正高级研究员、中国科学院山西煤化所兼职教授,获得了8项省部级科技奖励。
“今天上午组织了宁波钢铁CCUS项目可研报告技术讨论会,还有低浓度二氧化碳捕集工艺包团体标准的讨论会;回复了中集集团、三峡集团咨询的CCUS技术问题;回复了两项二氧化碳捕集专利审查。”陆诗建告诉笔者3月31日上午他都在忙什么。其实,这样忙碌的上午正是陆诗建工作的缩影。多年来,他牵头负责和参与了多个国内CCUS示范工程。随着碳达峰碳中和目标逐步推进,CCUS项目设计范围也从传统的电力、化工逐步发展到钢铁、水泥等高能耗重工业,甚至印染纺织行业这样的轻工业。3月初,他刚负责完成了全国印染行业首个捕集与固化使用于一体的CCUS示范项目的技术工艺包设计。
本文就“双碳”背景下,CCUS的机遇和前景、阻力和挑战、实现商业化还有哪些障碍需要克服等问题采访了陆诗建。
(陆=陆诗建,能=能源高质量发展)
能:您牵头负责和参与了多个国内CCUS示范工程,请简要介绍一下我国CCUS工业示范总体情况。同时,在碳达峰碳中和目标下,CCUS的机遇和前景如何?
陆:在煤基燃料CCUS方面,我国已开展了近20年的研究工作,建设了10余套CCUS工程示范,为工业源碳减排打下了扎实的基础。但目前,CCUS仍存在能耗高、损耗高的技术瓶颈,低成本、产业化的技术亟待突破。
我国正从能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变。这样的大背景下,开展二氧化碳捕集、运输、利用与地质封存全流程重大技术创新,开展大规模产业化CCUS技术示范应用,可为碳减排目标的实现提供重要支撑,对服务国家战略和经济社会绿色发展意义重大。
能:在“能控”向“碳控”转变的国内大环境下,CCUS面临较好的发展机遇。对于如何将机遇转化为行动,您有何建议?
陆:个人建议,要加快各主要工业源CCUS产业链技术研发,尽快构建低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技术体系和产业集群,努力实现CCUS各个环节技术的均衡发展,尽快进入大规模推广应用商业化阶段,为化石能源低碳化利用提供技术选择;同时,考虑各行业同步发展,区域均衡发展,地面与地下技术研发与工程示范同步推进。在技术层面的建议是:研发低能耗、低消耗、大规模二氧化碳捕集技术,发展地面/地下矿化、化工利用、驱油、驱气、驱水、微藻制油等技术,研究二氧化碳安全可靠封存、长周期监测及远距离运输技术,加强源汇匹配分析、碳捕集与主体工业系统的能量耦合优化,建设大规模百万吨级二氧化碳捕集利用和封存系统示范工程,实现CCUS技术在煤炭加工、电力、钢铁、水泥、化工等大宗工业排放源系统获得覆盖性、常规性应用。
能:您刚才提到了钢铁、水泥等行业的CCUS系统应用,但截至目前,我国还没有长期稳定运行的水泥、钢铁行业大规模一体化示范项目。您认为CCUS在除电力、化工以外行业的示范应用存在哪些挑战?
陆:CCUS在除电力、化工以外行业示范应用的挑战来自多方面。一是经验较少,国内水泥、钢铁等大宗排放源行业的CCUS技术示范刚起步;二是成本较高,CCUS技术包括捕集、运输、利用与封存四个环节,各工艺环节均存在公用工程消耗,目前需要通过技术进步、能量综合利用实现能耗、消耗的降低,进而降低成本;三是CCUS项目投资较高,中小规模碳捕集项目投资约1000万元/年万吨二氧化碳,虽然随着规模增大单位投资成本下降,但总投资不断上升;四是国家的指导政策还有待加强。
能:您认为应该如何攻克高成本、高能耗的挑战?
陆:需要加强技术研发,降低成本和能耗。CCUS项目的成本与能耗主要集中在碳捕集环节,通过新一代高碳容、低能耗的相变吸收剂、催化吸收剂、纳米流体体系等捕集吸收剂与耐磨损的有机胺负载吸附剂、钙基、钠基等功能化吸附材料研发,配套多梯级热能利用技术,研制大通量、高传质效率反应器,减少吸收剂逃逸与损耗,可有效降低碳捕集环节的运行成本与能耗。
在管道输送方面,我国需要在大规模二氧化碳管道输送技术方面开展攻关研究工作,实现不同场景下二氧化碳经济输送模式选择和风险控制,达到低成本安全高效输送的目标。
在地质利用封存方面,亟待突破高效驱油、矿化、驱气、地热能利用技术以及安全性评估与监测预警技术;化工与生物利用技术则需要重点攻关低成本高转化率矿化转化、化工转化、微藻制油等技术。
能:除了上述技术方面,您刚才还提了国家的指导政策有待加强。
陆:是的,我国还需要进一步建立健全CCUS法规和标准体系。国内CCUS项目在实践过程中,面临所有权不明确、管辖部门及审批程序不明确、相关技术规范缺乏等亟待解决的问题,需要制定明晰、完善的CCUS法律法规,减少利益相关方各种顾虑,确保CCUS项目稳健开展;严格、清晰界定CCUS项目边界,防止CCUS概念泛化;基于标准体系,实施CCUS从选址到减排量的第三方核查制度。
我国更需要出台鼓励和补贴政策,探索市场化激励机制,完善商业和投融资环境。在商业化应用之前,CCUS技术的发展需要解决巨额研发资金投入的问题。建议出台政策实施经济鼓励和补贴;探索市场化激励政策,开通银行贷款绿色通道,引进社会资本,推进CCUS纳入中国碳排放权交易体系等。此外,需要加强基础设施建设,包括建设二氧化碳运输管网等,降低CCUS运营商的成本。建议设计合理的投融资机制和政策,克服CCUS投资与运行成本高的障碍。
能:谈到CCUS投资与运行成本高和长远环境、社会效益之间的关系问题,您对于企业在思考和布局CCUS技术研发与示范工程方面有哪些具体建议?
陆:企业是CCUS技术推广应用与产业化的主力军。在思考和布局CCUS技术研发与示范工程过程中,眼光不要局限于当前的投入和回报率,而要放长远,从国家政策和未来规划入手,开展CCUS技术战略储备,着眼于低成本的二氧化碳捕集技术创新,CCUS全流程技术攻关,真正突破当前CCUS的高成本、高消耗的“卡脖子”技术难题,推动CCUS大规模商业化应用。机会留给有准备的人,当CCUS的鼓励政策或碳税制度出来时,先行者将能够真正站立潮头,引领低碳经济发展。
能:与全球CCUS项目情况相比,我国CCUS示范项目处于什么水平?有哪些国际经验可以借鉴?
陆:目前,国内外烟气CCUS技术在国内仍不同程度地处于实验室研究和工业示范阶段,规模整体较小。对于大规模燃煤CCS工程(规模≥100万吨/年),国内尚没有工业运行的先例,国外仅有2例,即已投运的加拿大边界坝100万吨/年二氧化碳捕集与驱油封存工程和美国Petra Nova 140万吨/年捕集与驱油封存项目。虽然我国已具备开展百万吨级CCUS示范工程的技术储备与能力,计划于2025年建成多个CCUS工业示范项目并具备工程化能力,但目前距离大规模商用仍然有较大差距,仅有一小部分技术进入到了示范环节,并未实现完整的全流程项目示范和集群化规模部署,缺少相关的项目经验。
综合对比国内外二氧化碳捕集工程技术与已建示范工程,从技术研发层面,国内技术与国外处于并跑阶段,但是大规模二氧化碳捕集工程技术研究较少;从工程示范与应用层面,国内外均建立了燃烧后二氧化碳捕集工程,但国内工业级示范较少,无百万吨级大规模示范;从运行实践层面,国内燃烧后捕集工程运行时间普遍较短;吸收剂、节能技术、核心工艺装备仍有较大提升空间。
国内外二氧化碳捕集工程运行实践表明,首先,能耗的降低对大规模二氧化碳捕集至关重要,需开展节能优化、节水优化工作;其次,特大型塔器塔型选择、内构件结构优化、稳定性、气液分布均匀性、传质传热性能需开展研究工作;第三,随着捕集规模的增大,胺液的逃逸成为重要的成本因素,需要通过逃逸的控制降低损耗和运行成本。
二氧化碳管道输送方面,我国二氧化碳的输送以陆路低温储罐运输为主,在长距离、高压、低温和超临界二氧化碳运输方面的研究方面取得了一些成果,但是尚无大输量、长距离的二氧化碳输送管道项目落地。当前,国内仅有3条二氧化碳气相输送管道,最大输量为50万吨/年,输送距离为52千米;而国外正在运行的二氧化碳管道超过50条,管道长度超过8000千米,总输量达到6.8亿吨/年,已建管道中近80%采用超临界输送工艺,单管最大设计年输量达2000万吨,最大设计管径DN750。我国需要在大规模二氧化碳管道输送技术方面开展攻关研究工作,实现不同场景下二氧化碳经济输送模式选择和风险控制,达到低成本安全高效输送的目标。
地质封存与利用方面,目前比较成熟的技术有二氧化碳提高石油采收率(CO2-EOR)、二氧化碳驱替煤层气(CO2-ECBM)、咸水层封存和海洋封存等。世界范围内开展的相关研究众多,在理论和工程实践上都取得了较多成果。如我国由吉林油田实施的CCS-EOR项目,已累计捕集埋存二氧化碳 170万吨,增产原油70余万吨。总体来看,我国诸多CCUS示范项目的二氧化碳地质封存利用非常有限。对比国外目前已经实施的CCUS项目,单体最大的CCUS项目年封存能力高达每年400万吨二氧化碳,而我国单体最大的CCUS项目是中国石油吉林油田的CO2-EOR示范项目,年二氧化碳注入量30万吨,二氧化碳封存利用能力等较欧美国家仍有较大差距。
技术层面,我国地质条件复杂,如咸水层以陆相为主、陆相沉积储层非均质性强、混相压力高、渗透率较低等,造成大封存容量、高安全性的二氧化碳封存场地选择难度大,对注入技术要求高,加之目前对于注入的二氧化碳监测能力较弱,存在泄露的风险,故而二氧化碳高效地质封存技术,高效驱油、驱气、地热能利用技术以及CCUS整体安全性评估与监测预警技术亟待突破。
综上所述,我国CCUS技术上与国外并驾齐驱,但是规模较小。大规模CCUS项目推广应用需要重点攻关二氧化碳捕集高消耗、高能耗,碳捕集工程大型化经验不足,管道安全输送要求高以及二氧化碳地质封存的有效性、安全性、经济性等技术瓶颈难题。未来二十年,低成本、商业化、集群化规模部署是CCUS发展趋势,也是国家实现碳达峰碳中和目标急迫的重大需求。