行业热点 ｜ 石化行业的CCUS技术

    中国碳核算数据库（CEADs）有效数据显示，2022年，中国碳排放量累计110亿吨，约占全球碳排放量的28.87%。其中，工业排放量42亿吨，占全国排放量的38.18%。创新性应用CCUS技术成为实现碳达峰碳中和的重要技术手段。

    何为CCUS技术？CCUS（碳捕集、利用与封存）是指二氧化碳捕集、运输及再利用或安全封存的技术组合，是当前全球公认最具潜力，最具实效的减排手段。

在整套碳转换流程中，碳捕集是首要环节。在石化行业中，目前最先进和被广泛采用的碳捕获技术是化学吸附和物理分离，也就是利用二氧化碳和化学溶剂之间的反应，或者是吸附剂、新型膜来抽离出二氧化碳。

     从产业链来看，碳捕集是最关键的部分，也是成本和能耗的最大来源。而碳利用与封存是CCUS经济效益的重要产出部分，也是技术的难点。全国石化行业围绕CCUS产业链的投资主要集中在碳捕集和碳利用、封存两个细分领域。

石化行业碳捕集的方法按照对燃料、氧化剂和燃烧产物采用的措施，可以分为燃烧前捕集、纯氧燃烧和燃烧后捕集3种。

燃烧前捕集是相对成本较低、效率较高的一种方法。此方法将化石燃料气化成合成气(主要成分为H2和CO)，然后通过变换反应将CO转化为CO2，再通过溶剂吸收等方法将H2和CO2分离开对CO2进行收集。但此技术局限于基于煤气化联合发电装置(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)，因此以此技术投产的项目较少。

富氧燃烧技术采用纯氧或者富氧将化石燃料进行燃烧，燃烧后的主要产物为CO2、水和一些惰性组分。水蒸气冷凝后，通过低温闪蒸提纯CO2，提纯后的CO2浓度可达80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。

燃烧后捕集技术是当前炼厂应用较为广泛且成熟的技术，该技术具有较高的选择性和捕集率。常用的方法如化学吸收法、膜分离法、物理吸附法等。化学吸附法被认为是当前最有市场前景的吸附方法，在化学吸附中，胺类溶液以其吸收效果好的特点被广泛应用。

从国内外项目经验看，地下封存、驱油和食品级利用，是当前较主流的方向。

• 碳利用

CCUS-EOR (Enhanced oil recovery，强化采油)技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来，有较好的收益，该技术通过把捕集来的CO2注入到油田中，使即将枯竭的油田再次采出石油的同时，也将CO2永久地贮存在地下。CO2驱油的主要原理是降低原油粘度、增加原油内能，从而提高原油流动性并增加油层压力。CO2制化肥和食品级CO2商业利用也是目前较成熟的碳利用项目。

国外近年来碳利用有很多新兴的利用方向，如荷兰和日本均有较大规模的将工业产生的CO2送到园林，作为温室气体来强化植物生长的项目。包括温室气体利用技术在内，国外处于示范项目阶段碳利用技术有CO2制化肥、油田驱油、食品级应用等;正处于发展阶段的有CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2加氢制甲醇、海藻培育、动力循环等;尚处于理论研究阶段的方向有CO2制碳纤维和乙酸等。

国内新兴的碳利用方向主要有CO2加氢制甲醇、CO2加氢制异构烷烃、CO2加氢制芳烃、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大连化物所、中科院上海研究院、大连理工大学等，对这些技术进行了研究，但大多都处在催化剂研究的理论研究阶段或中试阶段。

• 碳封存

CO2捕集后，可以通过泵送到地下、海底长期储存，或直接通过强化自然生物学作用把CO2储存在植物、土地和地下沉积物中。当前的碳封存技术主要分为以下2种:

第一种是将CO2高压液化注入海洋底。基于CO2的理化性质，在海平面2.5 km以下，CO2主要以液态的形式存在。由于密度大于海水密度，将这一区域作为海洋碳封存的安全区域。

第二种是将CO2进行地质封存。在地下0.8～1.0 km这一高度区域内，超临界状态的CO2具有流体性质。基于CO2的理化性质改变，可实现地质碳封存。

油气田碳捕集技术研究方向化学溶剂吸收法是对低压中浓度碳源进行碳捕集最成熟、最经济的技术，并且对于已建装置最容易实现改造。其研究方向将是更低能耗的新型化学吸收剂，如新型胺液吸收剂和相变吸收剂。

对于已研发的部分实验能耗为 2.0 GJth/t CO2的吸收剂，应加快中试和现场试验应用进程。对低压低浓度碳源进行碳捕集尚无经济可行的成熟技术，复合胺吸收体系吸收基本是唯一可行的方法，下一步应开展新型低能耗溶剂的研发和全厂全流程能量优化。近几年石油化工研究院将低成本捕集作为技术攻关的核心，采用AI量子化学计算技术，挖掘化学溶剂基因库配方，开发了新一代吸收溶剂PC-1，在提高处理量的同时减少了设备体积和占地，大幅降低捕集成本。新溶剂的吸收解吸性能大幅提升，解决了含氧烟气氛围下溶剂氧化降解与腐蚀失控导致成本上升的难题。在复杂组分气体处理量每小时5万立方米的条件下，二氧化碳纯度稳定达到99.7%以上，新溶剂运作效率较传统胺提高20%以上，预计节约成本超过20%。

膜分离法具有良好的发展前景，未来应加快开发新型高CO2分离膜和基于膜分离法的组合技术， 如膜分离法+变压吸附法、膜分离法+化学溶剂吸 收法等，尤其是开展中规模（30×104～100×104 t/a）、大规模（≥100×104 t/a）的组合技术研究，这 也是实现对低压碳源进行碳捕集高效经济的发展方向之一。

CCUS技术涉及到CO2的捕集、运输及封存利用， 就整条产业链而言，成本高是制约其发展的重要因素， 这是由于烟道气中的主要成分为氮气，而CO2的含量相对较低，从而导致分离能耗大，捕集成本高。

而对于石油行业，为了满足石油开发的需求，提高石油采收率，通常将CO2注入油气层进行驱油，气源多数来自燃煤电厂烟道气中的 CO2，捕集到的CO2又要通过 管道运输到相应油井处，成本较高。

相较其他制氢技术，现阶段煤制氢与CCUS技术的集成应用具备显著的成本优势；CCUS技术可降低煤制氢过程约90%的二氧化碳排放，但相比可再生能源制氢其碳足迹仍是短板；新疆、山西、陕西 及内蒙古等地区可作为推广煤制氢与CCUS技术集成应用的优先区域；煤制氢与CCUS 技术集成应用面临的挑战主要包括缺乏公众认可度以及与可再生能源之间的竞争。这有可能对煤制氢与CCUS技术的集成应用潜力形成严重制约，阻碍其长远发展。 

未来已来，石化行业CCUS技术大有可为。