石化行業(yè)需多向發(fā)力推動(dòng)CCUS產(chǎn)業(yè)破繭成蝶

※作為實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略性“托底”技術(shù)，國家在CCUS領(lǐng)域發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的政策導(dǎo)向愈發(fā)清晰

 

※源匯匹配，即將二氧化碳排放源與封存場地進(jìn)行空間匹配，是CCUS系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，也是CCUS技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前源匯匹配模型在系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)交互性、政策與技術(shù)進(jìn)步影響考量上存在不足，未來需引入更多現(xiàn)實(shí)約束與優(yōu)化思維，進(jìn)一步強(qiáng)化模型的綜合決策能力

 

※二氧化碳捕集是CCUS的首要環(huán)節(jié)及能耗和成本主要來源，物理吸收法、吸附法、膜分離法、低溫法四大技術(shù)各有特點(diǎn)但均面臨技術(shù)難題，未來需與新能源、大氣污染物協(xié)同控制、碳交易等領(lǐng)域相結(jié)合

 

※二氧化碳化工利用技術(shù)在CCUS體系中居于核心位置，通過將捕集的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇、聚碳酸酯等高附加值化學(xué)品，該技術(shù)可以打造“以廢為材”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。著眼未來，石化行業(yè)需構(gòu)建“捕集—轉(zhuǎn)化—應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，推動(dòng)二氧化碳從“成本負(fù)擔(dān)”向“碳資產(chǎn)”轉(zhuǎn)型

 

※二氧化碳生物利用技術(shù)通過生物轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)，具有負(fù)碳潛力大、原料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品多元化等優(yōu)點(diǎn)。著眼未來，石化行業(yè)需推動(dòng)“二氧化碳—生物質(zhì)—能源”三角循環(huán)，助推生物利用成為碳中和重要路徑

 

CCUS（全稱Carbon Capture Utilization and Storage）是通過分離工業(yè)排放的二氧化碳并進(jìn)行封存或利用的技術(shù)體系，包含捕集、利用與封存三個(gè)核心環(huán)節(jié)。作為實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略性“托底” 技術(shù)，國家在CCUS領(lǐng)域發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的政策導(dǎo)向愈發(fā)清晰。國務(wù)院發(fā)布的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中，CCUS被明確為綠色低碳科技創(chuàng)新的重要內(nèi)容，提出“加快CCUS技術(shù)研發(fā)與示范”。國家能源局發(fā)布的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，CCUS被列為重點(diǎn)攻關(guān)方向。

 

當(dāng)前，CCUS在石化行業(yè)已進(jìn)入示范應(yīng)用階段，是石化行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)。石化行業(yè)需在國家政策導(dǎo)向、產(chǎn)業(yè)化機(jī)制建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制定、關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)等方面協(xié)同發(fā)力，共同支撐CCUS產(chǎn)業(yè)升級。

 

源匯匹配是CCUS技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

 

CCUS源匯匹配是指將二氧化碳排放源與封存場地進(jìn)行空間匹配。作為CCUS系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，優(yōu)化源匯匹配對于推動(dòng)技術(shù)走向規(guī)?；?、商業(yè)化具有重要意義。通過構(gòu)建全生命周期、全流程的源匯匹配模型，不僅可以實(shí)現(xiàn)碳源與碳匯的高效耦合，降低系統(tǒng)整體成本，還能夠提升碳減排部署的科學(xué)性和系統(tǒng)性，支撐區(qū)域乃至國家層面的碳減排網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

 

CCUS源匯匹配主要需考慮排放源和封存場地的地理位置關(guān)系和環(huán)境適宜性，將二氧化碳排放源（如煉油廠、煤化工、鋼鐵等）和地下封存庫（油氣藏、深層含水層等）在空間、時(shí)間上進(jìn)行最優(yōu)“配對”， 使得捕集—運(yùn)輸—封存的整體成本最低、碳減排量最大，并滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策等約束條件。

 

目前，針對源匯匹配的研究主要集中在兩類建模方法：一類是基于靜態(tài)條件的碳輸送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，旨在給定邊界條件下尋找一次性最優(yōu)方案；另一類是基于多階段時(shí)間序列變化的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，主要通過建立動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)演化路徑的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

 

由于CCUS成本高、技術(shù)復(fù)雜性強(qiáng)，以及排放源與封存點(diǎn)地理分散，現(xiàn)有源匯匹配模型在CCUS系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)的交互性和復(fù)雜性還存在進(jìn)步空間，相關(guān)政策變化和技術(shù)進(jìn)步對于源匯匹配成本的影響未充分納入考量，限制了源匯匹配模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

 

未來CCUS源匯匹配亟須引入更多現(xiàn)實(shí)約束與優(yōu)化思維，進(jìn)一步強(qiáng)化模型的綜合決策能力，重點(diǎn)方向包括引入實(shí)際地理信息、納入“雙碳”目標(biāo)約束及系統(tǒng)性分析政策驅(qū)動(dòng)因素等，從而構(gòu)建起更加科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)可行的匹配方案，為CCUS系統(tǒng)的規(guī)?；渴鸷偷吞及l(fā)展戰(zhàn)略提供支撐。

 

二氧化碳捕集技術(shù)的四大技術(shù)方向各有所長，面臨不同的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)

 

二氧化碳捕集既是CCUS的首要環(huán)節(jié)，也是CCUS流程中能耗和成本主要來源。目前，二氧化碳捕集主要有物理吸收法、吸附法、膜分離法、低溫法四種技術(shù)，均有不同的特點(diǎn)，面臨不同的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

 

物理吸收法：利用醇胺、甲醇等液體吸收二氧化碳。中石化南京化工研究院有限公司的NCMA法脫碳技術(shù)和專利溶劑，可以將天然氣中的二氧化碳由20%左右降到3%以下，已用于松南氣田、勝利電廠等低壓或烴類氣源示范工程，但其高能耗、高腐蝕性的問題尚需解決。

 

吸附法：依靠固體劑變壓或變溫吸附二氧化碳，優(yōu)點(diǎn)是無溶劑相變、能耗低，目前已有多個(gè)大型工業(yè)化吸附裝置投入應(yīng)用，如山東東營港城熱力公司的精餾裝置，但是仍面臨吸附劑的循環(huán)容量不夠與制備成本過高的問題。

 

膜分離法：依據(jù)分子透過速率差實(shí)現(xiàn)二氧化碳的分離，占地小、前景廣，中國石化、中國海油等還有多個(gè)示范項(xiàng)目投運(yùn)，但在當(dāng)前技術(shù)體系下，由于同時(shí)具備高滲透性與高選擇性兼具長使用壽命且成本低廉的膜材料仍存在缺位，因此還需配套開發(fā)高效的多級分離工藝以彌補(bǔ)這一短板。

 

低溫法：主要針對二氧化碳濃度大于等于80%的高濃度氣源二氧化碳回收。目前國內(nèi)低溫法已處于商用推廣階段，在中國石化齊魯石化—勝利油田CCUS項(xiàng)目中，齊魯石化化工廠提純的二氧化碳經(jīng)管道輸送至勝利油田用于驅(qū)油。但低溫法仍需進(jìn)一步降低設(shè)備投資成本，并充分利用余熱余冷資源。

 

石化行業(yè)具有碳源成分復(fù)雜、組分濃度范圍大的特點(diǎn)。對于吸收法碳捕集技術(shù)，開發(fā)新型高效低能耗吸收劑、降低運(yùn)行過程能耗、降低投資成本，以及解決有機(jī)胺降解、污染物排放和水平衡等長周期運(yùn)行問題是亟須解決的技術(shù)難題。

 

著眼未來，碳捕集技術(shù)還需與新能源、大氣污染物協(xié)同控制、碳交易等領(lǐng)域相結(jié)合，以更好地發(fā)揮CCUS在石化行業(yè)碳減排中的作用。

 

二氧化碳驅(qū)油封存技術(shù)前景光明，是現(xiàn)階段石化行業(yè)最現(xiàn)實(shí)有效的減排利用途徑

 

碳捕集、利用與封存—提高石油采收率（CCUS—EOR）技術(shù)可大大提高油田采收率/增加產(chǎn)量，同時(shí)大量埋存二氧化碳，實(shí)現(xiàn)增油、埋碳、增效等多重功能，是目前階段石化行業(yè)最現(xiàn)實(shí)有效的二氧化碳減排利用途徑。

 

截至2023年，全球運(yùn)行的二氧化碳捕集封存項(xiàng)目共計(jì)43個(gè)，年二氧化碳封存能力6481萬噸，其中29個(gè)為CCER—EOR項(xiàng)目，年封存能力5348萬噸，占比83%。

 

2021年，我國首個(gè)二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)全流程國家級示范工程在吉林油田成功建成，為我國二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的工業(yè)化推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為石化行業(yè)展示了二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。2022年，中國石化齊魯石化—勝利油田CCUS項(xiàng)目正式運(yùn)行，標(biāo)志著我國二氧化碳驅(qū)油產(chǎn)業(yè)邁入百萬噸級新階段。

 

盡管國內(nèi)大部分二氧化碳驅(qū)油試驗(yàn)項(xiàng)目已達(dá)到工業(yè)示范水平，但與“雙碳”目標(biāo)的減排需求仍有巨大差距。特別是由于二氧化碳捕集和運(yùn)輸成本高昂及埋存風(fēng)險(xiǎn)等問題，我國二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用大多還處在室內(nèi)試驗(yàn)和礦場試驗(yàn)階段，規(guī)模性的推廣應(yīng)用還需要時(shí)間。

 

二氧化碳化工利用技術(shù)是石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)“原料替代”與“過程脫碳”的核心抓手

 

二氧化碳化工利用技術(shù)在CCUS體系中居于核心位置，通過將捕集的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇、聚碳酸酯等高附加值化學(xué)品，該技術(shù)可以打造“以廢為材”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。憑借石化行業(yè)現(xiàn)有裝置和供應(yīng)鏈，二氧化碳化工利用技術(shù)可快速產(chǎn)業(yè)化，提高生產(chǎn)效率、降低成本，成為石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和碳中和目標(biāo)的重要途徑。

 

目前，主流的二氧化碳化工利用技術(shù)路線有以下幾種：

 

加氫轉(zhuǎn)化：已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，如冰島10萬噸/年甲醇項(xiàng)目，是目前最成熟的化工利用途徑。

 

環(huán)氧化物共聚：利用二氧化碳合成可降解聚合物和高值有機(jī)碳酸酯，已在江蘇形成萬噸級產(chǎn)能。

 

礦化利用：通過固廢或混凝土實(shí)現(xiàn)二氧化碳永久封存，目前示范項(xiàng)目已在山西、浙江落地。

 

電化學(xué)/光催化：代表零碳化工的前沿方向，實(shí)驗(yàn)室效率已接近工業(yè)化門檻，未來有望與可再生能源深度耦合。當(dāng)前主流技術(shù)成本較高，預(yù)計(jì)到2030年目標(biāo)成本有所下降，但目前依舊面臨能源與氫源依賴、催化劑壽命短、系統(tǒng)集成難度大等挑戰(zhàn)。

 

作為石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)“原料替代”與“過程脫碳”的核心抓手，二氧化碳制甲醇、礦化建材等二氧化碳化工利用技術(shù)已具備商業(yè)化條件，而電催化、光催化等前沿技術(shù)需進(jìn)一步突破效率“瓶頸”。中石化石油化工科學(xué)研究院（以下簡稱“石科院”）自主研發(fā)的FCC煙氣二氧化碳捕集利用技術(shù)是具有石化產(chǎn)業(yè)特色的CCUS技術(shù)，可利用流化催化裂化（FCC）技術(shù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣中低濃度二氧化碳制備氧化鋁基質(zhì)材料，在捕集二氧化碳的同時(shí)制備具有較高現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值的催化劑基質(zhì)材料。由于該技術(shù)無需對煙氣中低濃度二氧化碳提濃，可以直接利用FCC煙氣中的二氧化碳，受到業(yè)界廣泛關(guān)注。

 

著眼未來，石化行業(yè)需構(gòu)建“捕集—轉(zhuǎn)化—應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，通過政策與市場機(jī)制協(xié)同，推動(dòng)二氧化碳從“成本負(fù)擔(dān)”向“碳資產(chǎn)”轉(zhuǎn)型，最終支撐碳中和目標(biāo)落地。

 

二氧化碳生物利用技術(shù)蓬勃發(fā)展，成本結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化“瓶頸”是破題關(guān)鍵

 

二氧化碳生物利用技術(shù)通過生物轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)，具有負(fù)碳潛力大（微藻固碳效率是陸生植物的10~50倍）、原料適應(yīng)性強(qiáng)（可利用低濃度二氧化碳）、產(chǎn)品多元化等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)手段。主要的技術(shù)路線有如下幾種：

 

微藻固碳技術(shù)：通過光合作用轉(zhuǎn)化二氧化碳，高效光生物反應(yīng)器（如華潤的電力立柱式反應(yīng)器）和基因編輯技術(shù)（如中國科學(xué)院海洋工程所培育的藻株）相對傳統(tǒng)跑道池，極大減少了占地面積，顯著增強(qiáng)了二氧化碳固定能力，已經(jīng)有國家能源集團(tuán)的產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)目。石科院結(jié)合合成生物學(xué)與生物反應(yīng)器工程，在藻種選育、光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)、規(guī)?；囵B(yǎng)方面突破了微藻大規(guī)模養(yǎng)殖技術(shù)“瓶頸”，將螺旋藻價(jià)格降低到與進(jìn)口魚粉相當(dāng)?shù)乃?。該技術(shù)已進(jìn)入工業(yè)示范階段，示范建成后每年可生產(chǎn)微藻約20噸，固定二氧化碳近40噸。

 

微生物電合成（MES）技術(shù)：通過微生物在電極上轉(zhuǎn)化二氧化碳，天津大學(xué)通過混合菌群、新型電極材料提升效率，但面臨系統(tǒng)能耗高、反應(yīng)器成本高的挑戰(zhàn)。

 

生物炭制備與土壤改良技術(shù)：生物質(zhì)熱解制生物炭，可改良土壤，大慶油田項(xiàng)目使土壤有機(jī)質(zhì)提升300%，農(nóng)田施用1噸生物炭可以獲得300元的碳匯收益。

 

酶催化轉(zhuǎn)化技術(shù)：利用酶催化二氧化碳轉(zhuǎn)化，諾維信公司開發(fā)的工程酶CA-3效率高，可通過不同循環(huán)合成高值化學(xué)品。

 

二氧化碳生物利用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)二氧化碳到高值產(chǎn)品的綠色轉(zhuǎn)化，將石化行業(yè)的“碳負(fù)擔(dān)”轉(zhuǎn)化為“碳資產(chǎn)”，但其成本結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化“瓶頸”是兩個(gè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。當(dāng)前微藻飼料、生物炭土壤改良已具備商業(yè)化條件，而電合成燃料、酶催化化學(xué)品等前沿方向尚需突破成本“瓶頸”。

 

著眼未來，石化行業(yè)需推動(dòng)“二氧化碳—生物質(zhì)—能源”三角循環(huán)，結(jié)合政策激勵(lì)與技術(shù)創(chuàng)新，助推生物利用成為石化行業(yè)碳中和重要路徑。

 

石化行業(yè)需多向發(fā)力推動(dòng)CCUS產(chǎn)業(yè)破繭成蝶

 

CCUS作為碳達(dá)峰、碳中和必不可少的減排固碳技術(shù)，目前技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于研發(fā)和示范階段，在大規(guī)模示范、普及、應(yīng)用方面仍存在許多制約因素。

 

在國家政策方面，目前我國尚未單獨(dú)研究制定CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展整體規(guī)劃，CCUS技術(shù)研發(fā)、二氧化碳源匯匹配、二氧化碳輸送管網(wǎng)、跨行業(yè)工程應(yīng)用、政策法規(guī)等產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵因素尚未有效統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。

 

在產(chǎn)業(yè)化機(jī)制方面，目前尚缺乏跨行業(yè)協(xié)作機(jī)制，存在不少行業(yè)壁壘。CCUS產(chǎn)業(yè)鏈涉及電力、鋼鐵、油氣、化工、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)行業(yè)，二氧化碳源匯大部分情況下屬于不同企業(yè)或系統(tǒng)，存在源匯匹配共享、責(zé)權(quán)利分配、知識產(chǎn)權(quán)歸屬等多種挑戰(zhàn)，在現(xiàn)有管理體系及政策制度下，難以實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)協(xié)作，阻礙了CCUS的快速發(fā)展。

 

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，CCUS標(biāo)準(zhǔn)體系亟須推進(jìn)，參與國際標(biāo)準(zhǔn)研制及國際碳規(guī)則制定的力度不夠，一定程度上影響我國的減排成效。

 

在技術(shù)研發(fā)方面，盡管我國已開展了大量的CCUS技術(shù)研發(fā)，但目前仍存在許多技術(shù)“瓶頸”，如二氧化碳捕集技術(shù)能耗和成本總體偏高，需進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈合作，協(xié)同開展技術(shù)攻關(guān)。

 

總而言之，我國石化行業(yè)需集聚全行業(yè)乃至跨行業(yè)力量，在CCUS領(lǐng)域進(jìn)一步培育壯大新質(zhì)生產(chǎn)力，在國家政策導(dǎo)向、產(chǎn)業(yè)化機(jī)制建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制定、關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)等方面協(xié)同發(fā)力，共同支撐CCUS產(chǎn)業(yè)破繭成蝶，支撐引領(lǐng)我國石化行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

 

作者：李明豐 吳 昊 冒昕燁 陳子佩 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
（本文第一作者系中石化石油化工科學(xué)研究院院長、中國石油學(xué)會碳中和專業(yè)委員會主任。文章部分內(nèi)容收錄于第一作者主編的《邁向低碳未來石油石化行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型之路》專著）