《碳中和概論》課件 第2章 碳捕集利用與封存

《碳中和概論》第2章

碳捕集利用與封存（CCUS）2.1.1概念及技術(shù)環(huán)節(jié)(1)CO2捕集（CCUS的首要環(huán)節(jié)）燃燒前捕集在燃燒前將燃料轉(zhuǎn)化為氫氣和CO2的氣體混合物，其中氫氣被分離出來，在不產(chǎn)生CO2情況下燃燒，CO2被壓縮用于運輸和存儲。燃燒后捕集將工業(yè)工程釋放的CO2從燃燒后產(chǎn)生的氮氣、氧氣和水蒸氣等不可燃氣體中分離出來，利用液體溶劑或其他分離技術(shù)捕集CO2。富氧燃燒使用氧氣來燃燒燃料，燃燒產(chǎn)生的主要是水蒸氣和CO2，易于分離出高純度的CO2，減少CO2和惰性氣體的分離難度和能耗。管道運輸適用于大規(guī)模、長距離的碳捕集項目。全世界已有數(shù)百萬公里的管道運輸各類氣體。鐵路公路運輸使用鐵路、公路的罐車運輸液態(tài)或壓縮態(tài)的CO2，靈活性高，適合中小規(guī)模的運輸需求。船舶運輸將CO2在高壓低溫下液化后，通過專門的液化CO2運輸船運輸?shù)椒獯娴攸c。2.1.1概念及技術(shù)環(huán)節(jié)(2)CO2捕集運輸（CCUS的重要環(huán)節(jié)）礦化利用將CO2注入地下，實現(xiàn)強化能源生產(chǎn)、促進資源開發(fā)的過程。生物利用植物通過光合作用吸收利用CO2。化學(xué)利用將CO2作為原料，與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)出有價值的化工產(chǎn)品。2.1.1概念及技術(shù)環(huán)節(jié)(3)CO2利用咸水層封存從陸地或海底將CO2注入深部咸水層，將CO2溶解于咸水層或者與咸水層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)封存CO2。深部不可采煤層封存將CO2注入深部不可開采煤層可以置換出煤層氣，利用煤的吸附特性實現(xiàn)CO2的封存。廢棄油氣藏封存將CO2注入到具有封存條件的枯竭油氣田提高資源采收率，通過多次回收循環(huán)注入隨原油采出的CO2，實現(xiàn)CO2封存。2.1.1概念及技術(shù)環(huán)節(jié)(4)CO2利用2.1.2國內(nèi)外CCUS發(fā)展概況(1)國際CCUS發(fā)展概況發(fā)展CCUS是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要手段，保障能源與生態(tài)安全。CCUS戰(zhàn)略意義《巴黎協(xié)定》目標是將全球溫升控制在2℃以內(nèi)，CCUS技術(shù)可顯著減少電力與工業(yè)CO?排放。CCUS技術(shù)減排作用(2)全球CCUS項目現(xiàn)狀截至2020年底，全球共有28個大規(guī)模CCUS項目運行，主要分布于美國、加拿大、中國等國家，以工業(yè)分離類為主。①全球CCUS項目概況全球CCUS項目主要采用地質(zhì)封存方式，其中CO?-EOR技術(shù)成為主流封存利用路徑。②CCUS項目的主要方式(2)我國CCUS發(fā)展概況CCUS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀中國CCUS技術(shù)起步較晚，但具有巨大的封存潛力。CCUS項目情況截至2022年底，我國投運和規(guī)劃建設(shè)的CCUS項目近百個。CCUS項目技術(shù)環(huán)節(jié)CCUS示范項目技術(shù)包括捕集類、地質(zhì)利用與封存類和化工與生物利用類。2.1.3CCUS對碳中和的貢獻為減緩全球變暖，中國承諾2030年前碳排放達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和?！半p碳”目標到2060年，CCUS技術(shù)將貢獻我國累計碳減排總量的8%，全球碳捕集總量的50%。國際能源署預(yù)測我國能源轉(zhuǎn)型壓力較重且化石能源主體地位短時間內(nèi)不會改變，CCUS是實現(xiàn)化石能源大規(guī)模直接減排的關(guān)鍵技術(shù)。CCUS的貢獻2.2CO2捕集技術(shù)與方法采用液體處理氣體混合物，在氣-液相接觸過程中，氣體混合物中的一種或數(shù)種溶解度大的組分進入液相中，混合氣體分離液化的過程。液體吸收直接從大氣從捕集CO2，并將其利用或封存的過程?？諝獠都捎酶逤O2吸附量、吸附速度快、選擇性和穩(wěn)定性良好的吸附劑通過變溫、變壓、變濕、真空、蒸汽吹掃等手段碳捕集的吸附過程。固體吸附2.2.1液體吸收僅通過CO2在吸收劑中的物理溶解實現(xiàn)CO2吸收的方法。優(yōu)點：物理吸收劑沒有腐蝕性，設(shè)備成本低；吸收過程能耗集中在溶劑循環(huán)泵和循環(huán)氣體壓縮機，運營成本低。CO2分壓通常大于350kPa，且氣流初始溫度不高時，考慮選擇物理吸收法(1)物理吸收法堿性吸收劑有選擇性地與混合煙氣中CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不穩(wěn)定鹽類，如碳酸鹽、碳酸氫鹽、氨基甲酸鹽等。一般分為有機胺法、熱鉀堿法、氨法、離子液體法、相變吸收劑法和酶促法。其中有機胺法捕集CO2是最為常見的工藝。(2)化學(xué)吸收法2.2.2固體吸附低溫CO2吸附劑需具備的條件包括：優(yōu)先選擇吸附CO2；有較高的CO2吸附容量；使用壽命較長，有較高商業(yè)價值。（1）低溫吸附法（<200℃）中高溫吸附材料主要有水滑石類化合物，鋰基陶瓷材料、氧化鈣及堿金屬類化合物。（2）中高溫吸附劑（≥200℃）2.2.3空氣捕集(1)定義直接空氣捕集CO2是直接從大氣從捕集CO2，并將其利用或封存的過程。(2)分類主要分為高溫溶液吸收和低溫吸附兩種形式。高溫溶液吸收利用一定濃度的高堿性溶液，如Ca(OH)2、NaOH或KOH溶液，吸收CO2并生成未定的碳酸鹽，并且使用高溫?zé)嵩催M行再生。低溫吸附法在常溫常壓條件下吸附空氣中的CO2，并在較低的溫度（80~100℃）下進行吸附劑的再生。2.3CO2利用技術(shù)與方法CO2利用技術(shù)是指利用高于大氣濃度的CO2生產(chǎn)具有經(jīng)濟價值產(chǎn)品的工業(yè)過程。（1）分為礦化利用、地質(zhì)利用、化學(xué)利用和生物利用。（2）最早CO2大規(guī)模工業(yè)化利用技術(shù)是CO2-EOR，美國得克薩斯州20世紀70年代進行了首次現(xiàn)場試驗，目前已發(fā)展為應(yīng)用規(guī)模最大的CO2利用技術(shù)。（3）CO2可直接用于碳酸飲料、工業(yè)保護氣、植物氣肥、紙漿和廢水處理、超臨界萃取、消防安全、提高石油采油率等多項工業(yè)領(lǐng)域。04定義分類應(yīng)用最廣的CO2利用技術(shù)CO2資源化利用2.3CO2利用技術(shù)與方法CO2礦化是指利用富含鈣、鎂的天然礦物或堿性固體廢棄物與CO2進行礦化反應(yīng)，將CO2以碳酸鹽的形式進行固定的一種技術(shù)。礦化利用CO2化學(xué)利用是將CO2作為碳源，通過加氫等反應(yīng)還原生成合成氣，甲醇、甲酸、低碳烷烴等燃料或化學(xué)品。化學(xué)利用CO2生物利用技術(shù)指以CO2為原料、以生物轉(zhuǎn)化為主要手段生產(chǎn)目標產(chǎn)物的過程。生物利用分為強化采油、強化采氣、強化煤層氣開采、強化地?zé)衢_采、地浸采油、強化采水等。地質(zhì)利用2.4CO2封存技術(shù)與方法

2.4.1地質(zhì)封存技術(shù)：將CO2注入特定地質(zhì)體中實現(xiàn)永久封存。CO2注入地層后，受儲層非均質(zhì)性和浮力作用，聚集在地質(zhì)體（背斜、阻斷隔層、地層尖滅等）頂部的封蓋層下方，形成地質(zhì)構(gòu)造捕獲。CO2注入地層后驅(qū)替原位流體（如地層水或烴類物質(zhì)），在浮力和壓力梯度的作用下運移，CO2氣泡受毛管力作用被封隔在孔隙空間內(nèi)無法移動，形成殘余氣捕獲，實現(xiàn)長期封存。溶解捕獲：CO2在巖石孔隙中運移與地層水或原油接觸后溶解，通過分子擴散的方式溶解于地層流體中該過程非常緩慢。礦化捕獲：CO2與地層水中的離子發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽礦物，是最穩(wěn)定的儲存形式，但是耗時通常需要幾千至數(shù)萬年。地質(zhì)和構(gòu)造捕獲殘余氣捕獲溶解捕獲和礦化捕獲封存地質(zhì)體(1)深部咸水層一般為深度800m以下的具有較高孔隙度和滲透率的地下咸水層中。我國深部咸水層的地質(zhì)封存潛力巨大，占總封存潛力的90%以上。(2)油氣藏具有良好的圈閉條件、勘探程度高、埋藏較深，具有完備的井場設(shè)備、運輸官網(wǎng)和其他配套設(shè)施，CO2注入后可處于超臨界狀態(tài)。(3)煤層發(fā)育有許多微孔，這些微孔能夠充分、牢固地吸收CO2分子，實現(xiàn)CO2地質(zhì)封存。煤層的低滲透性和厚度較薄限制了其封存能力。其