推动CCUS全流程技术大规模示范与商业化应用 ——访中国矿业大学研究员陆诗建


文|本刊记者   王秋蓉


碳捕集利用与封存(CCUS)技术是实现碳中和目标不可或缺的重要技术选择。3月4日,粤港澳大湾区首个“双碳”概念的示范工程、全国印染行业首个捕集与固化使用于一体的碳捕获、利用与封存示范项目在佛山佳利达环保科技股份有限公司开工。该项目是国内首个印染工业园区CCUS项目、粤港澳大湾区首个“双碳”概念的示范工程,计划于2022年底基本完成并投入试运行,将为行业开展CCUS应用、助力“双碳”目标的实现发挥示范引领作用。我国“双碳”目标提出以来,CCUS技术应用得到了空前重视,各行业企业如何抓住机遇,超前部署,利用CCUS技术助力碳减排,成为当前关注的焦点之一。近日,本刊记者专访了该项目的技术工艺包负责人、国内CCUS全流程技术的知名专家、中国矿业大学研究员陆诗建,就CCUS的工业示范价值与商业化应用前景等相关问题进行了深入了解。

 

Q:可持续发展经济导刊

A:陆诗建


推进CCUS技术在高排放行业的实施

Q:在您看来,粤港澳大湾区首个“双碳”概念的示范工程、国内印染纺织行业首个集捕集与固碳使用于一体的碳捕获、利用与封存示范项目,其价值和意义是什么?此举对于推广CCUS在印染行业的应用有何启示?

A:目前我国印染纺织业产品单位综合能耗与国际先进水平相比仍存在较大的差距,尚未完全摆脱高能耗、高排放的现状。就单个印染纺织企业而言,其耗能、排污都构不成多大的环境问题,但由于整个行业的容量大、制造过程长,就形成了行业总体资源消耗多、污染排放大的现象。

从行业的水耗、能耗来看,它们分别占全国工业总能耗的8.5%、4.4%。同时,印染纺织行业是轻工业中能源消耗较大的产业之一,约占轻工业能源消耗量的1/3。有资料显示,我国印染纺织企业在生产环节的全过程能耗大致为4.84 吨标煤/吨纤维,其中织造工艺能耗大约为0.95 吨标煤/吨纤维,印染工艺能耗平均为2.84 吨标煤/吨纤维。在中国的低碳经济快速发展与全球绿色经济竞争白热化的当前,印染纺织行业面临巨大的考验,尤其在世界各国纷纷实行“碳关税”的情况下,印染纺织行业低碳化更是任务艰巨。

由于新冠肺炎疫情的出现,医疗卫生用印染纺织品呈现爆发式增长;而产业用印染纺织品发展迅速,与近年来人民生活的水平提高息息相关。但我们应该清醒地认识到,目前印染纺织行业仍处于技术设备落后、低碳产品质量标准缺乏、能耗高、碳排量大的现况,面对国家“碳考”,国内印染行业需要尽快探索适合行业特点的减排路径。佛山佳利达环保科技股份有限公司建设了国内首个印染纺织行业CCUS全流程固碳工程,通过对印染厂供电供热的自备电厂排放烟气的碳捕集、提纯与碳铵固碳,实现工艺路径中重要排放源的碳减排,将为行业的低碳转型提供宝贵的技术路径和经验借鉴,可有力推进碳减排技术在国内印染纺织行业的实施。

Q:近年来,您牵头负责和参与了多个国内CCUS示范工程,请您介绍一下我国CCUS工业示范总体情况。

A:中国在煤基燃料CO2捕集利用与封存方面已经开展了近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。但目前仍存在能耗高、损耗高的技术瓶颈,低成本、产业化的CCUS技术亟待突破。开展CCUS全流程(CO2捕集、运输、利用与地质封存)重大技术创新,开展大规模产业化CCUS技术示范应用,是工业烟气/尾气等大宗排放源碳减排的重要技术支撑,可为国家碳中和目标的实现提供重要支撑,对于服务国家“双碳”战略和经济社会可持续发意义重大。

Q:国内已有的 CCUS 示范项目行业分布不均衡,多数应用于电力、化工行业,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在其他行业的示范应用存在的挑战和阻力主要是什么?

A:在除电力、化工以外行业进行CCUS示范应用的阻力是多方面的。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CO2减排,虽然随着规模增大,单位投资成本下降,但总投资仍会不断上升。四是国家的指导政策还有待加强。

企业是CCUS技术推广应用与产业化的主力军

Q:在“双碳”背景下,我国需要大力推动CCUS产业链示范,您对此有哪些建议?

A:2022全国政府工作报告提出,推进钢铁、有色、石化、化工、建材等行业节能降碳,坚决遏制高耗能、高排放、低水平项目盲目发展,推动能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变,完善减污降碳激励约束政策,发展绿色金融,加快形成绿色低碳生产生活方式。

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。我个人的建议是: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和商业化阶段,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,研发低能耗、低消耗、大规模CO2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CO2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CO2捕集利用和封存系统示范工程,实现CCUS系统在煤炭加工、电力、钢铁、水泥等大宗工业排放源系统得到覆盖性、常规性应用。

Q:CCUS商业化一直面临高成本、高能耗的挑战,门槛很高,距离大规模应用还存在很大的挑战。您认为如何应对这些挑战、加快我国CCUS商业化应用步伐?

A:结合这些年的示范实践,我个人建议从三个方面推进我国CCUS技术成果推广应用。一是加强技术研发,降低成本和能耗。CCUS项目的主要成本与能耗在碳捕集环节,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;管道输送方面,需要在大规模CO2管道输送技术方面开展攻关研究工作,实现不同场景下CO2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;地质利用与封存方面,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、化工转化等技术。

二是建立健全 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 项目稳步开展;严格、清晰地界定 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。

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三是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。CCUS 技术的发展需要解决商业化应用之前的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;政府应加强基础设施建设,包括建设CO2运输管网等,降低CCUS运营商的成本;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。

Q:面对CCUS高投入和长远效益,您对于企业在决策和布局CCUS技术研发与示范工程有哪些建议?

A:企业是现代社会的基本细胞,是市场经济的主体,也是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,不要仅仅局限于当前的投入和回报率,更要放眼长远,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CO2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。我坚持认为,机会是留给有准备的人,当CCUS的鼓励政策或碳税制度出来时,只有提前布局的企业,才能够真正站立潮头,引领低碳经济发展。

中国CCUS技术与国外处于并跑阶段

Q:与全球CCUS项目情况相比,目前我国CCUS示范项目处于什么水平?

A:目前国内外烟气CO2捕集利用与封存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,对于大规模燃煤CO2捕集与封存工程(规模≥100万吨/年),国内尚没有工业运行的先例,国外仅有2例,分别为加拿大边界坝电厂100万吨/年CO2捕集与驱油封存工程、美国佩特拉诺瓦项目(Petra Nova) 140万吨/年CO2捕集与驱油封存项目。

虽然中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。但目前中国CCUS技术发展阶段距离大规模的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CO2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CO2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CO2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、工艺装备仍有较大提升空间。

Q:面对这些差距,我国推动CCUS大规模发展,有哪些国际经验可以借鉴?

A:正如刚刚所讲,中国CCUS技术与国外处于并跑阶段,但是规模较小。大规模CCUS项目推广应用需要重点攻关碳捕集工程大型化经验不足,CO2捕集高消耗、高能耗,管道安全输送要求高以及CO2地质封存的有效性、安全性、经济性的技术瓶颈等难题。未来20年,低成本、商业化、集群化规模部署是CCUS发展趋势,也是国家急迫的重大需求。

根据我国CCUS发展现状,结合我国“双碳”目标需求,在借鉴发达国家相关经验的基础上应加快推动我国大规模CCUS技术的攻关研究。首先,国内外CO2捕集工程运行实践表明,能耗的降低对大规模CO2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。

CO2管道输送方面,结合国家碳达峰、碳中和的发展思路,未来管网将成为CO2输送的基础设施,成为源汇匹配的纽带。中国CO2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CO2运输方面的研究取得了一些成果,但是尚无大输量、长距离的CO2输送管道。当前中国国内仅有3条CO2气相输送管道,最大输量为50万吨/年,输送距离为52km;而国外正在运行的CO2管道超过50条,管道长度超过7200km,总输量达到6.8×108吨/年,已建管道中近80%采用超临界输送工艺,管道设计压力10~15MPa,单管最大设计年输量达2000万吨,最大设计管径DN750。中国需要在大规模CO2管道输送技术方面开展攻关研究工作,实现不同场景下CO2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主要有CO2-EOR、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。总体来看,中国诸多CCUS示范项目的CO2地质封存利用非常有限。国外目前已经实施的CCUS项目中,单体最大的CCUS项目年封存能力高达每年400万吨CO2,而中国单体最大的CCUS项目是中国石油吉林油田的CO2-EOR示范项目,年CO2注入量30万吨,CO2封存利用能力等较欧美国家仍有较大差距。

技术层面,中国地质条件的复杂性,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、煤层渗透率较低等,造成大封存容量、高安全性的CO2封存场地选择难度大,对注入技术的要求高,加之目前对于注入的CO2监测能力较弱,存在泄露的风险,故而CO2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。