CCUS培訓(xùn)班的第七堂課,中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所李琦老師介紹中國CCUS工程項(xiàng)目和研究項(xiàng)目進(jìn)展。
前一天各位都在討論CCUS,這個(gè)片子主要就是告訴大家CCUS是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù),包括二氧化碳的捕集、
運(yùn)輸、利用、封存,早期法國人的縮略詞用法比較直接,加一個(gè)T,就是CCTS。CCS也好CCUS也好,其學(xué)科和工業(yè)部門跨度非常大,技術(shù)鏈復(fù)雜。這是為什么CCS技術(shù)推廣的時(shí)候,常常遇到的最大
問題,不是一項(xiàng)單一的技術(shù),而是一個(gè)復(fù)雜的鏈?zhǔn)郊夹g(shù),可供選擇的技術(shù)路線多,導(dǎo)致整個(gè)工業(yè)部署實(shí)施的時(shí)候有點(diǎn)復(fù)雜。

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捕集分燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒,這是三種主要的代表性技術(shù),每種捕集技術(shù)里又分出一系列的子技術(shù)選項(xiàng),包括燃燒前捕集也有很多種,吸收法、化學(xué)/物理溶劑法、低溫液化等等很多選項(xiàng),非常復(fù)雜。

這個(gè)圖首先給大家一個(gè)全局的認(rèn)識(shí)。在二氧化碳捕集方面,我們國家還是部署了相當(dāng)多的(示范)工程項(xiàng)目,從CCS一開始引入中國以后,首先考慮就是捕集和封存問題。大家可以看到捕集量最高的是
吉林油田EOR項(xiàng)目,數(shù)字當(dāng)然在變動(dòng),最高時(shí)可達(dá)26萬噸/年,也有非常小的,一年小于1萬噸的??梢钥吹绞痉俄?xiàng)目主要部署在中國東部的華北、華東和東北地區(qū)。根據(jù)三步走的戰(zhàn)略,
新疆這幾年示范也陸續(xù)上來,最典型的就是敦華公司在克拉瑪依的捕集。

三種捕集技術(shù),首先看一下廣為采用的燃燒后捕集,應(yīng)用最多就是電廠,最常采用化學(xué)吸收法來進(jìn)行煙道氣中的二氧化碳捕集。本圖列出了幾個(gè)比較典型的燃燒后捕集示范項(xiàng)目。圖中的MEA也好、MSA也好,都是二氧化碳化學(xué)吸收劑英文縮寫,上網(wǎng)一查可以查出來。需要指出的是,除了
北京高碑店和上海石洞口項(xiàng)目,在國際上很有名氣外,華潤
電力海豐(圖中風(fēng)是錯(cuò)別字)測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目已于2018年1月15日正式開工,預(yù)計(jì)年二氧化碳捕集能力達(dá)到2萬噸水平,這將是亞洲首個(gè)多線程碳捕集測(cè)試平臺(tái),標(biāo)志著中國二氧化碳捕集示范工程步入重要的里程碑。

正如昨天CCUS科普中提到的,工業(yè)分離過程也是二氧化碳的主要排放源之一,從煤制氣到煤制油,本圖展示了幾個(gè)典型的工業(yè)分離項(xiàng)目。目前,大多數(shù)捕集示范主要來自燃煤電廠,然后就是天然氣處理或煤
化工,煙氣濃度的高低常常與成本息息相關(guān)。海螺集團(tuán)
水泥廠年十萬噸捕集項(xiàng)目,其示范類型具有里程碑意義。

富氧燃燒,從全球的角度來說,相對(duì)燃燒前捕集和燃燒后捕集,大多數(shù)還處于研發(fā)當(dāng)中,從全球規(guī)模來看也是這樣。在國家資金支持下,我們國內(nèi)華中科技大學(xué)一直在做這個(gè)方面的工作,在湖北應(yīng)城這個(gè)地方已經(jīng)進(jìn)行了一些示范。
這個(gè)表總結(jié)了燃燒前捕集在國內(nèi)有哪些主要的項(xiàng)目,以及哪些單位經(jīng)營或主導(dǎo)的。第一個(gè)項(xiàng)目就是天津的IGCC,規(guī)模是十萬噸,具有代表性,IGCC是Integrated Gasification Combined Cycle的縮寫,中文全稱:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),它是一種將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng),由兩大部分組成,即煤的氣化與凈化部分和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。

這是天津IGCC項(xiàng)目的一些技術(shù)參數(shù)。
02
接下來進(jìn)入二氧化碳利用方面的工程項(xiàng)目介紹,首先介紹化工利用、生物利用部分,化工利用大家如果感興趣可以看一下科技部ACCA21中英文正式出版的一個(gè)報(bào)告,就是《第三次氣候變化國家評(píng)估報(bào)告》特別評(píng)估——中國二氧化碳利用技術(shù)評(píng)估報(bào)告。二氧化碳利用技術(shù)按學(xué)科領(lǐng)域(原理)分類,化工利用有14種,包括有機(jī)/無機(jī)化學(xué)品制備、能源生產(chǎn)和材料生產(chǎn)等。生物利用4種,包括氣肥、生物燃料和生物藥品制備等。

這是一張全局圖,展示了國內(nèi)化工、生物利用的典型工程項(xiàng)目,但并不全,尤其是化工利用部分。二氧化碳化工利用的主要產(chǎn)品是某種材料、燃料或某種化學(xué)制品。二氧化碳生物利用的主要產(chǎn)品有氣肥、生物飼料、燃料、食品或化學(xué)制品。

典型二氧化碳化工利用示范工程介紹,
山西潞安集團(tuán)的甲烷二氧化碳自熱重整合成氣制備項(xiàng)目,甲烷+二氧化碳可以產(chǎn)生氫,氫是工業(yè)當(dāng)中非常重要的一種氣體,大量的化工過程都需要?dú)錃狻?img src="data/attachment/portal/201906/20/102114bs411siii14m12u2.jpg">
另一個(gè)典型的二氧化碳化工利用示范工程項(xiàng)目,二氧化碳加氫制甲醇,甲醇工業(yè)用途廣泛,從而實(shí)現(xiàn)了所謂的二氧化碳資源化利用。2018年7月,蘭州新區(qū)
石化產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限公司、蘇州高邁新能源有限公司、中科院大連化物所在第24屆中國蘭州投資貿(mào)易洽談會(huì)上,共同簽署了千噸級(jí)二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目合作協(xié)議。該項(xiàng)目旨在建立千噸級(jí)二氧化碳加氫制甲醇工業(yè)化示范工程。

一個(gè)利用二氧化碳合成碳酸二甲酯的化工利用項(xiàng)目,這是利用二氧化碳制備有機(jī)化學(xué)品的典型代表。

一個(gè)利用二氧化碳合成可降解聚合物的化工利用項(xiàng)目,這是利用二氧化碳實(shí)現(xiàn)材料制備的典型代表。

這是一個(gè)百噸中試的二氧化碳化工利用,感興趣的可以參考,不做贅述。

接下來簡單介紹幾個(gè)二氧化碳生物利用的工程項(xiàng)目。

利用二氧化碳生產(chǎn)螺旋藻。螺旋藻是一類低等原核生物,由單細(xì)胞或多細(xì)胞組成的絲狀體,呈疏松或緊密的有規(guī)則的螺旋旋形彎曲,形如鐘表發(fā)條,故而得名。螺旋藻具有減輕癌癥放療、化療的毒副反應(yīng),提高免疫功能,降低血脂等功效。產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)效益和二氧化碳的凈
減排潛力值得關(guān)注。03

二氧化碳的地質(zhì)利用與封存部分。

這是全國二氧化碳地質(zhì)利用和封存工程項(xiàng)目總體分布圖,EOR/ECBM驅(qū)油驅(qū)煤層氣工程主要圍繞中國幾個(gè)油氣盆地展開,例如:東北的松遼,華北渤海灣盆地,西北鄂爾多斯盆地,非常多項(xiàng)目在計(jì)劃和部署中。總體動(dòng)態(tài)或靜態(tài)封存規(guī)模從不到一萬噸到接近35萬噸不等。

本圖整理了我國二氧化碳驅(qū)替煤層氣工程項(xiàng)目的發(fā)展歷程。ECBM的基本原理,考慮二氧化碳和甲烷對(duì)于煤基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)性吸附,二氧化碳吸附能力比甲烷強(qiáng),通過這個(gè)吸附原理,把煤里面的甲烷用二氧化碳置換出來,當(dāng)然這是一個(gè)很復(fù)雜的過程,很多科學(xué)技術(shù)問題需要解決。

二氧化碳咸水層封存,區(qū)別于前面提到的利用二氧化碳驅(qū)油、驅(qū)煤層氣和天然氣等利用過程中的動(dòng)態(tài)封存,而咸水層封存是真正意義上的我們說的二氧化碳地質(zhì)封存。神華集團(tuán)“二氧化碳捕集封存(CCS)工業(yè)化示范項(xiàng)目”位于鄂爾多斯,這是中國第一個(gè),也是亞洲最大規(guī)模把二氧化碳封存在咸水層的全流程CCS項(xiàng)目。神華CCS示范項(xiàng)目是從煤制油生產(chǎn)線中捕集二氧化碳,經(jīng)液化處理后罐車運(yùn)送到距捕集地約8公里的一個(gè)封存場(chǎng)地,用注入井筒灌注到地下2495米的咸水地層中封存起來。該項(xiàng)目封存部分一共有3口井,一口是注入封存井,還有兩口分別被神華集團(tuán)和國土資源部作為監(jiān)測(cè)井。目前,該項(xiàng)目已經(jīng)完成總共30萬噸二氧化碳的封存量,且已經(jīng)關(guān)井。

EWR是指二氧化碳地質(zhì)封存聯(lián)合深部咸水開采利用技術(shù),簡稱二氧化碳驅(qū)水技術(shù),它是指將二氧化碳封存于深部咸水層,同時(shí)開采咸水并進(jìn)行淡化處理的新型的CCUS技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的CCS技術(shù),一方面可通過合理的抽水井位控制和采水量控制釋放儲(chǔ)層壓力,達(dá)到安全穩(wěn)定大規(guī)模封存的目的,另一方面采收的低礦化度咸水經(jīng)過處理后可用于中國西部缺水嚴(yán)重地區(qū)或東部地面沉降較嚴(yán)重地區(qū)的生活飲用或工農(nóng)業(yè)發(fā)展,而采收的高礦化度咸水或鹵水可以提取各種戰(zhàn)略液體礦產(chǎn)資源。更多的背景介紹和技術(shù)分析,可以參見我們發(fā)表在國際清潔生產(chǎn)雜志上的綜述文章。新疆準(zhǔn)東盆地的這個(gè)EWR測(cè)試項(xiàng)目是中國第一個(gè)二氧化碳驅(qū)水技術(shù)先導(dǎo)性試驗(yàn)項(xiàng)目,值得關(guān)注。04

下面介紹一下CCUS全流程項(xiàng)目,需要指出:在此我們沒有區(qū)分技術(shù)全鏈條工程項(xiàng)目和技術(shù)綜合性工程項(xiàng)目。

全流程項(xiàng)目全國分布情況一覽。EOR是二氧化碳強(qiáng)化采油項(xiàng)目,ECBM二氧化碳強(qiáng)化煤層氣采收項(xiàng)目,DSF二氧化碳深部咸水層封存項(xiàng)目,目前中國二氧化碳深部咸水層封存項(xiàng)目只有一個(gè),就是神華在鄂爾多斯的示范工程項(xiàng)目,這是亞洲第一個(gè)全流程的CCS項(xiàng)目。05

CCUS研究項(xiàng)目是指科技部資助的,原來的973、863、科技支撐,現(xiàn)在的科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國際合作等,還包括中國科學(xué)院的專項(xiàng),國家自然科學(xué)基金等。大家注意到,前面CCUS工程項(xiàng)目的部署,因?yàn)橐こ淌痉?,牽頭單位主要是大企業(yè)為主。

接下來這張大表統(tǒng)計(jì)分析了2005-2016年中國CCUS方面的一些主要研究項(xiàng)目。由于投影效果文字太小,大家會(huì)后感興趣,可以參見我們2017年發(fā)表在Geofluids上的那篇綜述文章,后面的參考文獻(xiàn)部分我也會(huì)列出來,便于大家溯源追蹤。

在統(tǒng)計(jì)過程中,我們對(duì)CCUS項(xiàng)目的類型也進(jìn)行了相應(yīng)的梳理。

這2張圖就是針對(duì)前面統(tǒng)計(jì)表的另外一種數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式。我們可以看左邊這個(gè)圖4,這里把CCS和CCUS分開描述,但一起統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)只統(tǒng)計(jì)到2016年,從2005年-2016年,可以看到項(xiàng)目類型,支持項(xiàng)目數(shù),主要支持傳統(tǒng)CCS、ECBM和EOR三駕馬車,他們?nèi)齻€(gè)支持?jǐn)?shù)量最高。圖中:MOST是科技部的縮寫,NSFC國家自然科學(xué)基金委的縮寫,Others就是其他國家資助項(xiàng)目。右邊這個(gè)圖5,把這些支持的CCUS研究項(xiàng)目進(jìn)一步分類統(tǒng)計(jì),到底支持純捕集,還是純封存,還是不同類型的二氧化碳利用,這里只列了五類利用,分別是EOR、ECBM、EGS、ESGR,EWR和EUL兩類沒列,可以看到二氧化碳封存方面的研究從2008年以來一直非常高的熱度,在2011-2012年達(dá)到頂峰。

這個(gè)表簡單羅列了中國CCUS方面的國際合作情況。從中國和歐盟的近零排放NZEC項(xiàng)目開始,以及與澳大利亞地球科學(xué)局合作的CAGS項(xiàng)目,前后十多年,對(duì)中國CCUS研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。特別是,跟澳大利亞的CAGS項(xiàng)目,在國際上也有著深遠(yuǎn)的影響。

整個(gè)報(bào)告里面的數(shù)據(jù),都可以在這四篇參考文獻(xiàn)中找到蹤跡。工程項(xiàng)目和CCUS觀點(diǎn),可以參考第一篇綜述文章;中國二氧化碳驅(qū)水技術(shù)看第二篇綜述;中國CCUS科研項(xiàng)目詳細(xì)分析可以看第三篇文章,一個(gè)非常全面系統(tǒng)地綜述。

學(xué)術(shù)組織。中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)氣候變化分會(huì),大家感興趣的可以多關(guān)注,偏環(huán)境工程學(xué)方面;我本人正在積極申請(qǐng)成立CSRME一級(jí)學(xué)會(huì)下面的CCUS分會(huì),將關(guān)注二氧化碳的巖石力學(xué)和地質(zhì)工程發(fā)明。大家可以檢索我的Google學(xué)術(shù)賬號(hào),追蹤我2002年以來所有針對(duì)二氧化碳研究的方方面面,歡迎交流與合作。

AOGS亞太地球科學(xué)的著名學(xué)術(shù)團(tuán)體,由我和日本科學(xué)家主持的CCS分會(huì)場(chǎng)每年都有,每隔一年回到新加坡,CCS研究者每年定期見面,分會(huì)場(chǎng)氣氛熱烈,各色人種,各種音調(diào)的英文,值得你去交流。IGC每四年一次的全球地質(zhì)學(xué)盛會(huì),明年在印度德里召開,我和印度科學(xué)家發(fā)起了一個(gè)CCS分會(huì),想去恒河邊打坐思考的,歡迎積極注冊(cè)報(bào)名,也可以直接跟我聯(lián)系。EGU歐盟地學(xué)一級(jí)盛會(huì),目前我正在和德國科學(xué)家準(zhǔn)備發(fā)起一個(gè)新的CCS分會(huì),歡迎大家關(guān)注和參加,維也納歡迎你。ISO,我一直在參與WG3和WG5的工作。這是個(gè)國際角力與智慧溝通的舞臺(tái),不單純是學(xué)術(shù)碰撞。
縱觀當(dāng)下,CCUS更多的時(shí)候還是在吹泡泡中,希望我們不懈地努力和實(shí)干。
免責(zé)聲明:以上報(bào)告所有圖文數(shù)據(jù)僅代表報(bào)告人個(gè)人觀點(diǎn),不代表報(bào)告人所在研究機(jī)構(gòu)觀點(diǎn);如果引用本報(bào)告圖文數(shù)據(jù),敬請(qǐng)注明出處。
整理人:劉惠排 版:葉舒點(diǎn)