碳捕捉利用与封存技术发展浅析

2024-03-18郭宇袁东野陈秋华王立坤路通闫富胜

中国设备工程 2024年5期

郭宇，袁东野，陈秋华，王立坤，路通，闫富胜

（中海石油技术检测有限公司，天津 300452）

工业生产CO2在全球温室气体排放中占比高达65%，作为造成温室效应的主要原因。全球每年碳排放量高达350 亿t，在全球变暖的严峻形势下，如何降低CO2排放量成为国际重点。自2020 年9 月习近平总书记于联合国会议中提出“双碳”目标——2030 年实现碳达峰、2060年实现碳中和，体现大国担当。我国力争在“十四五”期间实现降低CO2近20%排放量。但根据我国能源储量分布（煤>油>气），工业化发展严重依赖高碳能源，对双碳目标快速实现具有较大阻碍。CCUS 作为全球脱碳领域中重点关注技术，成为减少CO2排放的首要选择。故本文通过对CCUS 捕捉、利用、分离以及油气行业主要利用等多种角度对CCUS 未来发展方向展开探索。

1 CCUS 主要技术

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）在原有碳捕捉碳封存（Carbon Capture and Storage）CCS 基础上增加利用环节的发展的新趋势。CCUS 技术指从排放源将CO2捕获并分离出，进而进行利用或封存到相应场地实现与外部环境间的长期间隔，实现经济效益与环境效益共同兼顾。技术流程可分为CO2捕获、运输、储存与利用等重要节点，如图1 所示。

图1 CCUS 流程图

1.1 CO2 的捕捉

CO2的捕捉作为CCUS 技术发展的重点与前提，按照捕捉难度的不同可以分为燃烧后捕捉、燃烧前捕捉及燃烧中捕捉（富氧捕捉），技术路线如图2 所示。

图2 碳捕捉路线图

燃烧后捕捉将生物质燃料燃烧后气体与煤气等烟气净化后，在净化通道CO2捕获装置，该方法捕获成功率高、使用范围广，现已在炼厂、电厂得到广泛使用，但由于单位体积中烟气流速过快，CO2在未被捕捉前易被空气中N2所稀释，增加捕获难度。

燃烧前捕捉相对成本、效率而言是最具经济价值的捕捉方法。该法通过将化石燃料气化为H2与CO 相掺的混合气，再经过化学反应使转换为CO2，利用吸附法将H2与CO2分离，是经典的水煤气转化流程具有极高的经济价值，但该技术仅限于水煤气循环发电系统且设备占地空间较大、前期投入成本较高等问题导致以此技术为基础项目投产较少，尚需更多项目进一步验证。

燃烧中捕捉（富氧燃烧）指化石燃料在高纯度、高体积分数氧气中进行燃烧，燃烧后主要产物为CO2、H2O 及其他惰性产物。水蒸气冷凝后通过低温闪萃提取得到纯度高达90%～95%的CO2，避免之后对CO2的分离操作，分离消耗成本得到大幅度降低。富氧燃烧无须通过脱硫分离装置捕获率得到大幅度提升，但前期助氧燃烧技术成本较高，设备成本投资巨大成为限制该技术的主要影响因素。

1.2 CO2 分离

CO2分离即为气体的分离，其中燃烧前主要为CO2与H2混合气分离出CO2，燃烧后主要为CO2与N2稀释中分离CO2。按照分离原理的的不同可以分为物理法与化学法。

（1）物理法。根据分离技术的不同，物理法可进一步划分为溶剂吸收法、吸附法、膜分离法以及低温精馏法，其中吸收法自主性强、吸收效率高、操作便捷但吸收或再生能耗前期投入较高,致使运行成本偏高；吸附法工艺流程简单、能耗低、成本可控但吸附剂上限较为明显、自主性低；膜分离法工艺简单、能耗低且前期投入较少但相对CO2纯度较低且隔离膜消耗较快；低温蒸馏法简单易行,避免了外加吸附剂的使用但同时导致CO2回收率低、回收消耗居高不下。截至目前，虽然各种方法优缺点明显，但吸收法与吸附法在我国CCUS 项目中国已经得到较多利用，具有较高的经济发展空间。

（2）化学法。根据分离技术的不同，化学法可进一步划分为溶剂吸收法、吸附法、膜吸收法、电化学法以及水合物法。其中吸收法工业化成熟、自主性好、吸收效率高但吸收剂消耗较高、损失明显且前期设备投资较大；吸附法工艺简单易懂、具有明显针对性、去除CO2效率较高但吸附能力受吸-解吸次数、温度等因素影响较大；膜吸收法吸收膜表面与CO2接触面积较大、自主吸附能力较高但构成膜材料自身持久性较差；电化学法技术较为普遍且费用较低但高温环境下耐蚀电极材料选材需要极为谨慎；水合物法成本低，工艺简单且原理上没有第三产物生成，但其常温下对装置便具有极强腐蚀性，装置材料成为该法的主要限制因素。截至目前，虽然各种方法优缺点明显，但吸收法技术成熟，是应用最为广泛的CO2捕集技术，已成功应用于化肥、水泥以及发电等行业。

2 CO2 利用与封存——在油气行业的主要利用

CO2在利用与封存方向涉及化工、生物、矿业等多领域，并且成功与该领域先进技术相结合，使得技术实现多领域发展。就油气行业而言，CO2驱油技术被广泛认为是未来油气勘探与开发的核心之一。

CO2驱油技术作为CCUS 在油气行业利用过程中精度与专业性要求较强的分支技术。该技术充分利用CO2较易达到临界点且自身在超过临界点时（井下700m）自身性质发生改变，转化为近似液体密度与气体黏度的特性；同时CO2在原油中拥有较大的扩散系数，能够有效降低原油密度同时减弱有水间作用力，进一步释放岩层内原油与天然气，当液态CO2充分转换为气态时，自身体积急速膨胀同时释放出大量能量从而驱动岩层中原油与天然气朝既定方向前进。该技术不但使得地层能量得到补充而且在大幅度提高原油开采率的同时对大量CO2进行封存。

就发展而言，CO2驱油技术作为CCUS 中最具备经济性的发展方向，具备利用与封存双重功效潜能巨大。在“双碳”目标的鞭策下，我国已经取得较多成果，但发展所暴露的问题接踵而至。（1）CO2储存不足，我国CO2收集规模较小，无法实现基于当地自然环境的而就地取材，人工捕获成本较高；（2）CO2易溶于原油更易溶于水，对于浓度较低的油气开采效率较高，但在成分不均的原油在开采过程中易发生气窜现象且当水分较多时管道内部发生堵塞的可能性显著上升。（3）CO2驱除油气后，大部分封存于岩层中，小部分循环使用，少部分溶于原油中，经分散后循环驱油，但对于封存到岩层中的CO2有效封存时间、状态仍需大量实验证明。

3 CO2 利用与封存——设备监检测方式

当前全球大规模的二氧化碳运输尚处于实验开发阶段，主要运输方式分为船舶、公路槽车和铁路槽车与管道。各种运输方式优缺点如表1 所示。

表1 CCUS 运输方式比较

从现运行CCUS 项目来看，二氧化碳针对封存设备（液体CO2储罐；BOG 增压再液化设备；液体CO2增压；CO2汽化器；热媒系统）及管道的腐蚀是限制该项目发展的痛点之一，二氧化碳（CO2）腐蚀大多为对表面钝化膜的破坏。二氧化碳（CO2）与硫化氢（H2S）按一定比例混合时腐蚀速率大幅度增加，金属氢致开裂和硫化物应力开裂倾向性明显上升。在腐蚀过程中，影响腐蚀的主要因素有二氧化碳（CO2）分压、温度、腐蚀产物膜的结构和形态、流速等。

在油气管道，常压储罐等常用封存设备中均含有较高浓度的二氧化碳，二氧化碳遇水溶解生成碳酸氢根离子，碳酸根离子与金属表面乘胜电化学反应，腐蚀产物逐渐累加，直至钝化膜破裂，腐蚀过程中点蚀坑内PH值逐渐降低，都在封存设备的运维过程中PH 值在线监测手段与介质分析，管道测厚等多手段结合，对腐蚀控制与防护技术效能实现有效提升。