CCUS培訓班的第七堂課,中國科學院武漢巖土力學研究所李琦老師介紹中國CCUS工程項目和研究項目進展。
前一天各位都在討論CCUS,這個片子主要就是告訴大家CCUS是一項復雜的技術(shù),包括二氧化碳的捕集、
運輸、利用、封存,早期法國人的縮略詞用法比較直接,加一個T,就是CCTS。CCS也好CCUS也好,其學科和工業(yè)部門跨度非常大,技術(shù)鏈復雜。這是為什么CCS技術(shù)推廣的時候,常常遇到的最大
問題,不是一項單一的技術(shù),而是一個復雜的鏈式技術(shù),可供選擇的技術(shù)路線多,導致整個工業(yè)部署實施的時候有點復雜。
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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,包括燃燒前捕集也有很多種,吸收法、化學/物理溶劑法、低溫液化等等很多選項,非常復雜。
這個圖首先給大家一個全局的認識。在二氧化碳捕集方面,我們國家還是部署了相當多的(示范)工程項目,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項目,數(shù)字當然在變動,最高時可達26萬噸/年,也有非常小的,一年小于1萬噸的。可以看到示范項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,應用最多就是電廠,最常采用化學吸收法來進行煙道氣中的二氧化碳捕集。本圖列出了幾個比較典型的燃燒后捕集示范項目。圖中的MEA也好、MSA也好,都是二氧化碳化學吸收劑英文縮寫,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目,在國際上很有名氣外,華潤
電力海豐(圖中風是錯別字)測試平臺項目已于2018年1月15日正式開工,預計年二氧化碳捕集能力達到2萬噸水平,這將是亞洲首個多線程碳捕集測試平臺,標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,本圖展示了幾個典型的工業(yè)分離項目。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。海螺集團
水泥廠年十萬噸捕集項目,其示范類型具有里程碑意義。
富氧燃燒,從全球的角度來說,相對燃燒前捕集和燃燒后捕集,大多數(shù)還處于研發(fā)當中,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)華中科技大學一直在做這個方面的工作,在湖北應城這個地方已經(jīng)進行了一些示范。
這個表總結(jié)了燃燒前捕集在國內(nèi)有哪些主要的項目,以及哪些單位經(jīng)營或主導的。第一個項目就是天津的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)合的先進動力系統(tǒng),由兩大部分組成,即煤的氣化與凈化部分和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。
這是天津IGCC項目的一些技術(shù)參數(shù)。
02
接下來進入二氧化碳利用方面的工程項目介紹,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報告,就是《第三次氣候變化國家評估報告》特別評估——中國二氧化碳利用技術(shù)評估報告。二氧化碳利用技術(shù)按學科領域(原理)分類,化工利用有14種,包括有機/無機化學品制備、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、食品或化學制品。
典型二氧化碳化工利用示范工程介紹,
山西潞安集團的甲烷二氧化碳自熱重整合成氣制備項目,甲烷+二氧化碳可以產(chǎn)生氫,氫是工業(yè)當中非常重要的一種氣體,大量的化工過程都需要氫氣。
另一個典型的二氧化碳化工利用示范工程項目,二氧化碳加氫制甲醇,甲醇工業(yè)用途廣泛,從而實現(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)易洽談會上,共同簽署了千噸級二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)開發(fā)項目合作協(xié)議。該項目旨在建立千噸級二氧化碳加氫制甲醇工業(yè)化示范工程。
一個利用二氧化碳合成碳酸二甲酯的化工利用項目,這是利用二氧化碳制備有機化學品的典型代表。
一個利用二氧化碳合成可降解聚合物的化工利用項目,這是利用二氧化碳實現(xiàn)材料制備的典型代表。
這是一個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二氧化碳生物利用的工程項目。
利用二氧化碳生產(chǎn)螺旋藻。螺旋藻是一類低等原核生物,由單細胞或多細胞組成的絲狀體,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,提高免疫功能,降低血脂等功效。產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟效益和二氧化碳的凈
減排潛力值得關注。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,非常多項目在計劃和部署中。總體動態(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)替煤層氣工程項目的發(fā)展歷程。ECBM的基本原理,考慮二氧化碳和甲烷對于煤基質(zhì)的競爭性吸附,二氧化碳吸附能力比甲烷強,通過這個吸附原理,把煤里面的甲烷用二氧化碳置換出來,當然這是一個很復雜的過程,很多科學技術(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“二氧化碳捕集封存(CCS)工業(yè)化示范項目”位于鄂爾多斯,這是中國第一個,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項目。神華CCS示范項目是從煤制油生產(chǎn)線中捕集二氧化碳,經(jīng)液化處理后罐車運送到距捕集地約8公里的一個封存場地,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和國土資源部作為監(jiān)測井。目前,該項目已經(jīng)完成總共30萬噸二氧化碳的封存量,且已經(jīng)關井。
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,同時開采咸水并進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層壓力,達到安全穩(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重地區(qū)或東部地面沉降較嚴重地區(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。新疆準東盆地的這個EWR測試項目是中國第一個二氧化碳驅(qū)水技術(shù)先導性試驗項目,值得關注。04
下面介紹一下CCUS全流程項目,需要指出:在此我們沒有區(qū)分技術(shù)全鏈條工程項目和技術(shù)綜合性工程項目。
全流程項目全國分布情況一覽。EOR是二氧化碳強化采油項目,ECBM二氧化碳強化煤層氣采收項目,DSF二氧化碳深部咸水層封存項目,目前中國二氧化碳深部咸水層封存項目只有一個,就是神華在鄂爾多斯的示范工程項目,這是亞洲第一個全流程的CCS項目。05
CCUS研究項目是指科技部資助的,原來的973、863、科技支撐,現(xiàn)在的科技部重點研發(fā)計劃、國際合作等,還包括中國科學院的專項,國家自然科學基金等。大家注意到,前面CCUS工程項目的部署,因為要工程示范,牽頭單位主要是大企業(yè)為主。
接下來這張大表統(tǒng)計分析了2005-2016年中國CCUS方面的一些主要研究項目。由于投影效果文字太小,大家會后感興趣,可以參見我們2017年發(fā)表在Geofluids上的那篇綜述文章,后面的參考文獻部分我也會列出來,便于大家溯源追蹤。
在統(tǒng)計過程中,我們對CCUS項目的類型也進行了相應的梳理。
這2張圖就是針對前面統(tǒng)計表的另外一種數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式。我們可以看左邊這個圖4,這里把CCS和CCUS分開描述,但一起統(tǒng)計。數(shù)據(jù)只統(tǒng)計到2016年,從2005年-2016年,可以看到項目類型,支持項目數(shù),主要支持傳統(tǒng)CCS、ECBM和EOR三駕馬車,他們?nèi)齻€支持數(shù)量最高。圖中:MOST是科技部的縮寫,NSFC國家自然科學基金委的縮寫,Others就是其他國家資助項目。右邊這個圖5,把這些支持的CCUS研究項目進一步分類統(tǒng)計,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年達到頂峰。
這個表簡單羅列了中國CCUS方面的國際合作情況。從中國和歐盟的近零排放NZEC項目開始,以及與澳大利亞地球科學局合作的CAGS項目,前后十多年,對中國CCUS研究產(chǎn)生了深遠的影響。特別是,跟澳大利亞的CAGS項目,在國際上也有著深遠的影響。
整個報告里面的數(shù)據(jù),都可以在這四篇參考文獻中找到蹤跡。工程項目和CCUS觀點,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科研項目詳細分析可以看第三篇文章,一個非常全面系統(tǒng)地綜述。
學術(shù)組織。中國環(huán)境科學學會氣候變化分會,大家感興趣的可以多關注,偏環(huán)境工程學方面;我本人正在積極申請成立CSRME一級學會下面的CCUS分會,將關注二氧化碳的巖石力學和地質(zhì)工程發(fā)明。大家可以檢索我的Google學術(shù)賬號,追蹤我2002年以來所有針對二氧化碳研究的方方面面,歡迎交流與合作。
AOGS亞太地球科學的著名學術(shù)團體,由我和日本科學家主持的CCS分會場每年都有,每隔一年回到新加坡,CCS研究者每年定期見面,分會場氣氛熱烈,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)學盛會,明年在印度德里召開,我和印度科學家發(fā)起了一個CCS分會,想去恒河邊打坐思考的,歡迎積極注冊報名,也可以直接跟我聯(lián)系。EGU歐盟地學一級盛會,目前我正在和德國科學家準備發(fā)起一個新的CCS分會,歡迎大家關注和參加,維也納歡迎你。ISO,我一直在參與WG3和WG5的工作。這是個國際角力與智慧溝通的舞臺,不單純是學術(shù)碰撞。
縱觀當下,CCUS更多的時候還是在吹泡泡中,希望我們不懈地努力和實干。
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整理人:劉惠排 版:葉舒點