CCUS在中国的机遇和前景、阻力和挑战

2022-05-07 10:42:25

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。

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。

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2022-05-07 10:42:25

Recently, due to the persistent cost pressure in the south, the price of concrete has risen slightly with the raw materials, but the growth of market demand is limited, and the overall quotation is still stable. From October 31 to November 6, the national concrete price index closed at 112.47 points, up 0.31% annually and down 10.11% year-on-year.