中国石化多专业联手锻造CCUS利器(图)

  [中国石化新闻网2021-08-02]

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  CCUS能够实现原油增产和二氧化碳减排双赢，可为我国实现“双碳”目标提供有力支撑。中国石化因此成立碳捕集、利用与封存（CCUS）重点实验室，胜利油田牵头，并与石油勘探开发研究院负责驱油和封存部分，南京化学工业公司负责碳捕集部分，石油工程建设公司负责捕集工程部分，大连石油化工研究院负责碳足迹与碳中和部分。专家认为，二氧化碳是一种良好的驱油剂，中国石化适合二氧化碳驱的储量约有25亿吨，要统筹协调、联合攻关低能耗、低成本、长期安全的CCUS技术，扩大应用规模，推进CCUS产业化，变单一驱油为驱油与封存协同。在CCUS技术链中，低能耗低成本捕集技术是基础，低成本的CCUS地面全流程技术不可或缺，碳足迹技术有助于推动全产业链实现碳中和，而咸水层封存二氧化碳是实现碳中和的一项托底技术。
  7月20日，中国石化重点实验室——“碳捕集、利用与封存（CCUS）重点实验室”在胜利油田揭牌。
  该重点实验室涵盖中国石化CCUS技术链相关单位，胜利油田和石油勘探开发研究院负责驱油和封存部分，南京化学工业公司负责碳捕集部分，石油工程建设公司负责捕集工程部分，大连石油化工研究院负责碳足迹与碳中和部分，胜利油田为牵头依托单位。
  重点实验室下设碳捕集技术实验室、二氧化碳驱油实验室、地质封存实验室、碳捕集工程实验室、碳足迹实验室等5个专业实验室，致力于碳捕集、利用与封存的基础理论和应用技术研究，承担国家和集团公司CCUS领域重大科研及生产项目。
  “CCUS能够实现原油增产和二氧化碳减排双赢，为我国实现‘双碳’目标提供支撑。”重点实验室主任、胜利油田开发地质首席专家、勘探开发研究院院长杨勇说。
  为CCUS技术创新和应用提供支撑
  据介绍，现在二氧化碳捕集有两种类型，一种是煤制气产生的高浓度二氧化碳，主要通过物理方法捕集；另一种是燃煤电厂产生的浓度在8%~12%的二氧化碳，主要采用化学方法捕集。
  捕集的二氧化碳可用于封存和驱油。驱油主要有混相驱、近混相驱和非混相驱三种形式。地质封存主要包括置换油气、溶解、矿化封存，实现二氧化碳减排。
  杨勇说，从全球CCUS项目看，国外技术比较成熟。美国有142个二氧化碳驱油项目，每年注入二氧化碳6000万吨。目前世界最大的CCUS项目在加拿大的韦本油田，近两年每年注入二氧化碳160万吨。
  国内矿场试验起步较晚，年注气规模一般小于50万吨，处于先导试验及扩大试验阶段。国内大石油公司均加大了二氧化碳驱油矿场试验力度。吉林油田的CCUS示范工程，从高含二氧化碳天然气田中分离出二氧化碳，用于相邻区块驱油，年注入能力达到35万吨。
  7月5日，中国石化启动齐鲁石化—胜利油田百万吨级CCUS项目，将齐鲁石化煤制气装置工业尾气浓度超90%的二氧化碳提纯到99%后，运输到胜利油田进行驱油和埋存。
  杨勇认为，虽然目前CCUS技术取得了一定进展，但也面临一些需要迫切解决的关键技术问题，包括碳捕集能耗高、成本高的问题，利用和封存匹配的问题，提高采收率和提高封存率匹配的问题，注采输工艺、防腐工艺与封存安全性的问题，环境检测和核查问题等。
  杨勇说，中国石化通过技术攻关，已初步形成了二氧化碳捕集、驱油和封存的技术，下一步将充分利用重点实验室平台，加强基础理论研究和技术攻关，建好CCUS示范区。
  二氧化碳是一种良好的驱油剂
  “当温度高于31.1摄氏度、压力大于7.39兆帕时，二氧化碳就成为一种超临界液体，黏度低，扩散、溶解、流动、萃取能力非常强，成为一种良好的驱油剂。”石油勘探开发研究院采收率所所长伦增珉说。
  中国石化油藏类型复杂，必须摸清每个油藏的脾气秉性才能对症下药，提高原油采收率。
  近年来，中国石化针对低渗透、特低渗透、致密、特高含水、中高渗油藏开展了大量CCUS相关基础研究和先导试验，形成了CCUS全流程工程技术体系，发展并建立了非完全混相驱替的理论，形成了机理研究、物理模拟和防窜封窜等系列特色试验技术，对二氧化碳驱油机理的认识逐渐加深。
  科研人员集成机理研究成果，形成了系统的二氧化碳驱油藏工程方法，开展了二氧化碳驱油与埋存一体化优化设计的研究，构建起我国二氧化碳排放源大型数据库，研发了二氧化碳驱油藏工程研究平台、二氧化碳驱油与埋存数值模拟软件、二氧化碳源汇匹配优化软件等，为不同类型油藏气驱提高采收率提供了技术方法。
  通过评价，中国石化适合二氧化碳驱的储量约有25亿吨。目前，中国石化已在30多个区块开展二氧化碳驱试验，覆盖地质储量4000多万吨。
  伦增珉说，中国石化要发挥一体化优势，攻关低能耗、低成本、长期安全的CCUS技术，扩大应用规模，推进CCUS产业化，变单一驱油为驱油与封存协同。
  低能耗低成本捕集技术是CCUS技术的基础
  “不管是二氧化碳低分压还是高分压技术，目前最重要的工作就是降能耗降成本。”南化公司研究院总经理李海涛说。
  围绕低分压烟道气、中高压天然气、炼厂干气、煤制油循环气、EO/EG（环氧乙烷/乙二醇）循环气等，南化院形成了多项核心技术。他们研发的具有自主知识产权的二氧化碳捕集系列溶剂和配套工艺技术，已在多家企业成功应用。
  李海涛介绍，南化院自20世纪80年代开始研发低分压烟气二氧化碳捕集技术，现已达到国际领先水平；在中高压脱碳方面，自2003年以来已有100多套装置使用NCMA法脱碳技术；国内首创的催化热钾碱法脱碳技术，目前已用于20多个煤制油循环气脱碳项目。
  目前，国家能源集团、国家电网等企业都在开展新技术研究，南化院也布局了一系列新技术研发。
  溶剂法是其中之一。溶剂法是利用二氧化碳和碱性溶剂间的化学反应将二氧化碳从混合气中分离出来，然后通过加热再生分离出二氧化碳气体。南化院研究的催化再生技术，通过模拟计算和试验开发，能够把二氧化碳解析出的温度由105摄氏度降至85摄氏度，使碳捕集能耗降低50%。
  除了溶剂法，南化院还研究膜法碳捕集技术。它具有占地小、能耗低、无污染的优点。
  在利用技术方面，除了封存和驱油，南化院还开发了二氧化碳加氢还原、矿化利用、生物利用、电催化还原、碳还原等技术体系。“二氧化碳加氢还原技术可制造出甲醇。”李海涛认为，这是未来二氧化碳利用的一个很重要方面。
  目前，南化院与浙江大学合作建设了实验室，进行大规模的工艺研发，研究把二氧化碳还原成一氧化碳的可行性。李海涛说，一氧化碳在化工行业有着广泛的用途，能够实现变废为宝。下一步，南化院将继续研究新技术、降低成本，继续保持行业领先态势。
  低成本的CCUS地面全流程技术不可或缺
  在二氧化碳高效利用和封存条件下，实现二氧化碳捕集、输送及利用和封存全流程成本最低，是CCUS技术能够规模化应用的关键。其中，低成本的CCUS地面全流程系列技术不可或缺。
  石油工程建设公司首席专家张建介绍，二氧化碳驱油是目前实现大规模二氧化碳利用和封存的主要途径之一，其地面全流程系列技术主要包括碳捕集、输送、注入、集输处理、腐蚀控制技术等。
  其中，捕集是将二氧化碳从燃煤燃气电厂或工业生产排放的气体中分离、净化、提纯；输送技术是实现二氧化碳源汇匹配的途径，大规模的二氧化碳运输主要采用管道输送方式；利用的目的在于实现二氧化碳的资源化，实现固碳的同时也是产业效益的最终体现，驱油封存技术是利用二氧化碳驱油的同时将二氧化碳安全封存在地质储层中。
  地面注入工程需要根据油藏开发方案进行二氧化碳注入或二氧化碳与水交替注入。集输系统对二氧化碳驱采出液中携带的少量二氧化碳进行分离净化后再次回注地下，进一步提高二氧化碳的封存率，同时需采用耐二氧化碳、耐腐蚀的井口和管柱工艺技术，做好整个二氧化碳驱生产系统的腐蚀控制和防护。
  “针对低分压电厂烟气二氧化碳，我们编制了《烟气二氧化碳捕集纯化工程设计标准》，这是我国首个关于二氧化碳工程设计的国家标准，填补了碳捕集领域规范的空白，使碳捕集装置的设计有据可依。”张建说，他们还在集团相关部门的支持下完成了石化行业标准《二氧化碳输送管道工程技术规范》，并组建了CCUS地面全流程系列工程技术创新团队。
  张建表示，下一步他们将围绕低能耗低成本脱碳技术、超临界二氧化碳管道输送技术、二氧化碳注入及二氧化碳驱采出液集输处理地面工程技术等开展科研攻关，一方面使广泛使用的醇胺法大规模低浓度捕集技术在目前能耗基础上降低30%，在超临界二氧化碳安全输送基础理论上实现突破，为大规模的二氧化碳管网建设和运营提供支撑技术，另一方面将依托CCUS重点实验室研究新一代面向多目标和对象的绿色低能耗碳捕集技术，建设多模式的碳捕集测试和二氧化碳管道试验平台，并在采出气回收、采出液腐蚀防控等方面开展更多研究。
  碳足迹技术有助于推动全产业链实现碳中和
  碳足迹，是指由个体、组织、事件或产品直接或间接产生的温室气体总排放量，用以衡量人类活动对环境的影响，标示出个人或团体的“碳耗用量”。
  要实现全产业链碳中和，首先要分析清楚各链条具体排放了多少碳，搞清楚影响碳排放的因素等，这些都需要开展碳足迹技术研究工作。
  大连石油化工研究院第八研究室主任刘全杰介绍，做好碳足迹工作首先要做好碳排放核算，通过对企业碳足迹的核算，了解有关主体在生产过程中或交易过程中温室气体的排放情况，汇总得到一定区域内的碳排放总量。碳足迹技术主要有三种方法：一是基于产品的核算，主要是基于产品生命周期计算碳足迹；二是基于企业或组织的核算，通过排放因子法来计算碳排放量；三是基于项目的核算，重点确定基准线排放。
  刘全杰认为，实施石化产品碳足迹技术有助于企业筛选低碳产品和生产工艺，识别温室气体排放热点，评估产品替代、营运及资源的选择，实现各流程的减排，有助于推动整个产业链实现碳中和。
  在碳中和方法学方面，要突破温室气体浓度监测、排放反演及减排评估等方面的关键技术方法，形成“中国数据、中国方法”，实现温室气体排放检测及减排效果评估准、快、全；要构建多目标约束下不同决策偏好的精准化寻优路径模型，实现不同情景下精准预测、评估和优选脱碳路径。
  在储存运输过程中，要重点解决管道堵塞和腐蚀问题：一是二氧化碳遇水极易形成水合物堵塞管道，要研究形成水合物防治技术；二是二氧化碳为酸性气体，研发管道腐蚀防护技术十分必要。
  刘全杰说：“二氧化碳自身的能量非常低，破坏它的碳氧键需要很多能量。目前对二氧化碳转化的研究很多，其中二氧化碳加氢生成甲醇已有示范装置，在绿氢和绿电前提下，这是一种有效的二氧化碳净零排放途径。”
  大连院从“十五”末就开展碳核算等工作，牵头编制“十二五”“十三五”“十四五”集团公司低碳发展规划和节能规划。下一步，该院在碳足迹方面将加速推广开发的自愿减排申报技术、企业碳中和核算技术、碳资产管理技术等，并开展碳中和技术路线图、企业碳中和标准等课题的研究；在管输方面，将建立二氧化碳管输腐蚀监检测技术，制定管道运行规范，开展二氧化碳捕集-管输一体化工艺和仿真技术研究；在利用方面，将深化和拓宽二氧化碳化学利用领域的研究，建设电催化转化技术研发平台和示范装置；在低碳节能方面，将重点突破工艺装置本质节能技术，突破现有工艺装置能源利用效率天花板，借助能效评价、大数据和云平台服务，实现全局能量系统高效稳定运行和能效智能分析诊断。
  咸水层封存二氧化碳是实现碳中和的一项托底技术
  “二氧化碳封存与利用技术是实现碳中和的托底技术，目前虽还有不少工程技术问题，但科技部已制定了二氧化碳输送和封存的发展路径，谁抢先攻克了这项技术，谁就能抢占技术的制高点。”石油工程技术研究院科技管理部经理马广军说。
  二氧化碳封存与利用途径目前主要有两种，一种是利用二氧化碳驱提高采收率，另一种是咸水层二氧化碳高效地质封存。根据中国地质调查局统计，我国二氧化碳总封存潜力可达万亿吨规模，其中咸水层封存量占98%以上，前景广阔。
  目前，西方国家共有65个商业咸水层封存项目，每年可捕集和永久封存约4000万吨二氧化碳。国内方面，2011年在鄂尔多斯完成第一个咸水层二氧化碳地质封存项目，深度2510米，到2015年累计注入30万吨，未发生泄漏和环境危害；2018年在新疆准东地区实施了二氧化碳驱水和封存一体化先导试验，注入量1000多吨，初步验证了地质封存技术的安全可行性。
  近年来，石油工程技术研究院抓住机遇，积极进行产业布局，跟踪业内技术动态，先后与中国地质调查局水文中心、中国石化南京化工研究院等单位建立了合作关系，与河北省政府协作与当地大型钢铁企业等签署了合作意向，初步形成了完整的产业链和技术链，为下一步实施系列示范工程奠定了良好基础。
  马广军说，目前他们已经开展了二氧化碳高效封存机理研究、低成本咸水层二氧化碳封存技术及工程技术应用研究等前期工作，并完成了咸水层二氧化碳封存项目设计，计划尽快启动地质评价、工程技术、经济评价全流程研究，争取取得技术优势。
  “建议在有大量咸水层的油田开展二氧化碳提高采收率与咸水层封存一体化研究工作，同时发挥我们的井筒技术优势，拓展CCUS技术在非油领域的应用，扩大影响力，补全技术链条。”马广军说。