CCUS:兜底碳中和 固碳新保障

发布日期:2021-05-11· 能源高质量发展 张榕馨

中国石化目前已开发了低能耗二氧化碳捕集、输送与驱油封存关键技术体系。二氧化碳捕集与驱油封存技术已应用于多个重大项目。是国内外首个燃煤电厂烟气二氧化碳捕集、输送与驱油封存联用的CCUS全流程示范工程。

4月10日,第六届碳捕集利用与封存国际论坛在北京举办。此次论坛吸引了众多来自国内外的行业专家、高校及龙头企业代表参加,论坛规模达约300人,可见碳捕集、利用与封存(以下简称“CCUS”)话题在能源圈的火热程度。

CCUS被认为是未来应对全球气候变化、控制温室气体排放的重要技术之一,世界多国都在大规模推动。截至目前,我国已建成CCUS示范项目35个,行业发展已建立起较好基础。

近日,由中石化石油工程建设有限公司教授级高级工程师陆诗建博士作为总负责人的“低能耗相变吸收体系捕集二氧化碳与驱油封存关键技术开发及应用”项目,荣获湖北省2020年度科学技术进步奖一等奖。载誉归来,陆诗建博士为《能源高质量发展》记者详解了CCUS技术在采油行业的应用现状和前景。

聚焦CCUS“黑科技”

“国内低浓度二氧化碳气源中,44%来自燃煤电厂,钢铁厂和水泥厂加起来又占了近20%。综合考虑我国以煤炭为主的能源禀赋,为实现碳达峰、碳中和,这部分排放必须解决,CCUS技术可能成为实现减碳目标的‘兜底’技术。”陆诗建介绍道。

研究数据显示,在技术成熟的前提下,CCUS技术有可能实现二氧化碳近零排放,在促进煤炭清洁利用方面具有重要作用,还有可能对石油、燃煤燃气发电、钢铁、水泥、炼化、煤化工、电解铝等行业的优化发展起到明显的推进作用,将成为全球气候解决方案的重要组成部分。如今,推进CCUS重点项目建设已被写入“十四五”规划,多家能源行业研究机构也在分析报告中将CCUS技术列为实现碳中和的重要技术。

据陆诗建介绍,二氧化碳捕集与驱油封存(CCS-EOR)是当前CCUS技术的主要路径之一,技术体系主要包括捕集、输送、注入、二氧化碳驱采油、产出液地面集输与处理、产出气回收回注、全流程环境监测7个环节,采用超临界二氧化碳对原油进行驱替,可在对原油进行处理的同时,对产出气进行回收。“这种技术能够将二氧化碳捕集并用于驱油,还可同时实现地下封存,不仅具有巨大的封存潜力、良好的环境效益,还能增加原油产量,助力保障国家能源供给。”他说。据悉,面向国家碳减排与油藏开发重大需求,中国石化目前已开发了低能耗二氧化碳捕集、输送与驱油封存关键技术体系,满足了CCUS项目的低能耗、高安全、高回收率等要求,形成了CCUS全流程关键工程技术,并进行了规模化推广应用。

“在捕集环节,化学法是最常用的手段之一,而在项目实践中,我们发现需要处理的二氧化碳动辄就几十甚至几百万吨。因此,如何开发高效、低能耗、环境友好的吸收剂,便成了技术开发的首要问题。”陆诗建说。

针对电厂烟道气低二氧化碳分压、低浓度、组分复杂等特点,陆诗建带领团队发明了低能耗、大吸收容量多氨基二氧化碳吸收剂,使再生能耗不大于2.9吉焦/吨二氧化碳、吸收剂损耗不大于1.0千克/吨二氧化碳。截至目前,该吸收剂已在北京华能热电厂、陕西国华锦界电厂、江苏华电句容发电厂等多个项目中应用。

在捕集端,为了对电厂排出的烟气进行预处理,陆诗建带领团队开发了低压降“碱洗+旋流”烟气脱水、脱硫技术,以方便二氧化碳的后续处理和提纯。“除杂质外,去掉烟气中的水成分也是必要的处理环节。”陆诗建说,“如果不除水,在运行过程中,水分会与吸收剂相溶并造成捕集系统水不平衡,进而带来吸收剂损耗,导致处理成本上升。”

为回收系统余热,实现能耗有效降低,在节能工艺方面,陆诗建带领科研人员反复实验,发明了以“级间冷却+吸收式热泵+MVR热泵”为核心的热泵式高效低能耗二氧化碳捕集工艺,提高了吸收负荷,实现了解吸溶液热能梯级利用,降低了系统再生能耗和循环水用量。

除工艺技术外,在CCUS关键设备领域,陆诗建还带领团队开发了基于高传质效率填料、双切向V叶片气体分布器、溢流复合槽式液体分布器的大型二氧化碳捕集反应塔,使烟气处理能力提高了20%,二氧化碳捕集工程设计规模达200万吨/年,全塔效率提高 20%。此外,反应塔布置的改进,也能够提升CCUS项目施工阶段的设备装配效率。

“捕集后的下一个环节就是输送。针对二氧化碳的独特化学性质和项目所在地区环境情况,需要对每个项目的二氧化碳输送有针对性地选择输送相态和布置管道。”据陆诗建介绍,二氧化碳气相输送适用于小输量、短距离的长输管道,介质来源属于气相的工况,更适合于人口密集区域;一般液体输送适用于小输量、短距离的油田内部集输管道,介质来源属于液相的工况,管道需要考虑保冷;而超临界输送则适用于大输量、长距离的长输管道,对不同的二氧化碳输送量兼容性较强,适用于人口较少的地区,在国外CCUS项目中更为常见。

CCUS捕集压缩后的产品气是高浓度和中高压状态下的二氧化碳,如果在运输、注入和封存过程中发生泄漏,将对事故附近的生态环境造成重大影响。因此,考虑到CCUS项目可能带来的环境影响,需要对其在进行环境监测、风险防控的过程中,制定出切实有效的全流程、全阶段管控方案。

为此,陆诗建带领团队开发了空天地一体化二氧化碳驱油封存监测技术,结合PSInSAR和CRInSAR技术,优化了大气改正、相位解缠算法,克服了失相干严重、精度低等难题,实现了区域地面变形时空序列高精度监测。相比常规InSAR技术,该技术的精度提高了10%以上。

值得一提的是,在长期的工程实践中,陆诗建带领团队还提出了高时效性环境风险识别预警方法和三等级(风险高、中、低)、三层次(空中、地面、地下)、三介质(气体、液体、固体)的环境监测体系。通过7年多的现场试验和监测分析,建立了土壤气、大气、地下水、地面变形、植被遥感等系统的监测方法体系,形成了环境介质监测分析数据库。

“基于CCUS环境风险评估技术指南、FEP的环境影响评价矩阵,我们团队建立了二氧化碳驱油封存工程项目的环境风险评价原形系统。评价结论表明,示范区的大气、土壤、地表水和地下水的环境风险等级均为轻微水平。”陆诗建表示,“至此,我们基本上可以说形成了CCUS全生命周期管理,打通了二氧化碳捕集、输送、利用、封存与监测的每一个环节。”

“让碳减排技术真正为项目所用。”

目前,二氧化碳捕集与驱油封存技术已应用于多个重大项目,陆诗建团队走在了科技成果转化的最前方。“随着胜利电厂4万吨/年二氧化碳捕集纯化与驱油联用工程、延长石油36万吨/年CCUS示范工程、新疆塔河油田酸气永久封存项目、华电句容电厂碳捕集工程和锦界电厂15万吨/年二氧化碳捕集纯化工程等项目的相继实施,我们估计产业化推广项目年减排二氧化碳可超过105万吨。除单项技术的研发外,最关键的是要让技术真正为项目所用,即将研究成果最经济、最合理地应用到项目中。”陆诗建说。

据悉,2010年投产的胜利电厂烟气二氧化碳捕集与驱油封存示范工程,是国内外首个燃煤电厂烟气二氧化碳捕集、输送与驱油封存联用的CCUS全流程示范工程,陆诗建牵头参与了该项目的技术研发。项目将胜利电厂烟气中的二氧化碳捕集出来,经过压缩、干燥、液化及存储后,通过罐车输送至油区,用于驱油与封存,截至目前,已累注二氧化碳27万吨,累增油6.2万吨,阶段换油率0.23吨/吨二氧化碳,二氧化碳动态封存率86%,在实现减排封存的同时,有效提高了原油采收率。


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