CCUS的關(guān)鍵利用

○ 文／李 陽

發(fā)展全流程CCUS產(chǎn)業(yè)，要立足氣源與礦場應(yīng)用一體化降低氣源成本，立足驅(qū)油與埋存一體化實(shí)現(xiàn)埋存和增產(chǎn)原油最大化。

●“降低捕集技術(shù)成本和能耗，我國CCUS利用前景廣闊”。供圖/中國石化

人物簡介

李陽 油氣田開發(fā)地質(zhì)、開發(fā)工程專家，教授級高級工程師，中國工程院院士?，F(xiàn)任中國石化股份公司副總工程師，國家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)專項(xiàng)”技術(shù)副總師，2016中國CCUS產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟輪值主席。

長期從事油氣藏提高采收率理論與工程技術(shù)研究工作。近年來致力于二氧化碳捕集及驅(qū)油提高采收率技術(shù)的研究與示范應(yīng)用，在中石化CO2捕集、驅(qū)油和產(chǎn)出CO2回收利用技術(shù)方面取得重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)增加原油產(chǎn)量和CO2埋存的“雙贏”，推動了CCUS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

CCUS（碳捕集、利用和封存）是近年來國際社會應(yīng)對氣候變化的熱點(diǎn)問題。數(shù)據(jù)顯示，近150年左右，大氣中的二氧化碳含量大幅度增長，由工業(yè)革命前的280mg/L上升至目前的396mg/L，導(dǎo)致全球氣溫上升。全球碳捕集研究院發(fā)布報(bào)告預(yù)警稱，如果碳排放沒有大幅度減少，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末全球升溫超過2℃，極端天氣和自然災(zāi)害將更加頻發(fā)。

應(yīng)對氣候變化的需要催生了CCUS技術(shù)。2006年中國成為全球最大的碳排放國家以來，我國的碳排放量約占全球碳排放總量的1/4，減排和應(yīng)對氣候變化的壓力日益增大。作為二氧化碳減排的有效途徑，CCUS兼顧了能源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)兩大主題。對我國以煤炭為主要能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)來說，發(fā)展CCUS技術(shù)是實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的必然選擇。因此，應(yīng)進(jìn)一步加大技術(shù)研發(fā)，降低捕集技術(shù)的成本及能耗，發(fā)展全流程CCUS產(chǎn)業(yè)。

我國CCUS政策和行動

我國高度關(guān)注CCUS技術(shù)發(fā)展。上世紀(jì)90年代以來，先后制定了一系列政策和法規(guī)，推動了技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1992年7月，國家發(fā)布了《中國21世紀(jì)議程—中國21世紀(jì)人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書》；2003～2010年，發(fā)布《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》《中國應(yīng)對氣候變化科技專項(xiàng)行動》；2011～2014年，發(fā)布《中國碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖》《“十二五”國家碳捕集與封存科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》《關(guān)于推動碳捕集、利用與封存試驗(yàn)示范的通知》《關(guān)于加強(qiáng)碳捕集、利用與封存試驗(yàn)示范項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)工作的通知》；2014年以來，發(fā)布《強(qiáng)化應(yīng)對氣候變化行動—中國國家自主貢獻(xiàn)》《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)指南(試行)》《全國碳排放權(quán)交易市場建設(shè)方案（發(fā)電行業(yè)）》。北京、上海、陜西、寧夏、河南等16個(gè)地方政府出臺了20多項(xiàng)政策和法規(guī)，積極推動CCUS技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

在國家科技部指導(dǎo)下，2013年11月6日，由企業(yè)、研究院所和大學(xué)組成的CCUS產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立，以推動CCUS技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。中石化、中石油、華能、神華等企業(yè)已在國內(nèi)建成30多個(gè)示范項(xiàng)目，吉林油田二氧化碳-EOR、勝利油田二氧化碳捕集和驅(qū)油等項(xiàng)目取得好效果。

2010年，為了推動CCUS技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在國際社會提出的CCS（碳捕集和封存）基礎(chǔ)上，我國提出CCUS發(fā)展理念，構(gòu)建了一條從“C（捕獲）”輸送到“U（利用）”或者“S（封存）”的完整鏈條。國家科技部指出，我國應(yīng)該以“U”為中心，發(fā)展CCUS技術(shù)來推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這一理念被國際社會廣泛接受。

在國家“973”、“863”等重大研發(fā)及示范工程項(xiàng)目的支持下，我國CCUS產(chǎn)業(yè)形成了二氧化碳捕集、驅(qū)油利用和鹽水層封存技術(shù)，并建成了多個(gè)二氧化碳驅(qū)油與埋存技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，聚集了專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，建成了國際一流實(shí)驗(yàn)裝置平臺，形成了完備實(shí)驗(yàn)測試方法體系。

我國CCUS技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

我國CCUS技術(shù)研究聚焦在高效捕集、安全埋存及高效驅(qū)油利用的科學(xué)問題，研究低成本捕集技術(shù)、驅(qū)油/埋存工程方法、埋存安全監(jiān)控等技術(shù)和方法，在不同類型排放源捕集、驅(qū)油與埋存、鹽水層埋存以及綜合利用技術(shù)研究方面取得了進(jìn)展。

形成了針對三種主要排放源的捕集技術(shù)。

二氧化碳的排放主要來源于高碳天然氣、燃煤電廠、水泥廠、鋼鐵廠、煤化工和煉化廠等。經(jīng)過近年來的研究和示范，國內(nèi)已形成高碳天然氣、燃煤電廠和煉化廠排放源的捕集技術(shù)，建成了130多萬噸的二氧化碳捕集能力，其中煤化工二氧化碳排放濃度高，捕集成本低。

高碳天然氣捕集技術(shù)：以松南高碳天然氣分離捕集裝置為代表，采用MDEA胺法脫碳工藝，將松南高碳?xì)馓铮ǘ趸己?3%）中的二氧化碳捕集分離，生產(chǎn)清潔天然氣，年處理能力達(dá)50萬噸。

煉化廠捕集技術(shù)：以中原化工總廠煙氣捕集處理裝置為代表，采用復(fù)合胺液捕集二氧化碳工藝技術(shù)，將催化裂化煙氣（二氧化碳含量16.6%）中的二氧化碳捕集回收、液化，減少二氧化碳排放，捕集規(guī)模12萬噸/年。

燃煤電廠捕集技術(shù)：從燃燒類型劃分，主要分為燃燒后捕集、燃燒前捕集、富氧燃燒三種途徑。燃燒后捕集是現(xiàn)階段的主流方向，目前第一代二氧化碳捕集技術(shù)已趨于成熟。

勝利電廠已建成了國內(nèi)首個(gè)燃煤電廠煙氣CCS全流程工程。該工程將勝利電廠燃煤煙道氣中體積濃度約14%的二氧化碳進(jìn)行捕集并壓縮、液化，最終純度達(dá)99.5%，年捕集能力3萬噸，輸送至勝利低滲透油藏進(jìn)行驅(qū)油和封存。該碳捕集技術(shù)采用MSA復(fù)合吸收劑和熱泵技術(shù)，與傳統(tǒng)MEA法相比，具有吸收能力提高30%，再生能耗下降20%，氧化降解率由3.08%下降到0.52%的技術(shù)優(yōu)勢。熱泵技術(shù)將低品位余熱提升為高品位熱能再利用，使每噸液體二氧化碳再生能耗降低25%，節(jié)約成本25元。通過碳捕集技術(shù)的應(yīng)用，勝利電廠液體二氧化碳捕集成本控制在300元/噸左右。

二氧化碳驅(qū)油埋存技術(shù)進(jìn)展。

由于缺乏天然二氧化碳?xì)庠?，氣?qū)技術(shù)在中國工業(yè)化應(yīng)用較晚。近年來，碳捕集技術(shù)發(fā)展提供了二氧化碳?xì)庠矗瑸闅怛?qū)提高采收率創(chuàng)造了條件。中石油、中石化和延長石油在30多個(gè)區(qū)塊開展了二氧化碳驅(qū)油埋存礦場試驗(yàn)。其中，中石油以捕集高碳天然氣中的二氧化碳為基礎(chǔ)開展了二氧化碳驅(qū)油-EOR實(shí)踐；中石化以燃煤電廠、高碳天然氣、煉化廠捕集二氧化碳為基礎(chǔ)開展了CCUS全流程工程實(shí)踐；延長石油則開展了以石油化工與煤化工耦合副產(chǎn)品二氧化碳為基礎(chǔ)的驅(qū)油工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了示范區(qū)增加原油產(chǎn)量和二氧化碳埋存的“雙贏”。

經(jīng)過多年研究，特別是近10年的攻關(guān)和示范，我國二氧化碳驅(qū)油埋存基礎(chǔ)理論研究和工程技術(shù)有了重大進(jìn)展，形成了二氧化碳混相驅(qū)、非完全混相驅(qū)室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)、氣驅(qū)方案設(shè)計(jì)、全過程數(shù)值模擬實(shí)時(shí)跟蹤及調(diào)整技術(shù)、二氧化碳分層注采集輸工藝技術(shù)、二氧化碳腐蝕與防護(hù)技術(shù)、二氧化碳綜合監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)、驅(qū)油及埋存選址和容量評估等技術(shù)，為大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

草舍油田泰州組低滲透油藏位于溱潼凹陷南部深凹邊緣的陡坡斷階帶，油藏埋深3020米，孔隙度14.08%，滲透率46mD，原油黏度12.83 mPa·s，混相壓力29.34MPa。2005年7月投注，注入井5口，采用連續(xù)注氣轉(zhuǎn)水氣交替方式注入。2013年12月完成注氣，累注二氧化碳液體17.98萬噸，已累計(jì)增油6.65萬噸，提高采收率4.68%，預(yù)計(jì)最終可提高采收率17.2%。

濮城油田沙一高含水油藏位于東濮凹陷中央隆起帶東北部，孔隙度28.1%，滲透率690mD。1992年因高含水停產(chǎn)廢棄，油田采出程度達(dá)到50.9%。2008年，濮1-1井進(jìn)行二氧化碳驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)，2013年12月擴(kuò)大注入，設(shè)計(jì)注氣井10口，生產(chǎn)井38口。采用水氣交替注入，已累注二氧化碳液體34萬噸，累計(jì)增油1.7 萬噸，預(yù)計(jì)最終提高采收率6%。

咸水層二氧化碳驅(qū)水與鹽水層埋存技術(shù)進(jìn)展。

我國西部和內(nèi)蒙在干旱地區(qū)煤化工產(chǎn)業(yè)集中，在深部咸水層采用二氧化碳封存與咸水開采技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)埋存，又可以提供水資源，具有較好的技術(shù)前景。神華CCS項(xiàng)目在全球首次建成了煤制油高濃度二氧化碳陸相咸水層年封存10萬噸級CCS示范工程，累計(jì)注入30.2萬噸二氧化碳，初步證實(shí)了其技術(shù)可行性。

綜合利用技術(shù)研究進(jìn)展。

二氧化碳綜合利用研究覆蓋了礦業(yè)、化工、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。二氧化碳微藻生物制油以煉廠二氧化碳廢氣為碳源，吸收二氧化碳能力相當(dāng)于森林的10～50倍，同時(shí)養(yǎng)殖的微藻為生物柴油的開發(fā)提供基礎(chǔ)原料，可為煉廠減排二氧化碳20%以上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。目前，中國石化已完成中試。磷石膏礦化固廢利用及二氧化碳合成氣等技術(shù)獲得了重要進(jìn)展，展示了良好前景。

●“地球一小時(shí)”，中國共此時(shí)。自2013年以來，中國的碳排放基本實(shí)現(xiàn)零增長。/視覺中國

CCUS技術(shù)發(fā)展前景

CCUS技術(shù)應(yīng)對氣候變化的作用已成為國際社會的共識。據(jù)IPCC研究，在幾乎所有應(yīng)對氣候變化的情景下，都需要CCUS的貢獻(xiàn)。因此，我們應(yīng)該盡早發(fā)展和布局CCUS技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，特別是在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與區(qū)域環(huán)境容量矛盾日益加劇的情況下，發(fā)展CCUS更具重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國CCUS利用前景廣闊。煤炭在現(xiàn)在和將來的較長時(shí)期，仍然是我國能源的主力。其直接燃燒引起大量的二氧化碳排放。應(yīng)用CCUS耦合煤的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)煤的清潔化利用、促進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，有望形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，有效支撐我國綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略。

CCUS-EOR技術(shù)，可以提高原油采收率、增加油氣產(chǎn)量、減少能源對外依存度。礦場實(shí)踐表明，二氧化碳-EOR提高采收率幅度達(dá)8%～20%，是有效的增產(chǎn)手段，對國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

二氧化碳綜合利用存在潛在收益。二氧化碳化工產(chǎn)業(yè)、二氧化碳生物利用技術(shù)已成為國內(nèi)外二氧化碳利用的研究熱點(diǎn)，部分化工利用技術(shù)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，預(yù)示著良好的發(fā)展前景。

我國亟待加快CCUS技術(shù)升級換代。一是在當(dāng)前技術(shù)條件下，成熟的化學(xué)吸附法能耗高、成本高，捕集成本為300～400元/噸，埋存成本為200～300元/噸。從發(fā)展的視角看，企業(yè)負(fù)擔(dān)不起。同時(shí)，增加捕集二氧化碳環(huán)節(jié)，發(fā)電廠每千瓦時(shí)能耗將增加10%左右。二是我國東部地區(qū)油藏多為陸相沉積，原油大都為石蠟基原油，二氧化碳混相壓力高，驅(qū)油效率較低，提高采收率幅度低，大規(guī)模驅(qū)油利用需進(jìn)行深化研究。因此，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，加快CCUS技術(shù)升級換代。

依據(jù)CCUS技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展，預(yù)計(jì)2035年，第一代捕集技術(shù)的成本及能耗與目前相比降低15%～20%；2045年前后，第二代捕集技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，成本及能耗將比第一代技術(shù)降低10%～15%；2050年，CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣泛部署，建成多個(gè)CCUS產(chǎn)業(yè)集群。

促進(jìn)CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。我國CCUS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向是發(fā)展全流程CCUS產(chǎn)業(yè)，特別是要立足于氣源與礦場應(yīng)用一體化，提供低成本氣源，提升整體效益。要立足于驅(qū)油與埋存一體化，實(shí)現(xiàn)二氧化碳埋存和增產(chǎn)原油最大化。應(yīng)重點(diǎn)推動京津冀、鄂爾多斯區(qū)域CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展。京津冀地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境容量矛盾突出。該地區(qū)有勝利、大港、華北等油田，具備二氧化碳驅(qū)油埋存的條件，因此可以選擇京津冀地區(qū)進(jìn)行CCUS技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范工程建設(shè)，開展埋存潛力評價(jià)，實(shí)現(xiàn)源匯匹配，有效緩解區(qū)域環(huán)境容量緊張問題，并探索建設(shè)長效穩(wěn)定的組織運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)利益相關(guān)方的合作共贏。