CCUS技术与产业化发展【2-现状】

二〇二一年CCUS技术与产业化发展目录一、CCUS定位二、CCUS发展状况三、CCUS产业化发展全球CCUS技术快速发展，已具备工程化、规模化的基础：捕集：已形成针对不同浓度排放源的捕集技术，技术成熟度较高，成本不断下降，在煤电、石化、水泥及钢铁等行业开展了大量示范应用。驱油利用：驱油利用是目前最为经济可行的埋存方式，技术成熟，美国CO2驱提高采收率产量每年超过1500万吨，其中30%的气源来自工业气源，超过1000万吨。封存：开展了百万吨级咸水层埋存示范，挪威Sleipner项目每年约埋存100万吨二氧化碳。利用：化工利用和生物利用新技术迅速发展。工程化、规模化项目快速增长截止2020年底，全球共有65个大型项目，其中26个处于运行状态，37个处于建设或规划阶段，年捕集埋存CO2约4000万吨。（一）捕集--地质利用状况全球CCS/CCUS大型示范工程建设和运营现状(GCCSI，2020)捕集技术成熟度高，成本逐步下降

基于CO2的物理化学性质与不同排放源CO2气体浓度状况，开发了物理吸收法、化学吸收法、变压吸附法、变温吸附法、膜分离法、深冷法等一系列CO2捕集方法。物理吸收方法基于CO2可溶解的物理特性；化学吸收方法是基于其酸性的化学特性；低温分馏基于CO2沸点高于烃类物质的物理特性；吸附法是基于CO2分子大小、吸附速率高于其他气体分子的特性；膜法基于CO2与其他气体分子扩散速率、渗透系数的不同。碳捕集方法原理燃烧前燃烧后富氧燃烧工业过程热&动力CO2分离煤天然气生物质重整+CO2分离气化天然气油煤生物质空气/氧气蒸汽热&动力N2O2CO2压缩与脱水热&动力煤气生物质空气分离O2空气工业过程+CO2分离煤气生物质空气/氧气空气空气N2,O2CO2N2CO2原料天然气、氨、钢铁煤的燃烧方式：有燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧、工业分离途径。

从行业的角度分析：CO2捕集项目主要集中在发电厂和天然气处理厂。不同气源CO2捕获和压缩成本CO2捕获成本与气源浓度和技术方法有关，排放源CO2浓度越高，捕集成本越低。随着技术成熟和规模扩大，成本逐渐降低。预计2025年燃烧后捕集能耗有望降至2.0GJ/吨以下，成本降至220~250元/吨。我国形成了针对三种主要排放源的捕集技术高碳天然气捕集技术：全流程松南气田燃煤电厂捕集技术：全流程胜利电厂炼化厂捕集技术：全流程中原化工总厂胜利电厂捕集纯化压缩干燥液化储存装车CO2注入站注入到油层油井产出采出气CO2回收罐车输送，80km胜利电厂捕集纯化压缩干燥液化储存装车CO2注入站注入到油层油井产出采出气CO2回收罐车输送，80kmSaskPower边界大坝100万吨/年捕集项目投资12.4亿加元，将一套150MW发电机组改造成安全可靠的基本发电源，二氧化碳的捕集率达90%，减排规模100万吨/年（约3000吨/天），副产硫酸50吨/天。2014年12月开展运行，再生能耗2.7GJ/tCO2。捕集CO2气体通过管道运输至Weburn油田，用于提高原油采收率，富裕气体在WillistonBasin的Aquistore项目进行地质封存。Petra

Nova电厂捕集项目项目简介：是世界上最大规模的燃煤电厂碳捕集与驱油封存项目，投资约10亿美金（含电厂改造），捕集的烟气来自WAParish电厂240MW发电机组，二氧化碳的捕集率90%，减排规模140万吨/年（约5000吨/天）。2017年1月投产运行。再生能耗2.6GJ/tCO2。捕集CO2气体通过132公里长的管道被送至西农场油田。地质利用规模不断扩大CO2地质利用和埋存技术研究领域较为广泛，主要包括油气藏、深部咸水层、深部煤层、水合物等，CO2驱油埋存是最经济有效碳埋存方式。埋存类型全球埋存量（Gt，十亿吨）枯竭气藏690枯竭油藏120深部咸水层400-10000不能开采煤层401）CO2驱油技术发展应用现状

研究始于1950年代，80年代美国开始商业化应用，90年代后技术趋于成熟。室内实验和机理研究水气交替注入，运行项目40多个WAG技术、双驱技术、周期注气，运行项目78个与地面、地球物理、钻井技术协同发展1952年沃顿等取得第一个CO2采油专利1972年首个商业项目SACROC油田实施CO2驱技术革新与集成提高采收率主导技术之一技术发展1950年代1970年代1990年2000年2010年2020年时间驱油与埋存技术，运行项目130多个新一代CO2驱技术应用对象从常规低渗转向致密油、页岩油等，降低混相压力、防窜封窜、提高埋存率技术日趋重要驱动：三次石油危机，美国调整能源政策，鼓励EOR技术发展；

发现多个CO2气田，建设输气管道，提供了气源；

国际油价攀升，给CO2驱油带来利润空间;

兼顾驱油与埋存，是应对气候变化，实现碳中和关键技术全球EOR产量预测（IEA2018）全球EOR项目数量（EORDataGroup2020）据EORDataGroup统计，CO2驱项目增油占三次采油的20.5%，是第二大提高采收率技术。国际能源署，截至2017年底，CO2驱占EOR项目数的42.0%。预计2040年CO2驱产量将超过EOR总产量的40%。降低油水界面张力，减少驱替阻力；降低原油粘度；原油体积膨胀效应；压力下降造成溶解气驱；改善原油与水的流度比；酸化解堵作用，提高注入能力；萃取和汽化原油中的轻质烃；混相效应。超临界CO2属于亲脂性非极性分子，具有好的驱油特性CO2驱油机理物理埋存：岩石盖层、油水中的溶解、毛管力作用、水动力作用等。化学埋存：CO2与盐水反应、CO2与盐矿反应等CO2驱油埋存机理CO2驱油埋存机理与咸水层埋存机理存在一定的差异，主要包括：Weyburn油田CO2驱增油效果

成功的CO2驱油与埋存项目，为低渗透油藏，直井与水平井结合的井网，2000年开始注气，截止2010年初，累计注入CO2约2200万吨，CO2驱提高采收率16%。预计CO2延长油田寿面20~25年，累产油1.3亿桶，埋存CO2约4000万吨。Weyburn油田CO2驱井网示意图

Weyburn油田CO2驱国内CO2驱油埋存技术起步较晚，经过10多年攻关和示范，中石油、中石化和延长油田在30多个区块开展CO2驱油埋存矿场试验。西北分公司宝浪(河南)东北分公司华北分公司坪北胜利中原江苏华东分公司河南上海分公司江汉西南分公司春风(胜利)达尔其、桑合(中原)大庆吉林延长海拉尔克拉玛依辽河冀东中国注CO2驱油项目分布图60年代199020002010201520162017研究起步阶段萨南葡Ⅰ2（4注）张家垛苏88江苏富14（4注）江苏储家楼

（1注）草舍

（5注）黑59（6注）黑79南（18注）黑79北（10注）黑46扩大（31注）芳48（1注）濮城

（10注）高89

（10注）腰英台

（14注）草舍扩大

（15注）文88

（5注）胡96卫42

（6注）新16

（4注）张家垛（4注）先导试验阶段扩大先导试验阶段中石化项目中石油项目中石油：捕集天然气中CO2全流程CCUS应用中石化：捕集燃煤电厂CO2、高碳天然气分离、炼化厂捕集CO2的多碳源全流程CCUS工程应用延长石油：煤化工耦合副产品CO2全流程CCUS工程伊59扩大（31注）形成了二氧化碳驱油与封存全流程技术体系化学辅助技术油藏筛选评价技术提高采收率安全封存注采工艺技术防腐技术井下防腐集输防腐产出气回收技术二氧化碳驱油与封存技术体系数值模拟及实时跟踪调整技术降低混相压力CO2增粘循环利用注气管柱采油管柱举升技术自主知识产权模拟软件（1）CO2驱油藏筛选评价技术地质、工程、经济一体化评价提高采收率和CO2封存安全性；建立了CO2驱油藏筛选评价指标体系、不同类型油藏CO2驱筛选标准。工程因素油气藏特征安全封存提高采收率经济因素地质构造储层特征流体特征开采特征油藏工程采油工程地面工程成本碳税激励政策N驱油+咸水层CO2埋存区域评价（孤东油田七区西馆下油藏剖面图）PENS启动压力梯度多孔介质对相态影响离散裂缝模型自适应网格加密兼容Eclipse数据格式传统机理：双孔双渗；吸附解析；滞后效应等多相多组份数值模拟软件（PENS）（2）CO2驱数值模拟及实时跟踪调整技术研发了考虑启动压力梯度、CO2扩散、相渗滞后效应、孔隙-裂缝多重介质的多相多组分数值模拟软件。建立了数值模拟、动态监测、综合评价的全过程调整优化技术，减缓气窜，扩大波及系数。适用井径：51/2″最高耐温：150℃最大密封压差：40MPa停注时防返吐，注气安全起管柱时免压井，作业安全且保护油层（3）CO2驱注采集输配套工艺技术研发了免压井注气管柱及多功能采油管柱防腐抽油泵，小泵深抽，最大深度2600m高效气锚，降低泵吸入口油气比，提高泵效。生产控制阀，产液控制，作业免压井全流程腐蚀控制技术井下腐蚀控制技术针对油井不同含水和工况，形成了“添加缓蚀剂为主，耐蚀材料为辅”油井防腐技术，有效控制井下管柱腐蚀速度。集输系统腐蚀控制技术在役系统采用投加改性咪唑啉型缓蚀剂；新建管线采用碳钢+双极性防脱涂层或非金属管材类型含水≤30%含水＞30%无偏磨含水＞30%偏磨油管N80N80PE内衬管、3Cr-N80管抽油杆常规常规PE包覆杆泵常规防腐泵防腐泵缓蚀剂无连续加连续加监测措施无Fe2+、缓蚀剂浓度Fe2+、缓蚀剂浓度油井防腐方案ClFe双极性离子阻隔机制变压吸附脱碳系统胜利油田适用于：中小规模试验规模：1000Nm3/d化学吸收脱碳系统适用于：大规模，中低CO2含量试验规模：30000Nm3/d低温分馏脱碳系统华东油田适用于：大规模，高CO2含量试验规模：75000Nm3/d膜法脱碳系统适用于：中小规模试验规模：1000Nm3/d针对不同采出气规模和CO2含量的差异，开发了变压吸附脱碳、低温液化精馏、直接增压回注等技术，提高CO2利用率。（4）产出气CO2回收技术（5）化学辅助技术

我国陆相油藏沉积条件复杂，CO2驱油效果较差，通过提高混相程度和扩大波及效率改善驱油效果。化学辅助降低混相压力技术：醚类调节剂（混相压力降低13.9%）、油溶性表活剂(柠檬酸异丁脂类)、非离子表活剂+助剂。矿场实施有效率76%。化学辅助增粘技术：通过注入有机或无机化学剂，增加CO2粘度降低流度比，改善驱油效果。未加调节剂，混相压力18.42MPa加入调节剂，混相压力16.38MPa醚类调节剂降低界面张力效果好,混相压力降低13.9%3）全生命周期评价技术能耗特性社会效益经济特性环境特性全生命周期评价模型碳中和目标下更加注重CCUS工程示范的净减排效果建立了全生命周期评价方法和模型，建成了评价平台全生命周期：覆盖建设期、运行期及关闭期评价方法：CO2即作为产品又是封存与固碳考察指标；CCUS工程既产生减排和经济社会效益，又产生过程排放和能耗。评价模型：考虑能耗特征、经济特性、社会效益、环境特征评价平台：技术决策、经济评估、碳市场4）安全监测及评估技术封存安全性是影响CCUS项目实施的核心问题CO2封存风险主要包括：失稳（变形、诱发地震）和泄漏（井筒、断层、盖层）建立了三等级（风险高、中、低）、三层次（空中、地面、地下）、三介质（气体、液体、固体）的环境监测体系，已具备对土壤、大气、地下水、地面变形、植被等环境介质的监测能力。CCUS环境监测示意图安全评估体系与方法评价指标体系安全评估方法5）低渗-致密、页岩油气CO2压裂-埋存技术集成效应置换致裂增渗高效开采CO2地下封存工业捕集到的CO2输送至井场（液态）将液态CO2注入目的层驱替增能形成超临界态CO2降低储层伤害目的层基质3、CO2驱水与埋存研究进展针对鄂尔多斯干旱地区，开展深部咸水层CO2封存与咸水开采技术应用；强化CO2驱产出盐水淡化处理及水资源综合利用技术研发，降低成本形成了评价参数体系及经济评价方法，证明咸水层开采具有技术和经济可行性。煤化工稀有矿物捕集干燥净化压缩运输管道建设运行维护其他成本驱水与埋存钻井投资系统操作与维护产出水处理物理法化学法……深部咸水层埋存是潜力最大的埋存方式，主要以气态、液态、固态形式埋存。气态形式盖层和构造圈闭作用、毛管力滞留固碳液态形式CO2溶解在地层水中固态形式CO2与地层中的矿石或有机物发生反应Bachu,2003CO2埋存机理示意图咸水层埋存原理4、咸水层埋存技术

从埋存量来看，气态埋存是主要的埋存方式，埋存量大，液态埋存方式次之，固态埋存方式较小。从安全性来看，固态形式埋存安全性好，其次为液态埋存，气态埋存安全性要求条件高。随着埋存时间的延长，以气态形式存在的CO2会部分转换为液态和固态形式的埋存，物理溶解状态下的埋存会部分转化为固态埋存。CO2地质埋存机理示意图固态液态气态咸水层埋存安全性CO2注入过程中应力场变化耦合溶蚀作用对盖层封闭性影响、CO2注入导致的应力场变化诱发断层失稳界限、酸性环境管材和水泥环腐蚀导致井筒完整性变差会影响安全性。废弃井CO2注入井CO2封存安全性风险分析封存安全性风险分析储盖层断层井筒合理的选址是实现CO2驱水与埋存安全、有效、长期封存的首要条件挪威Sleipner项目封存地层：Utsira砂岩层咸水层孔隙度：38%面积：2.6×104km2咸水层渗透率：1-8D地层厚度：200-300m累计封存CO2:1980万吨挪威SleipnerCCS项目示意图凝析油气藏咸水层海底800-1000m砂体稳定：南北长超过400km，东西宽50-100km

厚度：主体200m左右项目于1996年9月开始注入CO2，年注入CO2量约90万吨，截止2020年底，已经成功注入CO2量约2000万吨。据估计，最终可以埋存大约6000亿吨的CO2。CO2作为一种原料，可用于制备多种高附加值有机化学产品。这些产品的生产可以直接减少CO2排放；合成的产品能够替代化石能源的碳基燃料，间接减少化石能源开采和加工过程的碳排放。（二）CO2化学转化技术废物化学利用C1资源CO2物理化学转化利用途径能源载体化利用碳耦合转化利用多联产碳利用物质转化物理载体利用化学载体利用能量运输的载体CO2开发地热资源CO2为工质的布雷顿循环燃料电池化学化工转化可再生能源耦合（绿电制绿氢、绿氢-CO2）联产利用是基于碳的无机和有机的易变性，通过过程强化减少碳元素转化为CO2；同时通过工艺扩展或流程延伸把产生的CO2转化为产品或其它碳的形式。化工产品（1）CO2与甲烷反应技术从环境的角度，该反应同时有效利用了两大温室气体；合成的产品能够替代化石能源的碳基燃料，减少化石能源开采和加工过程的碳排放。（2）CO2催化加氢技术CO2催化加氢技术合成甲醇合成甲烷合成甲酸合成二甲醚合成低碳烯烃合成芳烃CO2催化加氢在催化剂条件下，CO2和氢气反应转化为有机产物。根据催化剂种类不同及CO2还原程度，可得到甲醇、甲烷、甲酸、二甲醚、低碳烯烃、芳烃等有机产品。CO2催化加氢技术重点是高稳定性和高活性催化剂的研发制备。光电催化CO2还原过程示意图光催化CO2还原原理示意图光电催化CO2还原反应是光催化和电催化耦合实现CO2有效转化的一种方法，协同作用显著（降低能耗，提高CO2还原效率）。光电催化CO2还原产物包括CO、甲烷、甲醇、甲酸、乙醇等化学燃料或其他有机化合物，同时发生氧化反应生成H+和O2。关键技术：光和电能耦合、高转化率和高