CO_(2)捕集、利用和封存在能源行业的应用:全球案例分析和启示

为了实现中国21世纪中叶达到碳中和,大规模应用CO_(2)捕获、利用和封存(CCUS)技术可以减少能源行业的温室气体排放。通过对国内外CCUS技术、项目的调研,得出了关于未来CCUS部署的3个见解,这些见解有助于能源行业实现转型。首先,碳源浓度较低导致碳捕集效率低,从而导致碳捕集的经济成本较高的问题是目前CCUS项目无法商业化的主要因素,在发展当前的碳捕集技术,提高捕集效率和降低捕集成本的同时也应大力研究空气捕集技术,尤其是在工艺设计和新型吸附材料研发方面,争取实现弯道超车;其次,CO_(2)在油气藏和咸水层的封存与利用应当作为CCUS技术研究的重点,逐步实现大规模推广,并在技术升级和体系完善的基础上推广CO_(2)增强地热、煤层气等其他耦合技术;最后,应当在当前国际上较成熟的碳政策的基础上研究适合中国的激励政策,建立有效的法律法规。论文总结了当前CCUS的关键挑战,并为未来的CCUS研究方向提供了指导方向。

多孔液体在CO_(2)捕集与利用领域的研究进展

为助力中国早日实现“双碳”目标,深入落实化工领域绿色低碳可持续发展的重要举措,吸附/吸收耦合有望成为气体分离的绿色变革性分离技术,其关键是高性能吸附(收)材料的开发。多孔液体作为一类具有永久孔隙的液体材料,兼具了液体吸收剂的易于管道输送、传质传热效果好等优点和固体吸附剂的高比表面积、高孔隙率等优点,有望成为新一代CO_(2)捕集的绿色变革性介质。该文首先简单介绍了多孔液体发展历程;然后,重点对多孔液体在CO_(2)的吸附/吸收、膜分离、催化转化等领域的应用进行了论述,并对多孔液体性能和优缺点进行了分析归纳。最后,对多孔液体目前面临的挑战和未来发展趋势进行了展望。

延长石油CO_(2)捕集与封存技术及实践

延长石油创新将煤化工CO_(2)捕集与油藏CO_(2)封存相结合,实现了煤炭清洁利用、碳减排和原油增产等多重效益,探索形成了一条煤化工产业低碳发展的新路径。系统阐述了延长石油CCUS全流程一体化技术及矿场实践,形成了煤化工低温甲醇洗低成本CO_(2)捕集技术,捕集成本105元/t,捕集示范规模30万t/a;建立了CO_(2)封存选址及潜力评价方法,评价油田CO_(2)理论封存量为8.84×10~8 t,封存适宜区主要分布在油田西部;揭示了跨时间尺度油藏CO_(2)封存状态演变规律,水气交替注入情景下CO_(2)封存10年和100年对应的构造、束缚、溶解和矿化封存量占比分别为24.38%、27.19%、48.38%、0.05%和15.09%、38.65%、45.77%、0.49%;创建了盖层封闭性评价方法,明确化子坪CO_(2)封存试验区长4+5盖层主要为Ⅰ、Ⅱ类;构建了“三位一体”CO_(2)安全监测体系,监测未发现CO_(2)地质泄漏,封存安全等级为Ⅰ级,矿场实现CO_(2)安全有效封存10.12×10~4 t。煤化工CO_(2)捕集与油藏CO_(2)封存矿场实践取得了良好的碳减排与原油增产效果,相关创新技术应用前景较为广阔。

多维度视角下CO_(2)捕集利用与封存技术的代际演变与预设

“双碳”目标背景下,亟需深刻了解CO_(2)捕集利用与封存(CCUS)技术及其未来在中国发展的前景,从时间、空间以及技术链3个维度对CCUS的历史演变、现状以及未来发展趋势进行总结与展望很有必要且意义重大。时间维度上,CCUS技术可划分为技术孕育阶段(1950—1980年)、诞生与发展阶段(1980—1995年)、研发与示范阶段(1995—2020年)、实施阶段(2020—2030年)以及商业化阶段(2030—2050年)。空间维度上,CCUS商业化部署水平处于领先地位的国家主要分布在发展时间较长、整体研发水平较高的北美和欧洲地区,此外,中国、澳大利亚,沙特阿拉伯和巴西也进入了先进行列。技术链方面,CCUS技术可划分为3个代际:在捕集环节,第1代捕集技术可应用于电厂,第2代捕集技术面向电力与工业应用,第3代能耗、运行成本以及维护费用均能降低至第1代的50%左右。在输送环节,第1代CO_(2)输送技术建立CO_(2)流动模型,研究扩散规律,控制CO_(2)腐蚀,优选管道材料,评估泄漏影响,开发监测报告核实工具等;第2代CO_(2)输送技术集中于大规模管网开发、标准规范制定;第3代可应用于大规模国家和国际管网。在封存环节,第1代优先发展地质封存共性技术,第2代针对安全监测、风险管理优化,第3代侧重完整监测与补救措施。目前,中国CCUS总体水平处于研发和示范的初期阶段,与其他领先水平国家相比存在一定差距,应加强CCUS领域的国际合作与交流,引进和学习国外CCUS核心技术和实践工程经验,为未来中国大规模全流程CCUS项目的实施做好准备和铺垫。

基于余能利用的CO_(2)捕集提纯液化系统设计与优化

为了捕集利用天然气中的CO_(2)以及降低此过程中的系统能耗,将醇胺法天然气脱碳工艺和CO_(2)提纯液化工艺进行结合,提出基于余能利用的CO_(2)捕集提纯液化系统,并将制冷单元压缩机燃气轮机的烟气热量用于吸收剂再生过程。利用HYSYS软件对系统进行模拟研究,并对醇胺法脱碳过程和CO_(2)提纯液化过程的主要影响参数进行分析。结果表明:系统对CO_(2)液化率为86.36%,回收率为99.5%,得到摩尔分数为99.86%的液态CO_(2)产品。醇胺法脱碳模块装置综合能耗为11.1414 MW,余能利用266.2 kW,CO_(2)提纯液化模块装置综合能耗为3.7524 MW。使用响应面法和遗传算法对系统能耗进行优化,优化后醇胺法脱碳模块装置综合能耗为11.0293 MW,CO_(2)提纯液化模块装置综合能耗为2.84103 MW。系统可以有效提高CO_(2)回收率和摩尔分数,实现能量最大化利用。

宁夏回族自治区碳捕集、利用与封存源汇匹配与集群部署

“双碳”(碳达峰、碳中和)战略背景下,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现化石能源大规模低碳化利用的关键技术之一。近年,CCUS技术呈现出规模化和集群化发展趋势,而科学、合理的源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据,能够建立高效CO_(2)输运管网、降低减排成本。宁夏是国家能源安全战略布局的重要保障基地,能源结构偏煤、工业结构偏重特征明显,面临着巨大的碳减排压力。针对宁夏CCUS集群部署的源汇匹配问题,调研评估了宁夏工业碳排放源特征和地质碳汇潜力,构建了CCUS源汇匹配模型,在充分考虑源汇性质、捕集-输运-封存成本、CO_(2)运输距离、区域地理条件、土地利用类型、人口密度等因素基础上,应用改进的节约里程法和基于地理信息系统(GIS)的最低成本路径优化法,结合ArcGIS平台和优化求解软件,获得了宁夏CCUS源汇匹配优化和应用方案,并提出宁夏CCUS集群部署建议。结果表明,截止2021年,宁夏工业碳排放源107个,碳排放总量2.26亿t/a,以化工(含自备电厂)和电力行业碳排放为主。宁夏主要封存地质体包括深部咸水层、深部不可开采煤层和油气藏,CO_(2)理论地质封存容量151.55亿t,以深部咸水层封存潜力最大。宁夏CCUS源汇匹配效果较好,在源汇直接相连的情况下,区内年排放量10万t以上的大型工业排放源CCUS集群部署(30 a规划期)总成本约2.45万亿元,并以捕集成本为主,占比83.65%,单位减排成本402.32元/t,共需建设CO_(2)运输管道2 459 km;改进的节约里程法和基于GIS的最低成本路径优化法可大幅降低CCUS集群部署成本,优化后CCUS单位减排成本降至381.76元/t,节约管道建设里程938 km。宁夏应聚焦电力、化工等“两高”(高耗能、高排放)行业,在以宁东能源化工基地为重点的北部、东部地区超前应用CCUS技术,打造宁东能源化工基地、银川—吴忠、石嘴山、中卫和固原5个CCUS特色集群,构建宁夏特色的工程化CCUS全流程技术模式。

重庆市CO_2捕集利用与封存技术发展路线图

重庆作为中国西南地区唯一直辖市,同时也是第一批低碳试点省市,在高速发展经济的同时面临着巨大的减排压力,能源消费总量由2000年的2 411万t标准煤增加到2014年的7 694万t标准煤,15年内年均增长率为8.64%。通过调查发现:重庆市2014年不同行业CO_2年排放量大于0.1 Mt的集中排放源共41个,年排放总量为57.27 Mt,其中水泥行业排放量比重最大,为56.6%,这也是重庆的特色所在;重庆市CCUS减排潜力总量为17.74亿t,其中枯竭气田封存潜力最大,达9.38亿t。综合重庆市目前的碳排放及CO_2封存容量情况,初步制定重庆市CCUS技术发展路线图,总体愿景是到2030年,实现水泥、火电行业排放CO_2在天然气田的商业化应用,为重庆应对气候变化提供技术可行和经济可承受的技术选择。

碳捕集、利用与封存中CO_(2)腐蚀与防护研究

国际上将碳捕集、利用与封存(CCUS)作为实现长期减碳减排的重要措施,CCUS技术对于降低全球二氧化碳排放量至关重要。CCUS也是实现我国长期绿色低碳发展的必然选择和重要举措,然而CCUS技术高速发展必然会带来装备的腐蚀与防护难题。针对油气开采以及CCUS过程涉及到的碳捕集设备、运输管道和油井管等设备受到的CO_(2)腐蚀问题展开研究,分析其腐蚀机理,包括CO_(2)腐蚀过程,以及不同因素(包括水含量、离子耦合、温度、压力、流速以及混合相中的油相)对CO_(2)腐蚀速率的影响,并进行了总结归纳,特别是高温高压超临界CO_(2)腐蚀机理。针对目前的3种CO_(2)防护手段进行了介绍,考虑到合金防护成本较高,缓蚀剂防护存在二次污染,防护涂层具备更好的发展前景。最后对CO_(2)防护涂层未来研发重点与前景进行了分析和展望。

失活石灰石自活化增强循环捕集CO_(2)特性

钙循环工艺是一种低成本高效率捕集CO_(2)技术,运行过程需不断补充新鲜吸收剂并排出失活吸收剂,实现失活钙基吸收剂原位资源化利用具有重要意义。为研究颗粒状石灰石失活后自活化特性,运用双固定床反应器制备了失活石灰石,分析了自活化后石灰石碳酸化转化率随循环次数的变化规律,采用XRD、SEM、N_(2)吸附等分析测试手段探究了自活化提高失活石灰石循环捕集CO_(2)性能机理。结果表明,失活石灰石置于环境中可吸收空气中水分生成Ca(OH)_(2),吸水率φ达100%后,继续吸水生成氢氧化钙水合物,极限吸水率为130%。不同程度自活化后的石灰石循环捕集CO_(2)性能均有不同程度提高,随吸水率变化呈线性升高趋势。与分析纯CaCO3相比,失活石灰石对吸水率变化更敏感,随吸水率升高其循环捕集CO_(2)性能提高更快。吸水率为130%时,自活化后石灰石循环捕集CO_(2)性能甚至优于新鲜石灰石。微观结构分析结果显示:新鲜石灰石因高温烧结而失活过程中,CaO晶粒尺寸由41.9 nm长大至72.2 nm,孔隙结构发生坍塌阻塞,比孔容和比表面积显著降低。经过自活化,煅烧后的石灰石中CaO晶粒尺寸降低,原本密实的表面重新生成孔隙结构;吸水率为130%时,晶粒尺寸降至35.1 nm,比孔容和比表面积分别恢复至新鲜石灰石的70.5%和107.6%,特别是10~100 nm孔隙得以再生,因此失活石灰石循环捕集CO_(2)性能恢复。虽然自活化过程会加剧失活石灰石颗粒磨损速率,但吸水率100%的自活化石灰石磨损导致直径每小时减小量仅为颗粒直径的0.55%。综上所述,自活化后的失活石灰石完全可替代新鲜石灰石,作为补充钙基吸收剂用于钙循环捕集CO_(2)。

石灰回转窑真实烟气条件下有机胺法CO_(2)捕集试验

为推动有机胺法CO_(2)捕集工艺在钢铁行业的应用,在石灰石回转窑炉真实烟气条件下开展了有机胺法CO_(2)捕集侧线试验,考察了有机胺溶液质量分数、烟气流量、溶液喷淋量、吸收温度、油浴温度和再生压力等关键参数对捕集系统CO_(2)捕集性能的影响。结果表明,在最优试验条件(有机胺溶液质量分数为25.0%、烟气流量为20m^(3)/h、溶液喷淋量为70L/h、吸收温度为30℃、油浴温度为115℃以及再生压力为10kPa)下,捕集系统CO_(2)捕集率和解吸酸气量分别为94%和1.22m^(3)/h。在最优试验条件下进行的480h连续试验结果显示,捕集系统CO_(2)捕集率平均值为94%,解吸酸气量平均值为1.22m^(3)/h,CO_(2)捕集系统表现出良好的稳定性,证明有机胺法应用于石灰回转窑烟气CO_(2)捕集技术可行。

CO_(2)地质封存与利用环境下水泥单矿C_(2)S的腐蚀速率

在CO_(2)地质封存和利用过程中,固井水泥容易与井下的酸性介质CO_(2)发生碳酸化反应,腐蚀固井水泥石造成水泥石力学性能大幅度衰退。针对水泥石单矿C_(2)S在CO_(2)地质封存和利用环境中腐蚀反应速率不清晰的问题,通过SEM、XRD以及TG的测试方法,定量分析C_(2)S腐蚀产物的变化规律。根据腐蚀产物CaCO_(3)的摩尔生成率和非稳态扩散渗透模型拟合得到腐蚀反应产物CaCO_(3)的生成系数α。SEM实验结果表明,腐蚀反应后C_(2)S水泥单矿颗粒的表面均有较大改变,生成了部分腐蚀产物CaCO_(3);XRD结果表明,单矿C_(2)S腐蚀产物CaCO_(3)的晶型主要有方解石和文石;TG测试结果表明,C_(2)S水泥单矿随着腐蚀龄期的增加,腐蚀产物的量均明显增加。拟合结果表明,C_(2)S腐蚀产物生成速率随着温度的升高而增大,90℃下CaCO_(3)腐蚀产物的生成速率系数α最大为54.90。

CO_2捕集封存联合地下咸水利用经济评价

当前中国能源产业特别是煤化工行业在发展过程中需要消耗大量的淡水资源,同时排放了大量的CO_2,严重挑战中国的气候变化应对和节能减排目标的实现。CO_2捕集封存联合增强地下深部咸卤水开采及综合利用(CCS-EWR)技术可以实现在封存CO_2的同时,能将地下深部咸水引入到地面实现咸水的资源化,该技术在煤化工行业具有巨大的应用潜力。本文选取鄂尔多斯地区煤化工行业的百万吨级的CO_2捕集与封存示范项目,探讨CCS-EWR全流程项目的经济可行性。案例研究表明,该技术能够有效抵消CCS技术高昂的成本,在我国中西部严重缺水地区可大规模应用,在高效利用情况下经济上也具有一定的可行性。

碳捕集、利用和封存(CCUS)技术发展现状及应用展望

梳理了碳捕集、利用和封存(CCUS)技术各关键环节的发展概况,阐述了全球和我国现阶段CCUS技术应用进展和挑战.结果表明,在当前的经济技术水平下,CCUS项目难以实现成本效益的平衡,因此必须转变思路,将CO_(2)视为一种基础工业原料,加快CO_(2)资源化利用布局.基于此,提出CO_(2)转化利用金字塔模型,通过优化组合高附加值碳基材料、化工利用、生物合成等CO_(2)转化利用路径,形成兼具减排和商业价值的新型碳经济.最后,根据我国未来在能源领域的领先性和电网的灵活度的实际需要,提出了加快我国CCUS技术布局和应用的政策建议,以期助力CCUS技术产业化落地与可持续发展.

弱碱性吸收剂碳捕集及CO_(2)富液生物再生性能

碳捕集转化一体化工艺能利用CO_(2)转化过程同步实现CO_(2)富液再生,有望降低碳捕集转化整体成本。为评价生物甲烷化与碳捕集耦合的可行性,首先,在填料塔中考察了以4.2 g/L NaHCO_(3)、6 g/L Na_(2)CO_(3)、微生物营养液配制的弱碱性吸收剂(pH=10)对模拟烟气中CO_(2)的吸收性能;其次,在厌氧瓶内利用生物甲烷化过程对CO_(2)富液开展5个周期的循环再生试验。结果表明,填料塔气体流量≤1.0 L/min时,随液体流量增加,所有试验组CO_(2)去除率逐渐上升并能稳定在80%以上,该填料塔液体流量宜≤0.9 L/min;不同气体流量(0.4~1.2 L/min)下填料塔体积总传质系数基本稳定在17~19 mol/(h·kPa·m^(3));CO_(2)吸收导致吸收液中NaHCO_(3)增加、Na_(2)CO_(3)减少,二者变量比值在1.2~1.9。气体流量为0.6 L/min、液体流量为0.7 L/min时,在维持80%以上CO_(2)去除率的前提下,该弱碱性吸收剂可循环使用6次,此时活性组分CO_(3)^(2-)利用率达89.5%,形成的CO_(2)富液中总无机碳量为0.127 mol/L,pH为8.82,能为生物甲烷化微生物提供适宜的生长环境。CO_(2)富液循环生物再生试验表明,每次再生后的吸收剂CO_(2)吸收量基本稳定在69.6~78.6 mmol/L,且再生期间CH 4产生过程具有良好的重复性;再生试验后,Firmicutes、Actinobacteriota等耐碱性门水平细菌得到一定富集;氢营养型产甲烷菌在再生前后古菌属中占比均接近99%,但再生试验期间弱碱性环境导致Methanobrevibacter相对丰度降低了19.5%,unclassified_f_Methanobacteriaceae增加了18.7%。初步证实了碳捕集耦合生物甲烷化工艺的可行性。

烟道气CO_(2)捕集用醇胺溶液降解研究进展

目前在多种CO_(2)吸收捕集技术中,醇胺法是吸收量最大、经济效益最好和研究最广泛的方法。然而,醇胺法中使用的醇胺溶液吸收剂面临的降解问题是该方法的主要缺陷。针对醇胺溶液吸收剂的降解问题,首先综述了热降解和氧化降解的产物、机理和控制研究进展,然后综述了金属离子催化降解的降解机理、规律和控制研究进展,最后对醇胺溶液吸收剂的降解问题进行了总结,并对未来的抗降解研究方向进行了展望。

基于知识图谱的中国碳捕集、利用与封存领域研究历程

碳捕集、利用与封存(carbon capture,utilization,and storage,CCUS)技术是目前国际上应对气候变化的重要手段,对实现碳减排目标、促进可持续发展具有重要意义。该文首先梳理我国有关CCUS政策的发展历程,然后通过文献计量和科学知识图谱相结合的方法,基于中国知网数据库中2000年至2022年CCUS领域的研究文献(期刊论文和专利),利用VOSviewer和Excel软件统计分析论文的年度发文趋势、载文期刊、资助基金、研究机构、发文作者和研究热点以及专利的年度公开数量、主题及学科分布和发明人,并以二氧化碳吸收剂和二氧化碳驱油技术为例分析CCUS流程中的若干重点技术的发展进程和趋势。最后,针对现阶段CCUS研究存在的问题提出一定的建议。

我国燃煤发电污染治理的CO_2捕集封存与资源化利用

针对我国燃煤发电的污染治理技术和创新途径进行了研讨。分析了我国燃煤锅炉SO2和CO2排放污染的严峻形势;论述了燃煤电厂烟气CO2捕集与利用技术的研究进展以及烟道气中CO2回收技术的工业应用;建议把煤炭能源化工生产排放的CO2制成干冰,用作植物生长的碳养分而释放出氧元素的化学反应平衡循环工艺路线,作为我国处置CO2的根本出路。

延长石油煤化工CO_(2)捕集、利用与封存(CCUS)工程实践

全球应对气候变化刻不容缓,CO_(2)捕集、利用与封存(CCUS)作为最具潜力的碳减排技术已在中国得到初步探索。针对陕北煤化工碳减排压力大与油田开发水资源匮乏问题,延长石油在陕北鄂尔多斯盆地开展了煤化工CCUS一体化工程实践。结果表明:低温甲醇洗工艺捕集煤化工产生的CO_(2)成本低廉;CO_(2)非混相驱油是提高低渗超低渗油田原油采收率可行的手段;CO_(2)驱油的同时实现了地质封存,且封存安全有效,鄂尔多斯盆地适宜开展地质封存。该工程实践不仅带来显著的经济效益和环境效益,也开创了绿色低碳、循环利用的能源发展新模式。

“双碳”治理视角下碳捕集、利用与封存政策的中国样本审视

探究中国现行碳捕集、利用与封存政策的特征与不足,可为我国将来的政策制定及体系优化提供参考。以2006年2月至2022年12月中央和地方发布的143份有效政策文本为研究对象,构建基于“政策工具-目标领域-政策主体”的三维分析框架模型。结合统计学方法、结构分析法和内容分析法等研究方法,分别探究了碳捕集、利用与封存政策的演进历程、政策工具、政策目标领域、政策主体、政策力度等内容特征。结果表明,在“双碳”目标导向下,中国碳捕集、利用与封存政策正在展开布局,战略目标逐步明晰,但仍然存在专项政策缺位、政策工具结构分布不均衡、政策主体合作联系密度不高、碳捕集、利用与封存全流程技术标准不完善等问题。基于此,未来应当强化政策力度,构建面向碳中和目标的碳捕集、利用与封存专项政策;高效配置多元政策工具,构建政策工具的综合应用模式;完善碳捕集、利用与封存产业链,优化产业布局结构。

燃煤电厂CO_2捕集与咸水层封存全过程经济性模型

碳捕集与封存技术(即CCS技术)通过对CO2进行捕集、压缩、运输与封存,可实现CO2大规模减排,近年来受到广泛关注。CCS技术的经济成本是其商业化的关键因素,但目前多数研究都集中在捕集过程,CCS全过程的经济成本分析鲜见报道。针对CO2捕集与咸水层封存系统,给出了捕集封存全过程投资运行总成本和捕集封存整体系统CO2减排成本的计算公式,建立了CO2捕集、压缩、管道运输与咸水层封存全过程的成本估算模型,并对典型的600MW超临界燃煤电厂捕集封存CO2的投资运行成本和减排成本进行了案例研究。