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3月9日~10日,2023(第二屆)二氧化碳減排與資源化利用技術先鋒論壇在成都舉辦。論壇由中國石油和化工聯合會主辦,兩院院士、業界專家、高校學者就我國CCUS(二氧化碳捕集、利用與封存)產業發展進行深入探討,認為從二氧化碳捕集到物理、化學和生物利用直至封存的最大制約因素是成本,必須加強科技創新,開發更高效、更低成本的二氧化碳捕集技術與利用技術,加快建立CCUS產業體系。石化行業是我國國民經濟的支柱產業,也是主要碳排放源,“結構轉型+碳減排”是石化行業發展的重點及難點,面向不遠的將來,石化產品將多一個“屬性”——碳標簽。
本版文字由本報記者 程 強 整理
CCUS是碳中和必不可少的技術選擇
專家一致認為:依賴傳統減排路徑無法實現碳減排目標,而CCUS是目前實現化石能源零碳利用的唯一途徑,是碳中和必不可少的技術選擇。
聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)預測,2030年和2050年CCUS減排量分別為1億~4億噸和30億~68億噸。國際能源署(IEA)預測,全球于2070年實現凈零排放,CCUS是第四大貢獻技術,占累計減排量的15%。國際可再生能源署(IRENA)預測,2050~2060年實現凈零排放,2050年CCUS將貢獻約6%,即27.9億噸/年的減排量。而據相關機構預測,到2050年,CCUS對我國減排貢獻將達到10億噸/年的量級,占比10%~15%。
同時,全球氣候投融資快速增長。據相關機構數據,2021年全球能源轉型投資總額達7550億美元(2020年為5013億美元),中國投資是美國的2.3倍;2021年全球綠色債券發行規模6210億美元(2020年為2970億美元),美國第一,中國第三;2021年全球碳市場交易總額約7594億歐元(2022年為2878億歐元),中國位列歐盟、北美、英國、新西蘭之后。
世界各國均加快推進CCUS項目。全球首個燃煤電廠百萬噸級二氧化碳捕集與封存工程——加拿大邊界大壩項目自2014年底運行以來,已累計捕集二氧化碳415萬噸,純度99%,主要用于強化采油和地質封存。
全球最大燃煤電廠二氧化碳捕集與驅油封存商業化工程——美國佩特拉諾瓦項目2016年12月正式啟動商業運行,每噸二氧化碳捕集能耗約2.4吉焦,綜合成本在55~60美元。
全球首個百萬噸級吸附法二氧化碳捕集與封存商業化工程——美國阿瑟港項目2013年初開始商業運行,每噸二氧化碳捕集能耗約2.5吉焦,捕集后用于提高石油采收率。
全球首個百萬噸級生物質碳捕集封存(BECCS)商業項目——美國伊利諾斯乙醇廠捕集封存項目,將乙醇廠生產的二氧化碳捕集后進行地質封存。
全球首個垃圾發電碳捕集封存工程——挪威富海垃圾電廠項目計劃2026年建成投運。
全球首個運行的直接空氣碳捕集與封存(DACCS)項目——瑞士空氣技術企業“氣候工廠”和冰島碳封存技術公司合作的空氣碳捕集與封存項目,將從空氣中捕集到的二氧化碳與水混合,泵入地下1000米深處,在數年內會變成石頭。
全球首個百萬噸級DACCS項目——加拿大空氣碳捕集封存項目,設計每噸二氧化碳的捕集能耗為8.81吉焦。
目前,全球CCUS減排量超4000萬噸/年,我國占比低于5%。我國也已建成約40個CCUS示范項目,年碳捕集能力超300萬噸,設計和在建CCUS工程呈現規模化、全流程、產業集群化趨勢。
國家能源集團錦界電廠15萬噸/年CCUS示范工程,是國內已投運最大的燃煤電廠燃燒后捕集示范工程,每噸二氧化碳捕集能耗為2.35吉焦,綜合成本在250~300元。在泰州電廠建設50萬噸/年CCUS示范工程,設計每噸二氧化碳捕集能耗小于2.4吉焦,完全成本低于250元。
中國華能建立了具有自主知識產權的煙氣二氧化碳捕集理論和成套技術體系,目前正在華能隴東能源基地建設世界最大燃煤電廠CCS項目,年捕集150萬噸,利用3700米深的咸水層封存。
延長石油建成30萬噸/年CCUS示范工程,由于煤化工排放二氧化碳濃度高(78%~98%),每噸二氧化碳捕集能耗僅1.37吉焦,成本僅105元。目前,已完成500萬噸/年CCUS項目總體規劃編制。
中國石化建成我國首個百萬噸級齊魯石化-勝利油田CCUS項目,示范區動用儲量2500多萬噸,預計15年累計注氣超千萬噸、累計增油近300萬噸,提高采收率11.6個百分點。中國石化還形成陸相頁巖油二氧化碳前置壓裂技術,增強壓裂效果,補充地層能量,提高單井最終采出量,已在勝利濟陽頁巖油等全面應用,多口井初期日產油超百噸,正建設陸相頁巖油國家級示范區。
中國科學院上海高等研究院研究員孫楠楠說,在碳中和全新情景下,CCUS整體定位發生深刻變化,它是目前實現大規模化石能源零排放利用的唯一選擇,是保持電力靈活性的主要手段,是鋼鐵、有色、化工、水泥等難減排行業的必要方案,是非化石能源“碳元素”獲取和循環利用的主要手段,與新能源等耦合的負排放技術是實現碳中和目標的托底保障。
中國工程院院士李陽說,國外提出的是CCS,我國于2010年提出CCUS,就是強調碳的資源化利用,通過利用實現減排增匯,并與傳統產業、新興產業耦合,重塑工業流程,形成新興產業。CCUS產業鏈包括捕集、輸送管網、能源化工、工業氣體、儲存等,產業鏈復雜,運營周期長,投資大。
當前,我國CCUS產業發展的困境是規模較小、建設和運營成本高昂,受制于消納利用場景,全產業技術鏈有待升級。更重要的是,推動CCUS商業化運行,需要多種政策激勵,政策直接影響CCUS成本。如美國45Q法案規定,應用CCUS的企業享受減稅35~50美元/噸二氧化碳。
因此,多位專家建議:國家層面應制定激勵政策、加大激勵力度,同時,開展CCUS標準體系建設,構建CCUS技術體系,開展CCUS減排量核算方法學研究,推進能源核心區CCUS產業化集群建設。
結構轉型+碳減排”是石化行業發展的重點及難點
中國石化石科院建成 石化產品碳足跡數據庫
石油和化學工業是我國國民經濟的支柱產業,行業總產值居世界第二,僅次于美國, 2022年,全行業實現營業收入16.56萬億元,占全國規模以上工業企業主營收入12%。同時,石油和化學工業是我國主要的碳排放來源,2020年行業碳排放總量約13.5億噸,占我國工業排放量的21%、全國碳排放總量的14%。
石化行業碳排放集中度較高,油品、乙烯、甲醇、合成氨、電石、燒堿等產品碳排放量合計占全行業的2/3以上。
中國中化副總經理張方表示,石化行業特點決定了其既是能源資源的消耗者,也是創造者;既是碳的排放者,也是利用者。碳是石化化工行業最重要的物質和能源基礎,化學品中碳元素質量占比達60%以上,且在相當長時間內,碳基能源仍將是企業的主要能量來源。
我國石化行業零碳轉型主要挑戰有三方面:從需求端看,行業仍處于上升期,化工產品總需求整體仍將不斷增加;從供給端看,中國化工生產對煤依賴度高,而與煤相關的碳強度大大高于其他原料;中國化工生產相關資產仍偏年輕化,快速轉型可能帶來的擱淺資產風險更高。
石化行業碳排放主要來源于能源利用和工業排放,能效提升及能源結構轉型、產業升級、二氧化碳的化工利用等是減排重要途徑。
中國石化石油化工科學研究院低碳經濟研究中心副主任吳昊說,新發展階段,“結構轉型+碳減排”是石化行業發展的重點及難點,但面臨減排時間緊、制約因素多、數據基礎弱、轉型碳排放高等挑戰。
優良的總流程基因是煉廠碳減排的重要因素,在相同的化工品收率下,方案優化后總碳減排在30%左右;在不同總流程下,化工品碳強度相差60%以上,低碳強度化工品在未來低碳產業鏈構建中將具有顯著競爭力。
因此,面向不遠的將來,石化產品將多一個“性質”——碳標簽。目前,已有英國、美國、法國、德國及日本等多個國家建立了“碳標簽”認證制度,鼓勵各公司自愿推出產品碳標簽,引導消費者支持同類產品中的低碳產品。
為此,中國石化石油化工科學研究院建立了石化行業“雙碳”平臺,碳足跡數據庫涵蓋40+家煉廠、400+套裝置、150+種中間物料、100+種最終產品、1600+碳排放數據;建立了煉廠資源與碳排放優化系統與產品碳足跡管理系統;面向碳減排及碳足跡的源頭低碳、過程降碳、末端治理三類低碳技術。
源頭低碳方面,典型技術有廢塑料化學循環技術和生物航煤技術。中國每年有9000萬噸新生塑料,碳排放約1.8億噸,如果按照20%為再生塑料計算,可減排二氧化碳1800萬噸。廢塑料化學循環是降低聚烯烴碳足跡的重要途徑,將發揮“碳標簽”重大資產價值。另外,采用餐飲廢油生產生物液體燃料全生命周期碳排放比石油基產品低80%左右。
過程降碳方面,對于千萬噸級煉廠來說,應用換熱網絡集成優化技術,可減少碳排放2萬~5萬噸/年,能效提升1~3千克標準油/噸,增效1500萬~3000萬元/年;應用蒸汽動力系統優化技術,可實現節能13~19千克標準油/噸蒸汽,減少碳排放2.5萬~6萬噸/年;應用低溫余熱高效利用技術,在提高低溫熱回收利用率10%的情況下,可減少碳排放4萬噸/年;應用氫氣資源高效利用技術,可實現碳減排2萬~3萬噸/年。此外,還有分離系統智能優化、低碳排放的催化裂化、組分煉油實現流程再造等技術可實現碳減排。
末端治理方面,除各機構都在研究的二氧化碳加氫制甲醇技術外,二氧化碳加氫直接制備噴氣燃料是一項顛覆性戰略技術,相比石油基航煤,每噸航煤全生命周期碳減排近3噸,國際能源署預測2050年全球航煤需求6.49億噸,即使實現20%的替代,全球每年碳減排仍在近4億噸。
石化企業所在的工業園區,則是降碳減污的主戰場。據中國工程院院士賀克斌團隊的調研,全國國家級省級園區數量2543個,50%的工業企業集中在園區,園區產值占全國比例50%,園區碳排放占全國31%。
工業園區復雜性體現在:多空間多系統疊加,多利益相關方集中;多樣化物質能量流動過程;系統優化需統籌供應鏈、產業鏈、價值鏈。該團隊認為:中國工業園區碳排放脫鉤路徑是資源增效減排、工業過程減排、結構調整減排。
張方指出,石化行業與其他產業交叉度高,超過96%的工業過程直接涉及化工品,下游應用包括汽車、醫療、電子及快消品等,加之“雙碳”政策推動新能源、綠色建筑等領域快速發展,催生化工新材料業務大量新的發展機會,因此,通過創新技術,石化企業除了自身減碳,還可以通過化工方案促進其他產業鏈低碳轉型。
如制造輕量化內外飾材料及非化石替代能源減少交通碳排放,其中,碳纖維增強塑料替代金屬可使汽車減重30%~60%,降低汽車24%~48%的碳排放。再如,通過制造保溫材料減少建筑熱損耗,新型保溫材料可降低建筑運行碳排放10%以上。
燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集技術
胺溶液吸收法
已有工業化示范裝置
原理:利用二氧化碳與堿性溶液之間的化學反應,將二氧化碳從煙氣中分離出來
優點:二氧化碳吸收能力強、速率高,得到的二氧化碳純度高,技術成熟
缺點:成本高,溶液再生能耗大
膜分離法
實驗室研究階段
原理:利用各種氣體在不同膜材料中滲透速率的差異來實現分離
優點:對設備要求低,無須耐高溫高壓的設備,能耗低,可連續操作
缺點:膜成本高、壽命短、可靠性差
固體吸附法
一種非常有潛力的低成本二氧化碳捕集技術
原理:利用固體吸附劑與混合氣中二氧化碳的選擇性可逆吸附作用,來分離回收二氧化碳
優點:對設備腐蝕性小、吸附劑再生能耗低、節能效果明顯
難點:開發選擇理想的吸附劑
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