Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) Technology Development in China

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1 Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) Technology Development in China Ping Zhong1, Li Jia1, Jiutian Zhang*1 1 The Administrative Centre for China s Agenda 21, Beijing, China zhangjt@acca21.org.cn *: Correspondence author Abstract: This article summarizes the policies in China regarding the development of Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) technology, and introduces the overall status of the CCUS R&D&D (research development and demonstration) activities in China. The article also compares the development of CCUS technology in China with CCS technical development in EU, US and other advanced developed countries, and puts forward some helpful near-term recommendations for China to better develop CCUS technology. Keywords: CCS; CCUS; CO2; Technology Development; China; Roadmap 碳捕集利用与封存(CCUS)技术在中国的发展仲平 1 贾莉 1 张九天*1 1 中国 21 世纪议程管理中心北京中国 zhangjt@acca21.org.cn 摘要: 本文总结了当前我国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)技术政策全面介绍了中国 CCUS 技术研发和示范活动的开展情况并通过与欧美等发达国家 CCS 技术发展与示范活动现状的对比全面分析评价了我国 CCUS 技术发展方面存在的不足并提出了针对性的建议关键词: CCS CCUS CO2 技术发展中国路线图 1 引言以气候变化为核心的全球环境问题日益严重已经成为威胁人类可持续发展的重要挑战根据政府间气候变化委员会第 4 次评估报告 IPCC AR4 结论全球地表平均温度近百年来年升高了 0.74 主要是由于化石燃料燃烧和土地利用变化等人类活动排放的温室气体主要包括二氧化碳甲烷和氧化亚氮等导致大气中温室气体浓度增加所引起的[1] 情景研究表明到本世纪末大气中温室气体的浓度将增加 1 倍全球平均温度仍将上升海平面可能上升 0.6 米[2] 为避免对气候系统造成不可逆转的不利影响必须采取措施减少和控制温室气体的产生和排放削减以 CO2 为主的温室气体排放已成为当今国际社会关注的热点碳捕集利用与封存(Carbon Capture 2 我国碳捕集利用与封存(CCUS)技术政策 *:张九天博士为本文联系作者本研究得到了十一五国家科技支撑计划全球环境变化应对技术研究与示范重大项目我国应对全球环境变化的科技战略研究专题编号 20077BAC03A12-5 的资助 and Storage, CCS)技术作为是一项新兴的具有大规模减排潜力的技术有望实现化石能源使用的二氧化碳近零排放被认为是进行温室气体深度减排最重要的技术路径之一近年来为促进该技术的发展与应用欧盟美国澳大利亚等发达国家均已启动大规模的计划推动 CCS 技术的研发与示范并在 8 国集团 G8 20 国集团 G20 等框架下积极推动 CCS 在全球范围的发展 [3] 我国能耗总量大能源结构以煤为主的现实在未来将长期存在在温室气体减排问题上也将面临越来越大的压力为积极应对气候变化增强控制温室气体排放技术能力我国也对该技术给予了积极的关注和高度重视政府科研机构和企业从不同的层面围绕该技术领域开展了大量的工作 2.1 CCS 与 CCUS 1786

2 CCS 技术是指将 CO 2 从电厂等工业或其他排放源分离, 经富集压缩并运输到特定地点, 注入储层封存以实现被捕集的 CO 2 与大气长期分离的技术 [4] CCS 技术是一项系统技术, 包括 CO 2 捕集技术运输技术和封存技术的系统集成, 主要应用对象为大规模的 CO 2 排放点源, 包括电厂煤化工厂等根据排放源类型的不同, 捕集技术分为燃烧后捕集 ( 用于传统燃煤电厂等 ) 燃烧前捕集 ( 用于 IGCC 电厂等 ) 和富氧燃烧捕集 ( 用于富氧燃烧系统 ) 运输可采用槽车船舶管道等方式封存方式包括地质封存与海洋封存, 其中地质封存可在深层咸水层油气藏和深层煤层中进行关于技术的具体分类和细节本文不一一赘述 CO 2 是工业活动的必然产物, 对其进行捕集和封存在经济效益上是纯耗费的行为, 如能加以资源化利用, 可创造额外的经济和环境效益为此, 我国格外关注创新型 CO 2 资源化利用技术的研发, 提出系统发展碳捕集利用与封存 (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) 技术的概念, 并在国际社会产生了一定影响 2010 年 7 月, 主要经济体能源与能源安全与气候变化论坛 (MEF) 专门成立了 CCUS 工作组, 以推动 CCUS 技术在全球层面的研发示范与推广工作 2.2 我国现有 CCUS 技术政策 CCUS 技术是一项具有战略意义的新兴温室气体控制技术, 总体上尚处于研发和示范阶段, 目前仍存在许多制约其发展的突出问题, 包括能耗和成本过高可持续发展效益不显著长期封存的安全性和可靠性存在风险等 [5] 因此, 加强技术研发和示范是现阶段推动该技术发展的重点开展 CCUS 技术的研发和储备, 将为我国未来温室气体减排提供一种重要的战略性技术选择为引导和推动该技术的发展, 国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 年 ) 在先进能源技术重点研究领域提出了开发高效清洁和二氧化碳近零排放的化石能源开发利用技术 ; 中国应对气候变化科技专项行动明确将二氧化碳捕集利用与封存技术开发作为控制温室气体排放和减缓气候变化的重要任务之一 ; 中国应对气候变化国家方案将 CCUS 等煤清洁高效开发与利用技术的开发列为我国温室气体减排领域的重点工作之一 2.3 国家科技计划有关项目安排十一五期间, 国家重点基础研究发展 (973) 计划国家高技术研究发展 (863) 计划等支持对 CO 2 捕集资源化利用与封存相关科学理论关键技术等展开研究, 旨在加强技术创新, 促进能耗和成本降低, 深化和拓展 CO 2 资源化利用途径, 提高其可持续发展效益国家重点基础研究发展 (973) 计划十一五期间,973 计划安排了温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存项目, 分为 8 个课题, 包括适合中国地质特点的 CO 2 埋存标准制订及应用潜力评价研究 ;CO 2 地下埋存的地质学理论研究 ; CO 2 地下埋存的监测和前缘预测技术研究 ; 注 CO 2 提高原油采收率的多相多组分相态理论研究 ;CO 2 驱替过程中多相多组分非线性渗流机理和规律研究 ; O 2 /CO 2 循环燃烧及污染物的协同脱除研究 ; 燃煤 CO 2 分离与富集研究 ;CO 2 防腐结垢等工程技术与方法研究参与项目研究的单位包括中石油中科院地质与地球物理研究所中国石油大学华中科技大学等国家高技术研究发展 (863) 计划十一五期间,863 计划资源环境技术领域安排了二氧化碳的捕集与封存技术重点项目, 瞄准国际技术前沿, 研发吸附吸收等二氧化碳捕集技术, 探索二氧化碳封存技术项目包括 3 个课题, 分别围绕新型高效吸收溶剂特大型吸收设备强化和过程优化 ; 新型高效吸附材料的制备筛选和基础物性吸附分离过程优化 ; 咸水层封存能力评价安全性以及封存效果监测开展具体的研发与示范工作包括华能集团等单位参与了课题研究, 并已在国内开展了相关的示范工程建设工作 3 我国 CCUS 技术研发与示范与国外发达国家相比, 我国 CCUS 技术研发工作起步较晚, 但近年来发展迅速在国家相关科技政策的引导下, 一些国内高校研究院所企业等已经围绕 CO 2 封存利用和埋存开展了许多具体的研究和示范工作, 在部分技术领域, 技术水平示范规模及运行效果甚至已经走在世界前列在全流程 CCUS 技术整合与示范方面, 部分国内企业也已开始行动, 一些工业级试验和示范正在开展本节将对其中的部分研发和示范活动进行初步的归纳 3.1 CO 2 捕集技术研发与示范 1787

3.1.1 华能集团 3000 吨/年捕集试验和 10 万吨/年捕集示范 2008 年华能集团在华能北京热电厂建成投产了年回收能力达 3000 吨的燃煤电厂烟气 CO2 捕集试验系统投运一年多来该系统各装置运行稳定可靠技术经济指标均达到设计值 CO2 回收率大于 85% CO2 纯度达到 99.

3 3.1.1 华能集团 3000 吨/年捕集试验和 10 万吨/年捕集示范 2008 年华能集团在华能北京热电厂建成投产了年回收能力达 3000 吨的燃煤电厂烟气 CO2 捕集试验系统投运一年多来该系统各装置运行稳定可靠技术经济指标均达到设计值 CO2 回收率大于 85% CO2 纯度达到 % 累计回收 CO2 约 4000 吨并全部实现了再利用 2009 年华能集团在上海石洞口第二电厂启动了 10 万吨/年 CO2 捕集示范项目使用具有自主知识产权的燃烧后 CO2 捕集技术该项目是上海石洞口第二电厂二期 2 台 660MW 国产超超临界机组的配套工程年 CO2 捕集能力为 12 万吨项目于 2009 年 7 月份在上海开工建设 2009 年 12 月底完成调试工作投入示范运行捕集的 CO2 经制精制提纯后用于食品行业该示范工程为当时世界上最大的燃煤电厂烟气 CO2 捕集装置如图 1 所示 CO2 可以被广泛用于制造碳酸饮料烟丝膨化处理金属保护焊接合成有机化合物灭火制冷也可用于强化石油开采 Enhanced Oil Recovery, EOR 和强化煤层气开采 Enhanced Coal-Bed Methane Recovery, ECBM 以 EOR 为例初步测算若在我国全面推广 CO2 驱油与封存技术可增加原油的可采储量 6-10 亿吨同时提供封存亿吨 CO2 的潜力应用前景广阔目前中国企业在 EOR ECBM 微藻生物能源化工合成等领域都开展了初步的研发和示范工作华中科技大学富氧燃烧技术研发与中试在相关理论研究和技术研发的基础上华中科技大学已经建立了热输入为 400kWt 的中试规模富氧燃烧试验系统, 开展空气助燃方式燃烧 O2/CO2 烟气循环燃烧炉内喷钙增湿活化脱硫分级燃烧等试验研究预计于 2010 年底建成热输入为 3MWt 的中试系统设计捕获 CO2 量为 1t/h 此外该校有关科研人员正在筹备建设一套 10 万吨/年的全流程的 CO2 富氧燃烧捕集与封存工业示范系统 Figure 1. Various industrial uses for CO2 图 1. CO2 资源化利用的不同方式中石油吉林油田 CO2 EOR 研究与示范中电投重庆双槐电厂 1 万吨/年碳捕集示范 2010 年 1 月中国电力投资集团投资建设的重庆合川双槐电厂 CO2 捕集工业示范项目正式投运这套装置每年可处理 5000 万 Nm3 烟气从中捕集 1 万吨浓度在 99.5%以上的 CO2 CO2 捕集率达到 95%以上国电集团 2 万吨/年 CO2 捕集和利用示范中国国电集团将于 2010 年底投运 CO2 捕集中试装置拟于 2011 年底建成年捕集 2 万吨的 CO2 捕集和利用示范工程工程拟在国电天津北塘电厂进行采用化学吸收法进行捕集示范工程的液态 CO2 产品将处理达到食品级在天津地区销售中联煤利用 CO2 强化煤层气开采项目在科技部的支持下中联煤层气公司启动了深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气技术研究通过实验室研究和野外试验相结合研究煤储层 CO2 吸附解吸特征开展现场煤层气井 CO2 注入试验探索性地研究和开发一套 CO2 注入深部煤层中开采煤层气资源的技术项目目前正在开展注入试验 3.2 CO2 资源化利用技术研发与示范 CO2 是一种重要的工业气体有较广泛的用途在科技部的支持下中国石油集团 2007 年启动重大科技专项吉林油田含 CO2 天然气藏开发和资源综合利用与封存研究项目研究主要目标是研发 CO2 驱油与封存技术在 CO2 驱油提高低渗透油藏的采收率和特低渗透油藏的动用率的同时解决高含 CO2 天然气开发中副产的 CO2 的排放问题截止 2010 年上半年 CO2 驱油与封存先导试验现场累积注入液态 CO212.2 万吨控制封存 CO2 约 8 万吨 CO2 驱累积产油 5.1 万吨预计到 2015 年末将达到 CO2 驱油年产 50 万吨的生产能力控制封存 CO2 约万吨 1788

4 3.2.3 新奥集团微藻固碳生物能源示范河北省新奥集团开发了微藻生物吸碳技术, 建立了微藻生物能源中试系统, 实现利用微藻吸收煤化工 CO 2 的工艺该中试系统包括了煤化工 CO 2 捕捉微藻养殖等全套工艺设备, 年吸收 CO 吨, 生产生物柴油 20 吨, 生产蛋白质 5 吨在此基础上, 新奥集团拟于内蒙古达拉特旗建立达旗微藻固碳生物能源示范项目, 该项目利用微藻吸收煤制甲醇 / 二甲醚装置烟气中的 CO 2, 生产生物柴油的同时生产饲料等副产品, 年吸纳 CO 2 32 万吨中科金龙 CO 2 制备化工产品和原料技术示范江苏中科金龙化工股份有限公司已建成 2.2 万吨 CO 2 基聚碳酸亚丙 ( 乙 ) 酯生产线示范, 该工艺以酒精厂捕集的 CO 2 为原料反应制备聚碳酸亚丙 ( 乙 ) 酯多元醇, 用于外墙保温材料皮革浆料可降解塑料等产品, 每年 CO 2 利用量约 8000 吨 3.3 CO 2 封存有关研究中国 CO 2 地质封存潜力初步评价 2009 年, 中国地质调查局制定了中国二氧化碳储存地质潜力调查评价实施纲要同年, 国土资源部将 CO 2 地质储存调查评价纳入地质矿产保障工程实施方案 ( 年 ) 地质基础支撑计划内的全球变化调查监测与评价和地下空间资源调查之中目前, 中国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程正式立项启动, 旨在开展中国主要沉积盆地 CO 2 地质储存潜力调查, 进行适宜性评价分区, 圈定一批 CO 2 地质储存适宜靶区 ; 以沉积盆地为单元编制 CO2 地质储存适宜性评价图集与万 CO 2 地质储存适宜性评价成果图系同时, 拟与有关企业联合开展 CO 2 地质储存示范工程此外, 清华大学中科院岩土力学所等高校和研究机构对于源汇特征进行了研究, 并对某一些省份进行了源汇匹配分析 3.3.2CO 2 地质封存有关研究近年来, 中科院地质与地球物理研究所中国科学院武汉岩土力学研究所清华大学华中科技大学等高校和研究机构对于 CO 2 盐水层封存过程中 CO 2 在盐水层中的运移规律化学反应固化机理以及盐水层中 CO 2 注入技术封存控制技术等进行了初步研究 3.4 全流程 CCUS 技术整合与示范作为一项系统性技术,CCUS 技术的成熟以捕集运输和埋存等各个环节技术的成熟和系统整合为基础目前, 国内已有数个不同规模和路线的全流程 CCUS 示范正在开展或筹备中石化胜利油田燃煤电厂 3 万吨 / 年 CO2 捕集与 EOR 示范自 2008 年起, 中国石化集团胜利电厂开展了 100 吨 / 日燃煤烟道气 CO 2 捕集和封存驱油中试工程建设该中试工程捕集胜利发电厂燃煤烟道气中体积浓度约 14% 的 CO 2, 纯化后达 99.5% 的 CO 2 用于胜利低渗透油藏 EOR, 实现全流程 CO 2 捕集与封存目前, 该中试工程已完成建设, 处于试运行阶段在此基础上, 中石化集团计划进一步开展 100 万吨 / 年燃煤电厂烟气 CO 2 捕集纯化驱油与封存技术开发的示范工程, 初步计划于 2015 年建成神华集团 10 万吨 / 年的 CCS 示范工程中国神华集团计划建立全流程的 10 万吨 / 年的 CCS 示范工程, 通过捕集煤化工工厂的高浓度 CO 2 尾气并提纯后, 由槽车运送至封存地点, 加压后注入到深部盐水层计划于 2010 年底开始现场注入中国华能绿色煤电 IGCC 电站示范工程绿色煤电天津 IGCC 电站示范工程是中国华能集团公司绿色煤电计划的项目依托, 位于天津市滨海新区示范工程旨在研究开发示范推广可大幅提高发电效率实现污染物和 CO 2 近零排放的煤基发电系统重点是自主设计和制造干煤粉加压气化相关设备, 掌握大型煤气化工程的设计建设和运行技术天津 IGCC 示范一期工程已于 2009 年 7 月开工建设项目拟分三期建设, 计划 2011 年底完成一期电厂建成投产 ;2014 年完成绿色煤电关键技术研发 ; 2016 年建成含有 CO 2 捕集的 400MW 示范工程, 捕集的 CO 2 用于附近油田 EOR 3.4 CCUS 有关国际科技合作近年来,CCUS 技术相关领域也成为我国对外科技合作的热点在多边或双边的合作框架下, 国内高校科研机构企业与欧盟澳大利亚意大利日本美国等相关机构开展了广泛的科技交流与合作比较有代表性的合作包括 : 参与碳收集领导人论坛 (CSLF) 全球 CCS 研究院 (GCCSI) 合作 ; 在中欧气候变化合作框架下开展了中欧 / 中英煤炭利用 1789

5 近零排放合作项目 NZEC 包括中欧碳捕集与封存合作 COACH 和碳捕集与封存政策法规研究 STRACO2 等在亚太清洁发展和气候伙伴关系 APP 框架下开展的中澳 CO2 地质封存合作项目以及中意 CCS 技术合作项目等通过这些国际合作不仅加强了中国相关科研机构和企业的能力建设形成了中国在 CCUS 领域的核心研究团队同时围绕捕集技术选择技术经济性评价封存潜力评估源汇匹配等开展了探索性的研究工作 4 进一步推动我国 CCUS 技术发展的几点思考尽管起步较晚我国 CCUS 技术发展在近些年来取得了长足进步成功的开展了工业级的 CO2 捕集示范并在 CO2 利用等技术环节形成了有自主知识产权的技术形成自身的技术特点但是对比欧美澳等发达国家我们仍存在几个方面的明显不足[5] 第一缺少国家层面的技术政策的指导和宏观协调无法引导资源的有效配置近年来国际能源署 IEA 碳收集领导人论坛 CSLF 全球 CCS 研究院 GCCSI 等国际机构或国际合作平台以及美国加拿大澳大利亚英国等国家发布了多个全球或国家 [3,6] 层面的 CCS 技术发展路线图 Technology Roadmap 一方面明确未来 CCUS 技术发展重点和关键环节引导资源有效配置另一方面从系统层面安排部署重大项目计划确保资源的有效使用鉴于此我国也应适时发布 CCUS 技术发展规划或路线图明确我国发展 CCUS 技术的定位目标重点研究方向和重点任务第二缺少行业间合作平台示范项目往往侧重于单个技术环节为推动 CCUS 技术的发展无论是欧盟的 CCS 旗舰计划 Flagship Program 美国的区域 CCS 伙伴计划未来发电计划 FutureGen 还是澳大利亚的 ZeroGen 计划均建立了包括电企油企研究机构在内的跨行业合作平台比如欧盟的零排放技术合作联盟 Zero Emission Platform, ZEP 等并且在技术研发经验共享等方面取得了良好的效果 CCUS 技术的发展需要原属于不同行业技术间的系统集成和优化并开展跨行业的全流程示范因此中国也应尽早建立类似的合作平台如 CCUS 技术合作战略联盟集各成员单位的优势开拓合作共赢的 1790 局面第三现有研发与示范工作均专注于硬技术对于 CCUS 技术未来应用的软环境建设明显缺失 CCUS 作为一项新技术其应用涉及多个环节一方面封存场地选址 CO2 监测和长期安全管理等均需要全面细致的技术标准和相应的管理规范[7] 另一方面相关管理和审批涉及多个部门有关 CO2 的长期监测及安全管理等也均属新鲜事物健全的法律法规体系是顺利开展 CCUS 的有利条件此外公众了解和接受也是开展 CO2 封存的前提条件尽管我国目前阶段对 CCUS 技术的定位仅为战略性技术储备但这些软技术方面的工作也必须及早开展致谢作者感谢中国石油天然气集团公司中国石油化工集团公司中国华能集团公司中国电力投资集团公司中国国电集团公司中国神华集团公司中联煤层气公司新奥集团江苏中科金龙化工股份有限公司清华大学华中科技大学中科院地质与地球物理研究所中科院岩土力学研究所等单位和有关专家提供的关于 CCUS 有关研究和示范活动的信息 References (参考文献) [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] IPCC, 2007a. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge, Cambridge University Press. IPCC, 2007b. Climate Change 2007: Synthesis Report. IPCC, Geneva, Switzerland. IEA, 2010, Carbon Capture and Storage: Progress and Next Steps (IEA/CSLF Report to the Muskoka 2010 G8 Summit), available at: WU Zongxin, WANG Weizhong, CHEN Wenying, CO2 Capture and Storage Development Strategy and Long-term Implication to Mitigation in China [J], Environmental Science, 2007 (6): (Ch). 吴宗鑫王伟中陈文颖.CO2 收集封存战略及其对我国远期减缓 CO2 排放的潜在作用[J].环境科学.2007(6): ZOU Lele, ZHANG Jiutian, WEI Yiming, Review and Analysis of International Regulations and Policies on CCS Technology [J], Energy and Environment, 2010, 32(4): (Ch). 邹乐乐张九天魏一鸣. 二氧化碳封存技术相关国际法规与政策的回顾与分析[J]. 能源与环境. 2010, 32(4): US DOE, NETL, 2007, Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan 2007, available at: t%20portfolio/2007/2007roadmap.pdf. EC, 2008b. Directive of the European Parliament and of the Council on the geological storage of carbon dioxide and amending Council Directives 85/337/EEC, 96/61/EC, Directives 2000/60/EC, 2001/80/EC, 2004/35/EC, 2006/12/EC and Regulation (EC) no 1013/2006, 23/01/2008.

1.1. 考量國家自身能力與國情, 在能源選擇與減碳空間上取得協調, 並在符合我國欠缺自主能源且環境承載力有限的特性下承擔共同但有差異的減碳責任主席 ( 賴榮孝 ): 好,

1.1. 考量國家自身能力與國情, 在能源選擇與減碳空間上取得協調, 並在符合我國欠缺自主能源且環境承載力有限的特性下承擔共同但有差異的減碳責任主席 ( 賴榮孝 ): 好, 全國能源會議全體大會總結會議 ( 三 ) 環境低碳永續司儀 : 第三場總結會議核心議題環境低碳永續本場次的主持人我們掌聲歡迎環保署魏國彥魏署長, 熱烈掌聲歡迎, 還有荒野保護協會賴榮孝主席, 掌聲歡迎, 我們現在將時間交給主持