碳捕獲利用與封存技術的案例
CCUS新技術：我國碳捕集利用與封存技術發展研究丨中國工程科學
本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第6期
作者：張賢，李陽，馬喬，劉玲娜
來源：我國碳捕集利用與封存技術發展研究[J].中國工程科學,2021,23(6):70-80.
編者按
碳捕集利用與封存是將二氧化碳從能源利用、工業過程等排放源或空氣中捕集分離，通過罐車、管道、船舶等輸送到適宜的場地加以利用或封存。碳捕集利用與封存技術，可以實現化石能源利用近零排放，促進鋼鐵、水泥等難減排行業的深度減排，而且在碳約束條件下，可以增強電力系統靈活性、保障電力安全穩定供應、抵消難減排的二氧化碳和非二氧化碳溫室氣體排放，是實現碳中和目標不可或缺的重要技術選擇。
中國工程院李陽院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第6期發表《我國碳捕集利用與封存技術發展研究》一文，對我國碳捕集利用與封存技術水平、示范進展、成本效益、潛力需求等進行了全面評估。文章指出，我國碳捕集利用與封存技術發展迅速，與國際整體發展水平相當，目前處于工業化示范階段，但部分關鍵技術落后于國際先進水平。在工業示范方面，我國具備了大規模捕集利用與封存的工程能力，但在項目規模、技術集成、海底封存、工業應用等方面與國際先進水平還存在差距。在減排潛力與需求方面，我國理論封存容量和行業減排需求極大，考慮源匯匹配之后不同地區陸上封存潛力差異較大。
展開 保證人類零碳未來的托底技術 ——碳捕集利用與封存（CCUS）技術路線利弊分析
01
前言
減碳不僅是國家政策規劃承諾的問題，也是關系到我們人類賴以生存的環境問題。IPCC（政府間氣候變化專門委員會）關于全球變暖1.5℃的特別報告指出，CCUS（碳捕集利用與封存）技術可以有效改善全球氣候變化，并明確指出CCUS技術對于在2050年實現零碳排放具有重要意義。
根據2015的巴黎氣候大會披露的減碳圖表，可以看出CCUS技術主要是在2030年之后全球將逐漸發力于二氧化碳的移除，而這與中國2030碳達峰的目標不謀而合。
來源：Rhodes CJ. The 2015 Paris Climate Change Conference: Cop21. Science Progress 2016;99(1):97-104.
02
主流減碳技術總結
碳減排首先第一步是將二氧化碳捕集，后續可將捕集的二氧化碳直接封存也就是CCS，或是把二氧化碳能源化或資源化也就是CCU。在這些步驟中，二氧化碳捕獲是最關鍵的技術，因為它占整個CCS運營成本的70%以上。
展開 CCUS新技術--礦化：跟我一起探索碳捕集利用與封存方向的突破性技術！
為了對我們的凈零之旅產生突破性影響，我們正在探索一系列下一代技術，以幫助我們實現建筑環境的脫碳。碳捕獲、利用和儲存 (CCUS) 是我們尋找的產品組合中最重要的技術之一。今天介紹的這個技術來自國外，這是在30多個CCUS項目正在進行實踐中，廠家也正在測試的技術將為2030年以后的業務脫碳奠定基礎。
最令人興奮的 CCUS 技術之一被稱為“礦化”，或將 CO 2鎖定在礦物質中。研發單位正在與意大利能源公司 Eni 合作，推進他們的碳捕獲產品組合，將人們運營中產生的 CO 2重新用于生產的綠色水泥。Eni 正在將其碳捕獲和礦化專業知識用于將 CO 2儲存到橄欖石中，橄欖石是一種廣泛使用的礦物。研發單位的創新中心的研究人員正在探索使用這種碳酸化橄欖石作為一種新的低排放原材料來配制我們的綠色水泥。
創新和技術發展是成功應對能源轉型挑戰的戰略關鍵，它將利用 Eni 的研發專業知識和 Holcim 的經驗。通過為難以減排的行業提供合適的解決方案，這項技術使人們能夠加快脫碳進程。Holcim 和 Eni 的全球運營，加上 olivine 在全球范圍內的廣泛可用性，將使該 CCUS 解決方案具有高度可擴展性。它將使 CO 2永久封存 到建筑材料中以實現更環保的建筑，從而增加我們范圍廣泛的創新低排放原材料。研發廠家的團隊目前正在繪制歐洲最相關的地點，以進行工業規模的試點。這種伙伴關系符合人們的凈零旅程以及埃尼對其行業脫碳的承諾。
世界需要變革性技術來加速人們向凈零排放的過渡。通過將 CO 2儲存 在橄欖石等新礦物中，廠家正在擴大我們的綠色水泥解決方案范圍，使可持續建筑在全球成為現實，同時減少企業運營的足跡。
展開 深度解析：碳捕集、利用與封存（CCUS）技術工藝及其適用性
碳捕集、利用與封存（CCUS）是指將工業和有關能源產業所生產的CO?分離、利用，輸送至封存地點并長期與大氣隔絕的過程。
碳捕集、利用與封存（CCUS）流程
國際能源署(IEA)、聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)、國際可再生能源機構(IRENA)等均指出CCUS是最具潛力、最具實效的碳處理技術。作為我國實現碳中和目標技術組合的重要組成部分，不僅是我國化石能源低碳利用的唯一技術選擇，保持電力系統靈活性的主要技術手段，而且是鋼鐵水泥等難減排行業的可行技術方案。
CO?捕集
CO?捕集技術是指將電力、化工等行業利用化石能源時產生的CO?進行收集和分離的過程，該環節是CCUS系統耗能和成本產生的主要環節。按照分離流程，捕集技術可劃分為3個方向:燃燒前捕集、富氧燃燒捕集、燃燒后捕集。
傳統碳捕集技術（來源：DeepTech）
燃燒前捕集技術包括整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）和工業分離兩大類。IGCC是將煤炭、生物質、石油焦等燃料進行氣化，凈化后的氣體用于燃氣—蒸汽聯合循環發電的技術；工業分離是指煤制油、煤制氣、天然氣處理、水泥、甲醇、化肥等產業中進行CO?分離。
燃燒后捕集技術主要是在燃煤發電廠采用物理化學方法對燃燒后煙道氣中的CO?進行捕集。
展開 
2022年中國碳捕集、利用與封存（CCUS）行業洞察報告
CCUS是溫室氣體減排的關鍵技術，其發展對于促進化石能源的高效利用、如期實現“雙碳”目標愿景具有重要意義。目前，我國CCUS仍處于發展早期，部分先進技術尚處于研究階段。未來，隨著政策支持不斷、關鍵技術逐步成熟以及各行業巨大減排需求拉動，我國CCUS將向著低成本、商業化、集群化方向發展，產值規模有望在2050年突破3,000億元。
發展概況
CCUS定義
碳捕集、利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，簡稱 CCUS）是指將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO2永久減排的過程[1]。按照技術流程，CCUS主要分為碳捕集、碳運輸、碳利用、碳封存等環節。其中，碳捕集主要方式包括燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒等；碳運輸是將捕集的CO2通過管道、船舶等方式運輸到指定地點；碳利用是指通過工程技術手段將捕集的CO2實現資源化利用的過程，利用方式包括礦物碳化、物理利用、化學利用和生物利用等；碳封存是通過一定技術手段將捕集的CO2注入深部地質儲層，使其與大氣長期隔絕，封存方式主要包括地質封存和海洋封存。
政策環境：政策助力CCUS技術推廣和示范工程建設
CCUS是目前實現大規模溫室氣體減排的重要技術手段。短期內，我國以石油、煤炭等化石能源為主的能源結構難以改變，發展CCUS可促進化石能源的高效利用，加快傳統高排放行業的轉型發展，對我國實現“雙碳”戰略目標具有重要意義。近年來，我國出臺了一系列政策促進CCUS發展，具體內容包括推動CCUS示范工程建設、加強CCUS技術推廣示范、將CCUS納入綠色債券目錄等。
展開 碳捕集、利用與封存(CCUS)價值鏈研究
圖6 Porthos項目:全范圍二氧化碳管理 圖源/MAN Energy Solutions
2.碳利用
CO2利用是指在工業或化工流程中直接或間接使用CO2生產有價值的含碳產品。并非所有的利用方案都能永久去除CO2，多數方案仍需要大量的可再生能源。
圖7 二氧化碳利用路徑 圖源/MAN Energy Solutions
碳封存
碳封存是將CO2儲存在油氣田或鹽堿含水層等地表下，該技術可追溯到20世紀70年代。
CO2的封存需要將其注入地下深層孔隙巖地質儲層，如鹽堿含水層、枯竭油氣儲層，或含有高濃度活性鈣鎂離子的巖層并已形成穩定的碳酸鹽。據國際能源署2020年一項詳細分析顯示，工業國家70%的排放量是在距離潛在儲存地點100至300公里的范圍內釋放的。目前，至少有8000Gt的空間可用于碳封存。
圖8 MAN Energy Solutions碳捕集、利用與封存解決方案 圖源/MAN Energy Solutions
地質封存的深度必須大于800米，以保持CO2處于稠密液體狀態。這就要求注入壓力通常保持在130至250 bar之間。氣候與能源方案中心列出了超過20處，在各種地質背景已經累計數十年經驗的封存現場。
壓縮技術
壓縮技術是實現CO2管道輸送或以液相注入的前提。壓縮和脫水過程在CO2捕集價值鏈的成本中占比約15%，在總能量消耗中占比約25%。
1.高效整體齒輪式壓縮機
隨著能源成本不斷增加，降低壓縮成本顯得尤為重要。壓縮機設計的選擇會有影響。整體齒輪式壓縮機在效率、中冷、葉輪總數、工藝抽氣/旁路的靈活性，以及入口導葉流量控制等方面優于單軸壓縮機設計。
展開 可持續 | 肯尼亞初創公司借助仿真推動碳捕獲技術的發展
同時，該公司利用虛擬測試和原型設計，相比采用傳統物理試驗方法，最大限度地減少了時間和成本，從而加速產品開發。
了解DAC的不同之處
簡而言之，DAC直接從大氣中捕獲CO?，而點源碳捕獲則針對CO?排放源（如發電廠和工業設施）進行捕獲。那么，哪種方法更好呢？Octavia Carbon熱工程師Hannah Wanjau表示，其實兩種方法都有助于減少碳排放，各自服務于不同的目的，并具有獨特的優勢。
她指出，點源捕獲可防止CO?在排放時進入大氣，但僅限于特定位置，而且無法應對已存在于大氣中的CO?。另一方面，DAC可去除空氣中現有的CO? ，并可在具有充足可再生能源的任何地方進行部署，因此具有更高的通用性。
她說：“因此，DAC將在應對“歷史排放”（數百年來累積的CO?排放），以及抵消航空和重工業等領域不可避免的污染物排放方面發揮至關重要的作用。”DAC專注于去除大氣中的CO?，與點源捕獲相輔相成，有助于實現凈零目標和凈負排放潛力，從而幫助扭轉氣候變化。”
為了增強Octavia Carbon的DAC技術，Wanjau和其他工程師向Ansys尋求強大的多物理場仿真解決方案。
Octavia Carbon流體工程師Victoria Barasa表示：“我們的技術涉及氣體流動，因此我們需要一款工具來幫助我們優化技術設計，以實現最低成本、最高性能和最高安全標準。
DAC的另一個優勢是，捕獲的CO?可以永久封存在深層地質構造中，防止其再釋放到大氣中。此外，捕獲的CO?還可以轉化為有價值的產品，例如合成燃料、建筑材料和塑料。
然而，其優勢還遠不止于此。Octavia Carbon工程師表示，DAC技術具有精確的量化產出和可擴展性，從而確保碳去除工作的透明度。
展開 二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術中4種CO2運輸方式優缺點對比！
”與“碳中和”目標的實現需要大幅度優化現有能源結構和經濟發展方式，同時也需要一定規模的二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術，用以回收較難用可再生能源替代部門的CO2排放。
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編 輯 | 化工活動家
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展開 李健：新型電力系統戰略規劃必須加強統籌協調
要做好協同統籌工作，就要增強技術實力。新型電力系統在建設過程中對顛覆性技術的訴求格外迫切，如碳捕獲、利用與封存技術和柔性直流技術、大規模長時效低成本儲能技術等都將成為推動規劃落地的重要抓手。
此外，在當前新型電網規劃中，建設完善相關體制機制也十分重要。面對多主體協同運行的未來，需要加速構建市場化機制、價格疏導機制，以及新業態、新模式的協同創新機制。
通過技術與機制創新破解“不可能三角”
中國能源報：如何統籌新型電力系統的安全、環保、經濟三大目標？實施路徑是什么？
李健：在戰略規劃研究中，要堅定目標，設立規劃期與完成期，同時要考慮影響各方各面的因素，特別是安全、環保和經濟這三者之間的關系，保證目標順利實現。
具體來看，要實現能源清潔轉型、構建新型電力系統，首先要保證電力安全可靠供應，其次要關注能源轉型技術的發展情況，同時還要計算每一項技術的經濟性及社會可承受的成本，這分別對應著安全、環保和經濟。由于統籌這三方面難度很高，國內外研究機構甚至將此稱為“不可能三角”。碳達峰碳中和目標提出后，規劃將把環保、清潔、綠色放在更高的位置，導致統籌三者之間關系的難度上升。
在新型電力系統建設過程中，技術創新是關鍵動力，需要產業鏈上下游聯合研發創新。同時，聯合技術攻關有望創造更加豐富的應用場景，有利于解決新型電力系統構建過程中遇到的實際問題，在促進產業升級這一內在需求的同時，激發整個行業科技創新的活力。事實上，若以現有技術構建新型電力系統，很難做到安全、環保、經濟協調統一。
展開 CCUS技術在油氣行業中的應用
“雙碳”是碳達峰與碳中和的簡稱，2020年9月中國明確提出了2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。想要完成“雙碳”的目標，CCUS技術（Carbon Capture，Utilization and Storage）即碳捕獲、碳利用、碳封存技術是最重要的技術途徑之一。
目前全球主要能源研究機構、碳減排倡導組織、以及一些國家和地區都將CCUS技術作為未來主要的碳減排技術。
一方面CCUS技術具有較大的碳減排潛力；另一方面它與化石燃料系統具有良好的結合度，可以被廣泛應用于油氣、機械加工、化工、消防等行業。本文將介紹CCUS技術產業模式及國內的發展現狀，分析CCUS技術在油氣行業的應用。
一、CCUS技術介紹以及產業模式
1.CCUS技術介紹
作為應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的重要技術手段，CCUS是通過把生產過程中排放的CO?進行捕集提純，繼而投入新的生產過程進行再利用和封存的技術。CCUS技術產業鏈是由包括碳捕捉、運輸、利用和封存在內的多個環節組成。
碳捕捉：該過程涉及將CO?從燃料燃燒或工業過程中分離出來。此過程可以通過不同的技術實現，包括吸收、吸附、分離和膜分離等。
碳運輸：一旦CO?被捕捉后，它必須從源頭輸送到注入或利用的地點，通常涉及使用管道運輸。
碳利用：除了注入地下儲層外，CO?還可以被用于不同用途，產生新的化學品和材料，主要通過將其與其他化合物反應來實現。例如將CO?與氫氣結合生成甲烷。
碳封存：CO?被注入到地下儲層中，以實現長期封存。
2.CCUS產業模式
目前國內外CCUS產業模式分為3類：
CU型：產業環節組合為捕集—利用，即對排放的CO?進行捕集，其捕集的CO?直接利用于化學品、制冷、飲料等。
展開 
CCUS的事實有何成效？我國百萬級CCUS項目梳理
CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage, 碳捕獲、利用與封存）技術是CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕獲與封存）技術新的發展，是指將對大型排放源所排放的二氧化碳進行捕集、壓縮后輸送并封存，或工業應用的一種技術。這種技術可有效緩解溫室效應，被認為是未來大規模減少溫室氣體排放、減緩全球變暖可行的方法。
CCUS技術及主要類型示意圖
據北極星碳管家網統計，目前我國已有6個建成/在建/擬建中的百萬噸級CCUS項目。分別由中國石化、通源石油、華能集團、中國石油、廣匯能源、延長石油建設。
華能隴東能源公司150萬噸級CCUS項目
項目主體工程依托華能隴東能源有限責任公司正寧電廠項目，同步規劃、同步建設、同步投運，建成世界最大年捕集量150萬噸的大規模CCUS技術全流程示范項目，打造電力企業和石油企業合作的大規模CCUS樣板工程。該項目針對我國目前CCUS領域存在的技術問題，整合及協調各方科研力量及產業資源，突破二氧化碳捕集、管道輸送、驅油與地質封存等關鍵技術，完成核心設備國產化研制。
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