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变“碳”为宝 走向循环利用

2022-01-05
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  继中国石化开工建设国内首个百万吨级碳捕集、利用与封存(CCUS)项目后,又有一家央企碳捕集技术成功转化。日前,中国华能集团开发的我国首套12万吨/年相变型二氧化碳捕集示范装置在华能上海石洞口第二电厂正式投运。运行后,该项目每年可生产液态二氧化碳12万吨,纯度达99.99%。

  碳捕集、利用与封存是一种重要的降碳控碳技术手段。它可以捕集发电等工业过程中使用化石燃料所产生的二氧化碳,防止其进入大气中,通过对捕集到的二氧化碳进行提纯,继而投入到新的生产过程中,实现循环再利用。

  国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》指出,加快先进适用技术研发和推广应用,建设全流程、集成化、规模化二氧化碳捕集利用与封存示范项目。“实现双碳目标,技术创新的作用尤为重要,比如在温室气体排放端研发应用低碳、零碳生产技术,推广节能低碳先进技术;在二氧化碳吸收存储端,研发碳捕集、利用、封存和碳移除技术。”中国石化原副总工程师、中国工程院院士李阳表示。

  捕集:

  迈出控碳关键一步

  在我国碳排放体系中,来自燃煤电厂烟气中的二氧化碳约占排放总量的50%。二氧化碳捕集被认为是我国高碳产业实现低碳化发展的重要技术手段。

  “二氧化碳捕集可分为化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等。其中,化学吸收法被认为市场前景最好,受重视程度也最高。”华北电力大学环境科学与工程学院副院长汪黎东对中国知识产权报记者表示。

  目前,利用特制吸收液脱除二氧化碳的化学吸收法是应用于燃煤电厂碳捕集领域最成熟的技术方向,但是实际运行中,吸收液在吸收二氧化碳后,需要全部进行加热再生,才能实现二氧化碳的分离和吸收剂的循环利用,能耗和成本偏高,制约其大规模商业应用。

  近年来,随着一大批拥有自主知识产权的碳捕集技术不断取得突破,相关技术被运用在工业体系中。中石化石油工程设计有限公司执行董事、总经理荆少东对记者表示,公司研发的低成本二氧化碳捕集节能工艺及系列专利在多个电厂二氧化碳捕集工程中进行了示范应用。截至目前,中国石化开发的循环气脱碳技术累计许可25家企业,拥有专利近30件,其中核心专利“一种费托合成循环气脱除二氧化碳的溶剂和方法”获第十九届中国专利优秀奖;在位阻胺法脱碳技术方面,已有60多套装置投入应用,基础专利“从气体混合物中分离二氧化碳的溶剂和工艺”获第二十一届中国专利优秀奖。

  2021年12月,中国华能集团12万吨/年相变型二氧化碳捕集示范装置在上海投入运用。“我们针对二氧化碳吸收富液需要全部加热再生造成的高耗能问题,开发了新一代相变型碳捕集技术,可将吸收富液进行分相处理,经过处理,溶液分为不相溶的上下两层,在循环利用过程中,只需对富含二氧化碳的部分进行加热,从而降低捕集成本。”中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司(下称华能清能院)温室气体部总工程师郭东方对记者表示。

  除了企业,我国许多高校和科研院所也纷纷投入碳捕集技术研发。目前,华北电力大学汪黎东团队围绕低能耗工业烟气碳捕集技术进行研究,重点对新一代相变型碳捕集技术展开技术攻关,并形成多项自主知识产权。目前,相关技术已经在实验室进行中试。

  利用:

  变废为宝重要一环

  二氧化碳被捕集之后该向何处去?“二氧化碳在多个领域具有重要利用价值,既可应用于化工、工业制造,也可用于食品加工领域。”郭东方介绍,例如华能清能院上述项目生产的二氧化碳将销往造船厂用于焊接工艺,也可以用提纯后达到食品标准要求的二氧化碳生产碳酸饮料。不过,这些领域的市场较小,有待进一步开发。

  相比在焊接工艺、食品行业“小打小闹”,利用二氧化碳进行驱油则是重点应用。“利用二氧化碳进行驱油并封存,可同时实现石油增产和二氧化碳减排,是化石能源大规模低碳利用的新兴技术。”中国石化旗下企业胜利油田有限公司二氧化碳驱油藏工程技术高级专家吕广忠对记者表示,胜利油田自1967年以来开展二氧化碳驱油室内研究,攻关形成具有特色的二氧化碳驱油与封存配套技术,并在滩坝砂、浊积岩、砂砾岩等多种油藏获得突破。

  “目前,通过相关专利运用,胜利油田的二氧化碳驱油与封存技术处于先导试验及扩大阶段。”吕广忠表示,近年来,中国石化不断加大科研攻关力度,设立《胜利油田低渗透油藏CO2驱开发技术研究及示范应用》等科研课题,已经在低浓度二氧化碳捕集储输、低温二氧化碳密闭注入、高效二氧化碳驱油与封存、二氧化碳地质封存安全评价等技术方面取得系列突破,并形成自主知识产权。

  中国石化科技部副总经理王丽娟对记者表示,目前,通过专利运用,中国石化持续开展碳减排示范应用,在旗下胜利、中原、华东等油气田企业实施碳捕集、利用与封存项目,累计注入二氧化碳约125万吨、增油约27万吨。

  王丽娟介绍,为了变废为宝,中国石化除了利用二氧化碳驱油外,还以二氧化碳为原料开发其高值化利用的新途径,特别是将其与高能物质环氧乙烷为原料合成碳酸乙烯酯,形成碳酸二甲酯新工艺,利用多项专利已建成国内首套年产量为2万吨的装置。

  封存:

  做好准备蓄势待发

  “由于全球碳排放量较大,目前二氧化碳的开发利用只是其中很少一部分,而没被利用的部分则需要被封存起来,待技术成熟或者根据需要再进行利用。”郭东方表示,目前,二氧化碳封存主要有两种方式,一种是将碳捕集成品封存于地下,这种方法是将捕捉到的二氧化碳通过公路、船舶和管道等方式来运输。目前,管道运输被认为适用于长距离大规模的二氧化碳输送,经济性较好。另一种则是将碳捕集成品排注至大海水体实现海水碳封存。这种工程技术难度高、风险大,一旦储存的二氧化碳大量释放出来,后果不堪设想。

  “封存二氧化碳,一般要求注入距离地面至少1000米的合适地下岩层,在这样的深度下压力才能将二氧化碳保持为‘超临界流体’,使其不易泄漏;也可注入煤层和天然气、石油储层等,达到埋存二氧化碳和提高油气采收率的双重目的。”吕广忠表示,胜利油田百万吨级碳捕集、利用与封存项目就是将齐鲁石化煤制气装置工业尾气运输至油田进行驱油和封存,设计年注气能力100万吨,减少的碳排放量相当于近60万辆经济型轿车停开一年。

  多家企业相关负责人认为,对化石燃料产生的二氧化碳进行捕集、利用与封存,是减少大气中温室气体的重要技术手段。然而,现有方案全部是地质封存方案,大多成本高昂,远没有成为碳减排的实用技术。有鉴于此,国际能源署发布《2020年能源技术展望:碳捕集、利用与封存特别报告》建议,推动创新以降低成本,并确保新兴技术商业化。

  围绕碳捕集相关技术的发展,汪黎东建议相关企业未来进一步加强产学研合作,攻关核心技术,研发关键设备,进行工业化示范,以提高技术成熟度,降低减碳成本。中国石化党组书记、董事长马永生院士表示,“十四五”期间,中国石化将研究建立碳捕集利用与封存技术研发中心,重点部署CCUS+新能源、CCUS+氢能、CCUS+生物质能等前沿和储备性技术攻关,建成“技术开发—工程示范—产业化”的二氧化碳利用技术创新体系,延展清洁固碳产业链,打造碳减排技术创新策源地。