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二氧化碳大规模脱除与利用技术综述

发布时间:2022-08-15 05:20:02 来源:爱游戏中国官方网站 作者:爱游戏app网址


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  二氧化碳大规模脱除与利用技术在实现碳中和目标进程中将承担20%~25%的减排贡献率。许多国家开展了二氧化碳脱除与利用技术的研究和实践,不同技术的二氧化碳储存持久性有很大差异,减排收益不同。从现在到2050年,二氧化碳制化学品和混凝土建材、提高原油采收率等技术具有较好的技术经济前景,可最早实现商业化发展、经济效益最好的是二氧化碳提高原油采收率。建议在时序、行业、区域三个维度上统筹中国二氧化碳的集成优化利用;尽快健全二氧化碳脱除与利用的行业规范、量化核查技术标准和基础设施建设运营标准;推进碳捕集利用与封存技术研发和示范工程部署;加强二氧化碳化学利用技术研发。

  2019年,全球人类活动导致的二氧化碳(CO2)排放量达到390×108t,其中,中国排放量为100×108t左右。在世界范围内,化石能源消费相关的CO2排放在全部排放量中的比例从1990年的70%上升至2020年的75%左右。CO2的大规模脱除与综合利用成为能源决策和能源管理领域不可回避的重要问题。本文基于中国石油集团经济技术研究院研究团队近年来对国内外能源系统分析和气候经济学研究成果的跟踪,对多种CO2脱除与利用技术进展及其应用前景进行综述分析。

  自然界有4个大的碳库,分别是岩石圈碳库、水圈碳库、生物圈碳库和大气碳库,它们各自蕴藏数量巨大的CO2,CO2在碳库之间持续循环、动态平衡。自工业革命以来,化石能源的大量开采和消费导致了CO2的全球循环发生显著改变。2019年,人类活动导致的CO2排放量约为390×108t。排放量扣除吸收量后,每年大气新增CO2为180×108t(见图1)。

  在21世纪中叶建成社会主义现代化强国目标以及2060年碳中和目标下,中国能源结构的转变是一个长期、高复杂度、多目标优化过程。化石能源的角色将由目前的主力一次能源转变为保障能源安全稳定供应、支撑能源结构调整转型的“压舱石”。

  目前,中国能源领域权威学者对中国2050年的一次能源结构已基本形成共识:一次能源消费总量不超过50×108t标准煤,可再生能源消费占比将达到60%~80%,终端用能电气化率大幅提升,人均年用电量将由目前的5000kW h增长到10000~11000kW h。大规模储能和大规模脱除CO2是实现以可再生能源供应和消费为核心的净零碳排放能源结构所必需的两大支柱性技术。

  2050年,中国化石能源消费将产生CO2排放20×108~25×108t。如果以当前中国CO2排放量100×108t/a作为基数,CO2大规模脱除与利用技术在实现碳中和目标进程中将承担20%~25%的减排贡献率。其中,利用土壤碳汇、森林碳汇等可实现约10×108t的CO2脱除,另有10×108~15×108t需要碳捕集与封存(CCS)技术实现脱除,保障碳中和目标实现。

  许多国家开展了能源清洁低碳化转型实践,多种CO2脱除与利用技术在不同领域得到了应用。全球范围内,CO2制化学品、CO2制燃料、微藻制品、混凝土建材、CO2提高原油采收率(EOR)、生物质能源+CCS、强化风化、造林和再造林、改良种植和生物炭等技术得到不同程度的应用。根据CO2的最终去向,这些技术可分为循环型、封闭型和开放型3类。不同技术的CO2储存持久性有很大差异,储存时间从几天到几千年不等,因此,不一定能产生净零碳减排效益(见图1、图2和表1)。

  在循环型技术中,CO2只在人类工业系统周期内转移,通常时间为数天至数月,最终CO2还会回到大气中。循环型技术不能提供大气中CO2的净脱除,但可以通过替代部分化石能源来实现减少碳排放。利用CO2生产燃料和化学品属于循环型技术。

  在封闭型技术中,CO2固定在地球岩石圈内,可实现近永久储存,可以很大程度上实现CO2净脱除。CO2的地质储存如果执行得当,比在植物中储存时间更长、更稳定。CCS属于封闭型技术。

  在开放型技术中,CO2的固定建立在生态系统上,例如森林碳汇。人类活动导致的CO2排放量(2019年为390×108t/a)与植物通过光合作用进入生态系统的CO2(2019年为4400×108t/a)数量悬殊。植物固定下来的碳约有3%留在陆地上(约120×108t/a),并且只能维持几十年,其余97%会由植物和土壤重新排放,在气候灾害的影响下可能会大规模流回大气。

  牛津大学气候经济学家Cameron Hepburn经过长期的技术跟踪,调研了多种CO2脱除与利用技术的理论研究和实践进展,对这些技术在2050年的应用规模和经济性进行评估并测算了其盈亏平衡成本。结论表明,到2050年,仅有6种技术具有较好的应用潜力(表1中标★)。这些技术能实现一定量的CO2净脱除,或者与现有的减排政策结合较好。另外4种技术经济前景不佳(见表1)。

  多种CO2脱除与利用技术的应用空间、成熟度以及与现有产业和基础设施的契合程度各不相同。其中,CCS、生物炭、改良农业种植、造林等目前发展程度较高,有望承担更为积极的减排角色。

  CCS是利用吸附、吸收、低温及膜分离等技术将CO2从工业或相关能源加工转换的排放源中分离出来,并将CO2压缩液化,在地下长期或永久性埋存。CCS包括3个环节:(1)碳的捕集分离,在CO2排放源利用一定技术分离出纯净的CO2,并将其加压至一定压力。(2)运输,将分离的CO2输送到使用或封存CO2的地质封存场所。(3)封存,将输送的CO2封存到地质储集层构造或海洋中。

  目前对碳捕集的研究和试验主要针对火力发电行业。其他高能耗行业(例如水泥、炼油、合成氨以及炼钢等)也会排放大量CO2,也可以实施碳捕集。另外,建筑业和道路交通占38%的CO2排放量,由于这些排放过于分散,无法直接捕集。

  近年来,达到技术经济可行或已示范、商业化运行水平的碳捕集技术包括溶剂吸收法(含化学吸收法和物理吸收法)、低温分离法等。CO2运输有高压气罐槽车、管道运输和液态运输等方式,中国已运行的CCS项目以槽车运输CO2为主,美国以管道运输为主。CO2封存方式以注入油藏、提高原油采收率为主,利用CO2驱油不仅具有积极的减排意义,同时还具有较好的经济利益。

  全球已有上百个CCS项目投入运行,其中大型一体化项目19个(见表2),中国仅有中石油吉林油田-长岭天然气厂项目1个项目。国外大型一体化项目的成功运行特点:(1)多家企业联合投资或成立合资公司以增加投资规模并分摊风险。(2)激励政策多样,有7个美国项目通过45Q政策获得税收奖励,有4个项目通过碳市场和碳税获得碳排放配额或碳税减免。(3)有13个大型CCS项目在落地的进程中都得到了政府的资金支持。

  中国已投入运行21项CCS项目,整体规模较小,大部分捕集能力低于10×104t/a(见表3)。项目产生经济回报的手段较为单一,除8个石油企业投资建设的项目将CO2用于提高原油采收率,其他项目均无法产生较高收益;4个示范项目将CO2封入地下盐水层,没有产生任何收益;7个项目将捕集到的CO2在碳市场进行销售,但由于销售价格波动大、市场规模小等原因,未获得稳定收益;2个项目将捕集到的CO2进行企业内部消化利用,收益不定。

  生物质在限氧条件下(厌氧或缺氧)热解碳化后产生一类高度芳香化富含碳的多孔固态物质——生物炭。生物炭具有高度稳定性,可抵抗微生物的影响,在土壤中的平均停留时间达1000年,可作为碳减排的技术。与传统的物理固碳技术相比,生物炭固碳技术是一种具有原材料来源广泛、生产成本低、高效低耗、生态友好安全、可大面积推广等特点的减排技术。多年来,中国各地农业及生物质相关学科的研究人员开展了生物炭在固碳、水土保持、CO2减排、甲烷减排、重金属污染治理等研究,并开展了多项试验,部分已取得较好的综合效益。中国90%以上的土地含有机碳低于0.01t/m2,远低于世界平均值1.21t/m2。中国土壤表土有机碳密度为(0.50±0.47)t/m2,略小于全球平均值,是欧盟平均值的70%~75%,生态系统固碳潜力较大。

  中国每年农作物秸秆总产量超过9×108t,约有1/4秸秆露天焚烧,产生大量CO2;另一部分生物质秸秆作为有机肥料回归到土壤,其有机碳积累比较缓慢。为此,利用生物质废弃物生产生物炭固定在土壤中可起到既固废减排和温室气体减排双重效果。如果每年能够碳化3×108t农业生物质废弃物,相当于从大气中吸收4.4×108t的CO2,占全国排放量的4.4%,减排效果显著。生物炭技术在未来的研发和示范应用中应重点关注解决生物质收集运输及制取过程中的能耗问题。

  改良、优化农业种植方式可利用土壤碳库吸收、储存CO2,达到减排目的。近年来,全球及中国对林业碳库的研究较为充分,对林业碳汇计算也相对成熟,而对土壤碳库的潜力尚缺乏共识。全球土壤碳库储量的估算经历了约40年的时间,目前有资料显示,全球土壤有机碳库(1m厚土层)的估计值约为1.5×1012t,另外有2×1012t无机碳。根据中国第二次土壤普查数据估算,全国土壤有机碳库约为900×108t,无机碳库约为600×108t。中国地质调查局于2010年组织“中国土壤碳汇潜力研究”项目,对土壤碳汇减排潜力开展了全面研究。

  中国土壤与大气间CO2的年交换量高达600×108~800×108t,是每年化石燃料燃烧释放碳量的数倍。土壤碳库的微小变化可能引起大气CO2浓度的较大变化。如果全球土壤有机碳在目前的水平上增加1%,土壤固定的有机碳将增加150×108t左右。

  采取有效的农业管理措施可改变农田土壤碳库的状况,有效增加土壤碳汇值。例如,在农耕区采取保护性耕作,采用免耕、垄耕、少耕、覆盖、秸秆还田等耕作方式,可以降低土壤有机质呼吸速率或者增加土壤碳的输入,从而增加土壤的碳储量。

  农业土壤固碳研究已成为较为活跃且快速发展的研究领域。国内外相关研究由于开始时间不同,近10年来呈现不一样的研究历程。中国多从省级、市级层面进行多层次、多因素的研究分析,国外则多着眼于微观层面土地利用碳排放的机理研究。美国2001年提出了固碳科学,农业部将农业土壤固碳和温室气体减排作为核心技术之一,能源部支持了多个促进陆地生态系统固碳的国家及地区研究中心。2002年,美国成立了农业土壤温室气体减排协作机构。

  CO2的资源化利用主要包括物理和化学方法。物理方法利用其性质而不改变其化学结构,例如气态CO2可用做食品添加剂或灭火气氛等;固态CO2(干冰)广泛用于防腐领域。物理利用技术相对简单、成熟,已得到大量实际应用。CO2化学利用是将CO2通过工业反应转变为高附加值化学品,是实现CO2循环利用的最佳途径之一,对提高碳的利用率及化石资源的高效洁净利用具有重要意义。

  与石化工业相比,现有CO2基的化工产品种类还不多,尤其是对应选择性催化反应少。CO2热力学上的低能态,决定了能量是其转化利用的基础。CO2的惰性决定了活化是进行CO2转化反应的前提,而活化的关键取决于高效催化体系。CO2活化反应机理还不明确,难以进行催化剂的理性设计。因此,需探讨催化作用机制,形成催化剂设计新方法,突破CO2还原产物精准调控问题,以实现CO2定向转化。

  近年来,CO2的化学利用不断获得突破,CO2在有机合成化学中的应用成为最重要的基础化学课题之一,以其为原料已能制造众多的有机化工产品,因此,CO2可能成为未来的重要碳源。将CO2催化转化成高附加值的有机化工产品是其开发利用最有前景的途径之一。总的来说,CO2作为碳氧资源的规模化利用正处于起步阶段。

  中国在CO2化学利用领域的研究与开发队伍规模大,综合水平处于国际先进水平,围绕CO2化学与资源化利用领域的基础、应用和前沿问题,在与CO2转化反应相关的活化机理、高活性催化剂设计开发、转化新途径与新策略、光/电催化方法、CO2制备化学品/能源产品/聚合物等方面都取得了突破。

  按CO2化学转化生成的产品分类,CO2化学利用可分为大宗化学品、有机燃料和直接固定为高分子材料3大类。

  (1)大宗化学品。在传统的化学工业应用中,CO2的利用最具代表性的是尿素和水杨酸,其中生产尿素是CO2最主要的化学利用途径。目前以CO2为原料的具有成熟工艺技术并实现工业化生产的有机化工产品包括尿素、水杨酸、对氨基水杨酸、对羧基苯甲酸、1-羧基-2-萘甲酸、2-羧基-3-萘甲酸、2,4-二羟基苯甲酸、2,5-二羟基苯甲酸(龙胆酸)、双氰胺、氨基甲酸铵、碳酸环己胺、碳酸丙烯酯、乙二醇碳酸酯、六亚甲基二异氰酸酯等。以CO2为原料生产的无机化工产品除纯碱和小苏打外,主要有轻质碳酸镁、轻质碳酸钙、晶体碳酸钙、胶体碳酸钙、碳酸钾、碱式碳酸钡、碱式碳酸铅、碳酸锂、轻质氧化镁、白炭黑、硼砂等,多为基本化工原料,广泛用于冶金、建材、医药、机械等行业。

  (2)有机燃料。利用CO2作为碳源,通过加氢还原合成甲烷、甲醇、二甲醚、甲酸和低碳烷烃等气体或者液体燃料,既可以减少对化石燃料的依赖,也可以减排CO2。此外,模仿“人工光合作用”对CO2进行光催化反应,生成碳氢化合物燃料也是研究热点之一。

  (3)高分子材料。CO2从分子结构角度来看,具有进行共缩聚和加成共聚形成高分子材料的途径。CO2固定为高分子材料在全球已经取得多项研发进展。

  从技术成熟程度来看,以上3类产品中,以CO2为原料生产大宗化学品的技术中已实现规模化工业应用较多;高分子材料处于工业试验和实验室研究阶段;有机燃料则多处于实验室研究阶段。

  CO2化学利用研究前沿方向包括超临界CO2、CO2基聚合物、CO2通过电作用或光催化生成液体燃料等。另外,CO2作为无毒无害的可再生资源,可作为绿色清洁的原料或溶剂,例如在聚碳酸酯、异氰酸酯的生产过程中,以CO2为原料可以绕开光气路线为原料也可生产可降解塑料等环境友好型产品。

  当前,中国各行业、各区域之间碳源与碳汇不匹配的问题突出。中国CO2排放量按行业划分,能源工业占44.8%,制造业和建筑业占38.4%,交通运输占9.2%,其他行业占7.6%。其众多细分行业的CO2捕集潜力、可行性及成本,以及通过技术和管理手段实现某一成本的时间各不相同。各省的碳排放强度悬殊,碳配额盈余与赤字分布不均。总体而言,东部地区碳源较为丰富,西部地区碳汇较为丰富。哪些行业、哪些区域可在CO2大规模综合利用产业化前期提供成本合理的碳源,目前尚缺乏全局统筹。需要在时序、行业、区域3个维度上统筹中国CO2的集成优化利用。

  (1)在工业领域,利用成熟技术,实施优势产业部门的CCS技术集成和示范,例如利用天然气开发和工业乙醇生产过程副产的高纯度CO2进行驱油与埋存的先导性试验与示范;在农业领域,加大废弃有机物生物炭碳汇工程建设,促进农业与工业协调发展、城市与农村共同繁荣,将能源低碳转型与保障粮食安全、改善生态环境统筹考量。

  (2)推动区域性跨产业部门的技术集成与工业化CCS技术试验与示范,例如将合成氨生产过程中空分装置产生的纯氧气用于发电过程的纯氧燃烧,提高烟气CO2浓度,大幅降低CCS项目成本,为全国范围内实现CO2脱除与利用的规模化、商业化发展做好充分准备。根据中国CO2排放源的分布特点和油气藏的总体分布特征,规划松辽盆地、海拉尔盆地、环渤海盆地、鄂尔多斯盆地等驱油与埋存战略区域。

  CO2的脱除与利用产业链很长,包括捕集、运输、利用、封存等环节,实际项目运行中这些环节分属不同的企业或企业集团,执行主体的责任和获益尚不明确。为了完成减排目标,产业链必须全链条工作,不能割裂任何技术单元。因此,CO2的脱除与利用的产业化需要解决主体构成和量化核查问题。

  建议尽快建立、健全涵盖碳捕集、储运、利用、封存等各个环节的技术标准体系以及科学合理的CCS项目建设、运营、监管、终止标准体系。对电力、化工等CO2排放重点行业,针对运行期内的大型排放装置,尽快明确其实施碳捕集改造的技术适用性标准;针对新建装置,在详细测算的基础上提高其碳排放标准,在设计建设初期充分考虑实施碳捕集、回收的可行性。在推动CCS与全国碳市场耦合发展过程中,尽快建立对项目主体责任、义务与权利的验证体系。

  中国关键核心技术研发水平尚不足以支持CCS大规模产业化。CCS仍然面临高耗能、高成本、高投资风险的问题;对森林碳汇、土壤碳汇减排潜力的测算仍未达成共识;相关技术的研发和实践仍处于起步水平;已开展的各类工程实践运行时间短,还需要强化基础研发。

  建议在碳捕集环节,大力发展新型碳捕集技术,积极推动项目成本下降。碳捕集环节成本占CCS产业链总成本的70%以上,在不同行业开展碳捕集项目的成本因技术流程、捕集技术成熟度、初始烟气中CO2浓度和压力等参数的不同而有所差异。短期内应聚焦天然气加工、乙醇生产等高浓度排放源,但由于该类排放源碳排放总量较小,中长期来看,应积极促进燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂的碳捕集成本下降。在CO2利用与封存环节,积极探索并发展封存监测技术,为CO2长期封存提供可靠的保障。

  CO2的化学利用是实现化石能源清洁利用的重要途径,其技术研发具有重要学术价值和广阔的应用前景。CO2化学利用实现工业化应当具备CO2捕集提纯成本低、反应过程易于进行、氢气消耗少、产物性质稳定、用途广泛等条件。

  建议充分利用中国石化企业、高校及科研院所在有机化学、精准合成、催化材料、绿色介质及高分子合成等研究领域的学科优势,加大CO2化学利用技术的基础研发支持力度,从CO2化学原理与应用(催化活化与催化剂设计)、CO2定向转化反应、光电催化方法、CO2基聚合物等方向探索、解决CO2化学利用工业化的技术障碍。

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