2014 石油石化节能与减排 二氧化碳捕集、利用和封存技术应用现状及发展方向_程一步

☆ 2014年 第4卷 第5期 ☆
统计与计算。项目净减排量计算公式如下： CO2净减排量 = 直接 CO2 减排量 - 能源间接
CO2 排放 3.1.2 能源间接 CO2 排放计算
1）CCUS 技术主要能耗指标 ① CO2 驱油与封存技术 CO2 驱油与封存技术能耗指标参见表 3，表中 数据取自某典型工程项目设计资料。能耗主要包括 CO2 捕集、压缩液化输送、注入增压三部分，其中 捕集技术采用化学吸收法，输送采用管输技术，输 送距离小于 400 km。CO2 驱煤层气、盐水层封存亦 基本包括 CO2 捕集、压缩液化输送和注入增压，能 耗基本同驱油。
2 二氧化碳捕集、利用和封存技术应用现状 目前处于商业应用和工业试验的 CCUS 技术主
要包括 CO2 驱油（驱煤层气）与封存技术、CO2 制 化工产品技术、CO2 微藻生物制油技术、CO2 矿化
1 我国目前二氧化碳排放量及减排目标 据国际能源署（IEA）《2013 年世界能源展
望》测算，2012 年我国 CO2 总排放量约 83 亿吨，
100
Salah 阿尔及利亚 咸水层
2004
100
Frio
美国
咸水层
2004
6
Snohvit
挪威
咸水层
2008
70
鄂尔多斯
中国
咸水层
2011
10
Fenn
加拿大 驱煤层气
1998
1.5
K12B
荷兰
驱气
2004
3
沁水
中国
驱煤层气
2003
0.9
Yubari
日本
驱煤层气
2004
0.3
2.2 CO2 制化工产品技术 CO2 分子相当稳定，很难被活化，但在特定的
目前用co生产传统化工产品如尿素碳酸氢铵等技术成熟但生产新型化工产品的合成技术还有待进一步发展主要问题是能耗和成国内部分eor项目报道co埋存主要把捕集的co压缩后运输到枯竭油气田等地下封存场所然后进行注入地下的温度和压力使co缓慢穿过多孔岩并填满孔隙的微小空间实现对co项目规模开始年份封存方式大庆油田先导试验江苏油田先导试验辽河油先导试验吉林油田导试验胜利油田先导试验中原油田先导试验1990eor1998eor2001eor2007eor2007eor2008eor名称地点封存形式实施年份co2封存量sleipnersalahfriosnohvitfennk12byubari挪威咸水层19962004美国咸水层2004挪威咸水层2008中国咸水层2011加拿大驱煤层气1998荷兰2004中国驱煤层气2003日本驱煤层气20041001007010150903soo2s2oo1s1ooso2ooo?2oos2o11?2o12?o8s1s6616s6887217988s2s41266278928829262884s116s161s21922os2122242s92s92s626s石油石化节能与减排23co微藻生物制油技术微藻制油就是利用微藻光合作用将co化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外再进行提炼加工从而生产出生物柴油








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收稿日期：2014-04-29 作者简介：程一步，教授级高级工程师，学士，1986 年毕业于清 华大学热能工程专业，现主要从事评估、咨询及专题研究工作。
程一步，孟宪玲. 二氧化碳捕集、利用和封存技术应用现状及发展方向 石油石化节能与减排


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表 3 某 100 万吨/年 CO2 驱油项目主要能耗
名称
电耗/（kW·h/t ）
汽耗/（t·t-1）
CO2 捕集
80
1
CO2 压缩液化输送
131
CO2 注入增压
19
小计
230
1
② CO2 化工产品技术 CO2 化工产品技术以目前消耗 CO2 最多的尿 素产品生产技术为例。根据 2012 年中国氮肥工业 协会技术经济指标年报数据，我国吨尿素生产平 均消耗液氨约 0.58 t，消耗 CO2 约 0.733 t，用电 约 138 kW·h，用汽约 1.321 t。吨液氨生产用电约 1 150 kW·h，用汽约 0.9 t。据此估算出尿素生产 中消耗吨 CO2 用电、用汽数量见表 4。
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图 1 近几年我国 CO2 排放情况
技术等。 2.1 CO2 驱油（驱煤层气）与封存技术
CO2 驱油机理是 CO2 溶于油后会使原油膨胀， 降低原油黏度，从而使原油流动能力增加，提高原 油产量；溶于原油和水，将使原油和水碳酸化，原 油碳酸化后，其黏度随之降低，水碳酸化后，水的 黏度将提高 20 % 以上，同时也降低了水的流度。 碳酸化后，油和水的流度趋向靠近，改善了油与水 流度比，扩大了波及体积。所以 CO2 通过注入井泵 入油层后，易被水驱向前推进，当 CO2 与原油达到 混相后进而驱动原油进入生产井。目前，国外 CO2 驱提高原油采收率技术已较为成熟，而国内 CO2 驱 还处于先导试验阶段，与国外有一定差距。据美国 《油气杂志》报道，2012 年全球正在进行的提高原 油采收率注 CO2 采油项目有 136 项，产油量为 44.1 万桶/日。国内 1990 年以来先后开展了多个 CO2 驱 油先导试验，见表 1。
减排技术
石油石化节能与减排
2014年第4卷 第5期
二氧化碳捕集、利用和封存技术 应用现状及发展方向
程一步，孟宪玲
（中国石化集团公司经济技术研究院，北京 100029）
摘 要：简单介绍了二氧化碳捕集、利用和封存主要技术应用现状，并对其净减排量进行了分析。指出 二氧化碳驱油（驱煤层气）、微藻制油、制化工产品、矿化及深咸水层埋存技术有较好应用前 景，需要加大研发力度解决能耗高问题和通过加大与新能源耦合减少技术实施过程中的化石能 源消耗，实现真正意义上的减排。二氧化碳捕集、利用和封存要重视环境风险问题，提高安 全、环保技术水平。
CO2 矿化技术主要利用地球上广泛存在的橄榄 石、蛇纹石等碱土金属氧化物与 CO2 反应，将其 转化为稳定的碳酸盐类化合物，从而实现 CO2 减 排。国外认为成本太高，未见大规模应用报道。国 内中国石化与四川大学合作开发了 CO2 矿化磷石 膏（CaSO4·2H2O）技术，采用石膏氨水悬浮液直 接吸收 CO2 尾气制硫铵，已建设 100 m3/h（标准状 态）尾气 CO2 直接矿化磷石膏联产硫基复合肥中试 装置。
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石油石化节能与减排
2.3 CO2 微藻生物制油技术 微藻制油就是利用微藻光合作用，将 CO2 转
化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过 诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利 用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞 外，再进行提炼加工，从而生产出生物柴油。据报 道，美国 2006 年绿色能源科技公司利用电厂烟道 气 CO2 光合合成培养微藻，产率达到每年每英亩 5 000～10 000 加仑生物柴油；波音公司研究利用微 藻开发战斗机用油；蓝宝石公司经过持续努力已开 发成套微藻能源技术，微藻示范养殖规模达到 300 英亩（约121.41公顷），已开始工业示范，具备了 进一步推进产业化的基础。国内新奥集团 2010 年 已在内蒙古建设 5 000 吨微藻利 用，生产生物能源；2011 年底，中国石化在石家 庄炼化厂利用中科院与中国石化合作开发的微藻生 物柴油技术建设我国首个以炼厂 CO2 废气为碳源的 “微藻养殖示范装置”，于 2012 年投入运行，可 为炼厂减排 CO2 约 20 ％ 提供技术基础，同时养殖 的微藻为生物柴油的开发奠定原料基础，从而实现 循环利用。目前，微藻制油的瓶颈主要是如何大规 模获得微藻生物质和大幅度降低生产成本。 2.4 CO2 矿化技术
我国 CO2 排放量逐年不断增加，导致国际社会 要求我国承担更大减排义务的呼声越来越高，我国 面临的减排压力越来越大，迫切需要采取有效措施 减少 CO2 排放。为此，作为一个负责任的发展中大 国，我国已经制定了应对气候变化的国家方案，并 于 2009 年 11 月底提出了自己的减排目标——2020 年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年 下降 40 ％～45 ％。我国已将该指标作为约束性指 标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定了 相应的国内统计、监测、考核办法。这充分表明了 我国积极应对气候变化、有效减少 CO2 排放、加快 绿色低碳发展的决心。
表 1 国内部分 EOR 项目报道
项目
规模
开始年份
封存方式
大庆油田
先导试验
1990
EOR
江苏油田
先导试验
1998
EOR
辽河油田
先导试验
2001
EOR
吉林油田
先导试验
2007
EOR
胜利油田
先导试验
2007
EOR
中原油田
先导试验
2008
EOR
CO2 埋存主要把捕集的 CO2 压缩后运输到枯 竭油气田等地下封存场所，然后进行注入，地下的 温度和压力使 CO2 保持液态，CO2 缓慢穿过多孔岩 并填满孔隙的微小空间，实现对 CO2 封存。合适 的 CO2 封存地点包括废弃的油田、废弃的气田、不
CO2 捕集、利用与封存技术（以下简称 CCUS 技术），是一项新兴的、具有较大潜力减排 CO2 的 技术，被认为是应对全球气候变化、控制温室气体 排放的重要技术之一。但是，目前 CCUS 技术还广 受争议，本文拟对此进行分析。
占全球排放的 26.3 %，参见图 1。我国 CO2 排放量 持续增加的主要原因是经济持续高速增长带动的化 石能源特别是煤炭消耗大幅增加。
催化剂和反应条件下，仍可与许多物质发生反应， 生产重要的化工原料产品，如尿素、碳酸氢铵、碳 酸二甲酯、聚碳酸酯、甲烷、合成气、甲醇、聚氨 酯等。2011 年以来全球每年有近 1.1 亿吨CO2 被化 工利用，其中尿素是利用 CO2 的最大宗产品，每 年消耗 CO2 超过 7 000 万吨；其次是无机碳酸盐， 每年消耗 CO2 达 3 000 万吨；将 CO2 加氢还原合成 CO，每年消耗 CO2 达 600 万吨；CO2 用于合成药物 中间体水杨酸及碳酸丙烯酯等，每年消耗 CO2 约 2 万多吨。目前，用 CO2 生产传统化工产品，如尿 素、碳酸氢铵等技术成熟，但生产新型化工产品的 合成技术还有待进一步发展，主要问题是能耗和成 本高。
表 4 CO2 制尿素主要能耗
名称
电耗/（kW·h/t）
汽耗/（t·t-1）
CO2 捕集、输送
211
1
液氨生产能耗
910
0.71
尿素生产能耗
188
1.8
小计
1 309
3.51
③ CO2 微藻生物制油技术 CO2 微藻生物制油技术能耗指标主要参见表 5。主要包括 CO2 捕集、输送、微藻培养、植物油 脂提取、植物油脂预处理等。
能开采的煤田、含水岩层、含盐层等。国内外部分 CO2 埋存项目见表 2。总的来看，CO2 的各种埋存 技术相对较为成熟，主要问题是除驱油产生经济效 益外，其余埋存技术无经济效益。
表 2 国内外部分 CO2 埋存项目
名称
地点
封存形式
实施年份 CO2封存量/ （万 t/a）
Sleipner
挪威
咸水层
1996
关键词：二氧化碳 减排技术 方向
科学界普遍认为，人类活动排放的温室气体 不断增加是引起全球气候变暖的主要原因。导致 温室效应的温室气体主要包括二氧化碳（CO2）、 甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化 物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫 （SF6），其中CO2 所占比例最大（2004 年 CO2 占 整个温室气体的 77 %）。大气中 CO2 浓度的大幅 增加，主要源自于人类生产和生活过程中燃烧大量 化石燃料，引起全球气候变暖，导致一些动植物灭 绝和极端恶劣气象增多。CO2 引起的气候变化问题 已成为国际社会普遍关心的重大全球性问题，正在 对人类的生存与发展产生深刻影响。我国 CO2 排 放量较大并继续增加，正面临日益强烈的要求减排 CO2 的国际压力。因此，我国迫切需要采取有效措 施，减少 CO2 排放量，减缓排放强度。
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程一步，孟宪玲. 二氧化碳捕集、利用和封存技术应用现状及发展方向 石油石化节能与减排
表 5 CO2 微藻制油主要能耗
名称
电耗/（kW·h/t ）
汽耗/（t·t-1）
CO2 捕集、输送
211
1
微藻培养
200
植物油脂提取
6.3
0.025
植物油脂预处理
2.2
0.019
小计
419
1.044
④ CO2 矿化技术 CO2 矿化技术以固废磷石膏矿化 CO2 联产硫 基复合肥为例。参照某项目设计资料，矿化反应 生成 1 t 硫胺消耗 CO2 约 0.33 t，需液氨 0.26 t、电 905 kW·h、蒸汽 5.3 t。据此估算以固废磷石膏矿 化 CO2 联产硫基复合肥消耗吨 CO2 用电、用汽数据 见表 6。 CCUS 技术主要能耗数据汇总见表 7。
3 目前二氧化碳捕集、利用和封存技术存在的主 要问题 3.1 能耗较高，部分技术不但不减排，反而增加了 CO2 排放 3.1.1 CO2 减排量计算方法
CCUS 实施过程中，除了直接减排，项目消耗 的电、蒸汽（热）等产生 CO2 间接排放，为全面反 映项目 CO2 净减排情况，需要对能源间接排放进行
表 6 磷石膏矿化 CO2 联产硫基复合肥主要能耗