互联网+创新创业计划书“双碳”目标下油气开发中CO2 的综合利用研究项目书

第九届中国国际“互联网+”创意创新创业大赛项目名项目名称：“双碳”目标下油气开发中CO2

的综合利用研究目录TOC\o"1-3"\h\u一、项目概述 11.1研究内容 11.2研究目的 1二、系统方案设计 22.1设计内容 2国内外发展前景 3技术线路18453 3碳利用市场和潜在的CO2需求85 4操作流程 5原理图 5介绍及工作原理 6技术14096的选择 6二氧化碳捕集利用与封存（以下简称CCUS） 7三ccus技术的使用 73.1点源ccus技术 8co2运输的方法选择 8co2的利用 9co2的封存 9强化采油技术 9进度安排 10原理图 13四、市场调查分析 13市场发展及现状 13产业化前景 13五、已有基础及政策建议 13

项目概述研究目的当前，我国二氧化碳年排放量居全球首位。2020年，我国碳排放量达到99.617亿吨，世界占比31.15%，与2019年相比，增长0.6％。石油与天然气行业也是我国重要的碳排放源，2020年中国油气行业生产加工过程中直接排放的二氧化碳（Scope1，指企业控制或拥有的排放源所产生的二氧化碳排放，属于企业的直接排放），以及外购电、购热所产生的间接二氧化碳排放量（Scope2，指企业净购入的电力、热力等隐含的二氧化碳排放，属于企业的间接排放）达到约6亿t，约占全国碳排放总量的6%。这些预算统计来自全球碳项目的2022年全球碳预算报告。我国油气生产环节存在较高的碳排放，“2030年碳达峰，2060年碳中和”，是我国首次向世界提出的碳减排目标。这彰显了我们国家的大国担当，对我国参与全球气候治理、引领未来的可持续发展产生了重要影响。但是基于我们国家“富煤、贫油、少气”的能源结构，这也是一场硬仗。煤化工行业是我国的基础行业之一，其产业规模大，能源消耗多，二氧化碳（CO2）排放量大。一方面，长期以来CO2均是作为废物排放。其实，它同样是一种重要的资源和产品。它可以广泛应用于啤酒、碳酸饮料、惰性气体保护焊接工艺。利用其液体、固体的冷量可以对食品、蔬菜、水果进行冷藏、储运、自然降氧、气调保鲜；另外还可用于石油开采的驱油剂、烟草膨化剂、超临界萃取，以及气体肥料等。综上所述，如何在双碳目标下，减少二氧化碳排放，同时变废为宝，成为煤化工企业有待解决的问题。研究内容我们此次优先考虑采用二氧化碳捕集利用与封存（以下简称CCUS）技术是指将二氧化碳从工业生产或大气中分离出来，直接利用或经过加工再利用或注入地层以实现二氧化碳减排并将排放的二氧化碳达到综合利用目标的过程。并利用现有技术将CCUS所存在的易泄漏，高污染问题进行有效解决。CCUS是在二氧化碳捕集与封存（CCS）的基础上增加了“利用”，这一理念是随着技术的发展和认识的不断深化，在中美两国的大力倡导下形成的，目前已经获得了国际上的普遍认同。项目技术方案：CCUS按流程分为捕集、输送、利用与封存等环节，如图所示。二氧化碳捕集：是指将二氧化碳从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程，主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链捕集。二氧化碳输送：是指将捕集的二氧化碳运送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同，分为公路运输、铁路运输、船舶运输和管道运输。二氧化碳利用：是指通过技术手段将捕集到的二氧化碳实现资源化利用的过程。根据技术手段不同，可分为地质利用、化工利用和生物利用等。其中，二氧化碳地质利用是将二氧化碳注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气采收率，开采地热、深部咸（卤）水等多种类型资源；二氧化碳的化工利用是将利用二氧化碳合成制作无机化工产品如尿素、晶体碳酸钙等，合成有机化工产品如甲醇、乙醇、碳酸脂等；二氧化碳的生物利用主要是富碳农业应用和食品应用，另外，二氧化碳制成干冰在冷链运输方面也有广泛的应用。二氧化碳封存：是指通过工程技术手段将捕集的二氧化碳注入地质深处进行封存，实现二氧化碳与大气长期隔绝的目的。按照封存位置不同，可分为陆地封存和海洋封存；按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。国、内外研究现状和发展动态从国外较为成功的CCUS项目来看，政府的参与可起到一定的积极作用。CCUS项目全产业链涉及多个企业部门，资金需求量大。政府若直接投资、或实施碳税、新能源补贴等政策，企业的资金压力可有所减轻。以挪威的Mongstad项目为例，政府参与了其融资，并提供了发电全额收购的激励政策。此外，政府与企业良好的合作关系也对项目有所助益。以加拿大的BoundaryDam项目为例，其成功主要就因为当地能源公司与政府紧密合作，因此公众对项目的支持度比较高。国内CCUS示范项目整体规模较小，成本较高。CCUS的成本主要包括经济成本和环境成本。经济成本包括固定成本和运行成本，环境成本包括环境风险与能耗排放。经济成本首要构成是运行成本，是CCUS技术在实际操作的全流程中，各个环节所需要的成本投入。运行成本主要涉及捕集、运输、封存、利用这四个主要环节。预计至2030年，CO2捕集成本为90-390元/吨，2060年为20-130元/吨；CO2管道运输是未来大规模示范项目的主要输送方式，预计2030和2060年管道运输成本分别为0.7和0.4元/(吨·km)。2030年CO2封存成本为40-50元/吨，2060年封存成本为20-25元/吨。自2006年起，我国陆续发布了20多项涉及CCUS的国家政策，确定了CCUS在应对气候变化领域的重要地位，并积极推动CCUS技术的推广和示范项目的建设，但尚未建立CCUS的专项法律法规和标准体系。法律法规的不完善对企业意味着多重风险，直接阻碍了企业参与CCUS项目的积极性，如CCUS大规模实施所涉及的利益者众多，需要建立一个能表达和协调相关利益者诉求的法律和政策框架体系以及该体系下的有效运行机制；缺少有效的政策激励，没有具体的财税支持，是目前企业开展CCUS研究和示范项目的主要障碍；示范项目的选址、建设、运营和地质利用与封存场地关闭及关闭后的环境风险评估、监控等方面同样缺乏相关的法律法规和标准。因此尽快出台明确的政府政策与建立专项法律法规和标准对于CCUS项目的大规模实施非常重要。根据国内外的研究结果，碳中和目标下中国CCUS减排需求为：2030年0.2-4.08亿吨，2050年6-14.5亿吨，2060年10-18.2亿吨。各机构情景设置中主要考虑了中国实现1.5℃目标、2℃目标、可持续发展目标、碳达峰碳中和目标，各行业CO2排放路径，CCUS技术发展，以及CCUS可以使用或可能使用的情景。火电行业是当前中国CCUS示范的重点，预计到2025年，煤电CCUS减排量将达到600万吨/年，2040年达到峰值，为2~5亿吨/年，随后保持不变。钢铁行业CCUS2030年减排需求为0.02~0.05亿吨/年，2060年减排需求为0.9~1.1亿吨/年。水泥行业CCUS2030年CO2减排需求为0.1~1.52亿吨/年，2060年减排需求为1.9~2.1亿吨/年。石化和化工行业是CO2

的主要利用领域，通过化学反应将CO2转变成其他物质，然后进行资源再利用。2030年石化和化工行业的CCUS减排需求约为5000万吨，到2040年逐渐降低至0。创新点与项目特色在CUSS技术中的二氧化碳封存前的二氧化碳提纯步骤中采用综合选择的方法，根据情况的不同选择提纯方法，CO2提纯精制的工艺有很多种，主要包括溶剂物理吸收法、溶剂化学吸收法、变压吸附法、膜分离法、精馏法、催化燃烧法等。CO2经原料气浓度较高，相对杂质较少，如果需要的高纯度CO2，经比较，采用任何一种单一方法无法实现工艺目标，经综合对比，本项目采用吸附法与精馏法的组合技术。流程设置为干燥—吸附—精馏。首先用分子筛干燥法将水分除去，由吸附剂将极性杂质吸附除去，氮气、氧气可以用闪蒸或精馏方法除去，最后剩下纯度达到99.9%的CO2产品。所以根据考察研究具体情况我们可以采用多种提纯方式混合的技术提高二氧化碳纯度，减少环境污染。技术路线、拟解决的问题及预期成果现阶段中国应对气候变化行动将从弱减排逐步向强减排过渡，CCUS技术的总体定位应是“利用带动封存，政策驱动商业；技术研发做储备，运输网络是基础”。短期内（至2030年）CCUS的商业化主要以市场驱动为主，通过CO2资源化利用的经济收益抵消部分增量成本，通过技术研发提高效益，降低成本。2030年前，CCUS技术处于研发示范阶段，是中国减少CO2排放的重要战略储备技术，目前碳减排主要依靠大力发展节能增效和可再生能源技术。随着技术逐渐成熟和成本的不断下降，CCUS有望在2030年后成为中国向低碳能源系统平稳转型的重要战略储备技术，为构建化石能源与可再生能源协同互补的多元供能体系发挥重要作用。预计至2050年，构建低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技术体系和产业集群，实现CCUS的广泛部署和区域新业态。CCUS技术能耗和成本问题得到根本改善，在涉及化石能源使用的各行业得到大规模应用，并与生物质能源结合实现负排放，成为中国建设绿色低碳多元能源体系的关键技术。预计至2060年，BECCS等负减排技术将突破“能源不可能三角”制约，助力碳中和目标实现。BECCS（生物能与碳捕集和封存）和DACCS（直接空气捕集）等负减排技术将会实现有效应对气候变化（环保性）、保障能源安全稳定供应（安全性）和低廉的经济成本（经济性）的三重目标，并为钢铁、水泥等难以达到净零排放的行业提供负排放支撑，最终达到全社会CO2的净零排放。项目研究进度安排第一期点源CCUS技术：在点源CCS技术中，水泥和钢铁生产、化石燃料制氢、垃圾焚烧和发电等行业产生的CO2在排放到大气之前就能够被捕获；然后，被压缩到超过100个大气压，注入到地下一千米以下的多孔岩石层中，在不透水的岩石下，保存数万年到数百万年。CO2也可以被纳入建筑材料等产品中，只要它们能够长期储存。通过不同的工程方法，可以有效地从点源捕获CO2，捕获水平超过90%。成本大约10~100美元/吨CO2。尽管成本高于绿地项目，但碳捕捉设备可以改造自现有的基础设施，以避免资产陷入困境，同时实现净零策略。1.技术要求（1）地质方面：确认、设计和管理安全的地下储存。（2）工程方面：建造设备，从各种来源捕获CO2。（3）基础设施规划：适用于无法通过增量开发实现的大型转型性项目。2.固碳潜力（1）年度：至2050年，每年碳捕获和封存10-30GtCO2，受到CO2运输和储存基础设施发展的限制。（2）总体潜力：本质上是无限的。CCS的存储容量潜力超过了化石燃料的存储容量。3.政策建议（1）CCUS技术助力实现净零的潜力是巨大的，政府需要建立允许CCUS技术大规模部署的监管环境，并尽早建立相应的行业部门。（2）大规模建设CO2运输和封存的基础设施，以降低成本，鼓励工业行业采用CCUS技术。（3）制定通用的CO2储存的国际标准和准则。CO2运输和封存基础设施需要像电力、天然气和石油供应一样国际化。第二期二氧化碳运输：运输指将捕集的CO2运送到可利用或封存场地的过程，主要包括罐车、船舶、管道运输等方式。通常小规模和短距离运输考虑选用罐车，长距离规模化运输或CCUS产业集群优先考虑管道运输。在我国，罐车和船舶运输技术都已开展商业应用，与国际先进水平同步，而输送潜力最大的管道运输技术刚开展相关示范，相比处于商业应用阶段的国际水平差距显著。1罐车运输：目前主要的陆上运输方式，将CO2压缩成液态后进行运输，每车可装载10吨左右，基于距离和重量计费（近1元/km/吨），但长距离运输不具备经济性。2船舶运输：以液态二氧化碳的形式进行运输，可使用现有的液化天然气载运船，每船可运载上万吨CO2，成本仅需0.1—0.5元/km/吨，让CO2的越洋运输和异地离岸存储成为可能。3管道运输：以气态或液态的方式通过管道网络运输CO2，预估成本为0.3元/km/吨，但目前国内由于严格的管道建设审批政策，还没有投入商业使用的案例，实际运营成本仍需进一步评估。在现有CO2输送技术中，罐车运输和船舶运输技术已达到商业应用阶段，主要应用于规模10万吨/年以下的CO2输送。中国已有的CCUS示范项目规模较小，大多采用罐车输送。华东油气田和丽水气田的部分CO2通过船舶运输。管道输送尚处于中试阶段，吉林油田和齐鲁石化采用路上管道输送CO2。海底管道运输的成本比陆上管道高40%~70%，目前海底管道输送CO2的技术缺乏经验，在国内尚处于研究阶段。第三期二氧化碳利用：碳利用就是利用CO2来创造具有经济价值的产品。在一些欧洲经委会国家中广泛应用的是强化采油技术。碳利用可细分为以下3个主要领域（矿化、生物和化学）。但是，某些碳应用方案，如在某些化工过程中使用CO2、灭火产品等，并不等同于混凝土或碳酸盐等永久封存解决方案。需要与直接空气碳捕获与封存技术结合，以解决CO2的再释放问题，达到碳中和。碳利用技术应用方向:鉴于其目前的市场规模，将CO2转化为产品对应对气候变化的温室气体目标做出了虽小但重要的贡献。在未来的氢经济中，CO2中的碳可以用来制造许多目前使用化石燃料制造的化学品和塑料。1.利用潜力（1）矿化：将CO2融入混凝土最有潜力在短期内成为一个巨大的CO2市场。（2）化学：CO2目前被少量用于制造尿素肥料和一些特殊聚合物。在未来的氢经济中，CO2可以与氢气结合，制造合成燃料、合成气和甲醇。合成气和甲醇是基本的化学原料，许多化学品和聚合物都可以用它们来生产。（3）生物：CO2被用来促进植物生长，并可以通过使用生物炭捕获，提高土壤质量。2.政策建议（1）建立工业CCUS的总体政策战略和路径，包括必要的研发重点、商业化潜力、激励政策机制和法律框架。（2）推动能够释放CO2利用经济潜力的研发项目和计划。在国家和区域项目中进行大规模的工业CCUS示范。（3）制定标准，帮助行业开发含有CO2的产品，并促进使用吸收CO2的产品（例如混凝土行业）。（4）引入财政机制，例如税收抵免、碳定价和碳税、授权和标准、发展中国家碳融资。3.碳利用市场和潜在的CO2需求注释：*对于化工产品，CO2的利用只有在它取代石油化工产品时才会带来净效益。并且，化学产品的寿命太短，不能被认为是碳汇。为了更好的环境影响，CO2必须来自生物质能碳捕获与封存技术、直接空气碳捕获与封存技术或废物流。利用CO2生产骨料和混凝土最具吸收CO2的潜力，每年的市场规模总计约为2.5万亿美元。然而，现有产品价格低廉，使得这类产品的市场渗透具有挑战性。甲醇和乙醇的生产也为在产品中吸收CO2创造了机会，但由于液体燃料最终会燃烧，它们不被视为长期的CO2吸收解决方案，除非与直接空气碳捕获与封存技术、生物质能碳捕获与封存技术和绿色氢结合，以创造替代化石燃料的燃料。其余的产品作为CO2解决方案的潜力有限，因为与化石燃料市场相比，这些产品的市场规模较小，且加工成本较高。第四期二氧化碳封存二氧化碳的封存我们采用两种技术方案（一）利用含水层封存CO2含水层是在多孔岩石中含有盐水的地质构造。合适的含水层位于不透水的盖层下面的沉积岩中。它们在世界各地深度超过1千米的地方都有发现。CO2可以被泵入岩石中进行封存。在这样的深度，CO2被压至200-800千克/立方米的密度。在含水层中，CO2从注入点形成一股倾向于移动到含水层顶部的羽流。在CO2/盐水界面，CO2会溶解在盐水中(约1-2%的溶解度)，一些水会溶解在CO2羽流中。这导致酸性增加，影响含水层中的正常化学反应和生物群落。经过数万年或数百万年，CO2可以矿化成岩石。在进行任何封存之前，都需要进行全面的储层工程来表征岩石性质，因为如果含水层没有存储能力，那么昂贵的上层基础设施将是多余的。注入CO2的速率和含水层的总容量是由含水层的地质情况和压力极限决定的。含水层的压力必须受到限制，以确保羽流或盐水中的CO2不会泄漏。它的压力取决于CO2注入的速度以及盐水渗透岩石的速度。一旦停止注射，随着CO2继续溶解和矿化，压力会在几个世纪内下降。由于酸性的影响，盖层也会发生溶解，这取决于岩石的性质。这样可能会影响储层中储存和封存的完整性。如果CO2或盐水泄漏到饮用水或土壤中，将会产生负面影响。这种泄漏可能来源于地质断层、废弃的油井或气井(通常位于同一地点)、盐水进入相邻的地质地层等。因此在注入期间和之后，需要进行监测，以识别是否可能发生泄漏并加以预防。1.技术要求石油和天然气行业：目前，该技术的使用规模为每年数百万吨，因为运营产生的CO2排放会带来高额的罚款。2.固碳潜力估计超过一万亿吨CO2。3.政策建议（1）协调管理地下资源的国家和国际框架。确保法律不限制含水层的使用，并保护其他用户免受诸如饮用水含水层污染等不利影响。考虑发生泄漏情况下的财务和法律条件。（2）发展基础设施以克服地理位置问题。CO2源和含水层并不都在同一地点，将需要配置性基础设施和直接空气碳捕获与封存技术。各国在使用未使用的容量方面需要合作。（3）资金支持。必须建立一种筹资机制来支付封存、收集、清理和运输CO2的费用。（4）提高意识以获得公众认可。需要资金来完成地质调查，规模可达1亿吨/年，并确保技术的安全性。（二）强化采油技术（EOR）强化采油技术是一系列提高油气采收率的技术，其中一种是在加压情况下向井中注入CO2。在700米以上的深度，CO2变成超临界状态，并作为一种很好的溶剂，从岩层中释放石油和天然气，将它们冲到井口。CO2也可以与水一起注入。强化采油技术首次尝试于1972年，是成熟油气井的常用技术。注入CO2可以作为二次驱油机制，将油气储层中的剩余油气驱出。注入CO2是目前最受欢迎的一种强化采油方法，所使用的CO2来源是基于当地最低的可用成本的，其中大部分来自自然资源。人们对二氧化碳强化采油技术的兴趣在于，一旦油田枯竭，一些CO2会留在储层中，封存数百年或数千年。因为有很多方法来生产石油和天然气,二氧化碳强化采油技术必须同其他技术经济竞争，比如开发新井和其他强化采油技术。二氧化碳强化采油技术的竞争力取决于油藏的适宜性、由于相对较高的资本成本而需要的回收期、当地的CO2成本以及可获得的技术资源。1.技术要求石油和天然气行业：将现有技术融入石油的经济生产。其他行业：对CO2进行浓缩处理，以便运输并用于强化采油。2.碳封存潜力总量：50~350Gt（国际能源署2015年预测）在全球范围内，陆上油田的二氧化碳强化采油技术潜力最大，但也有一些不错的海上油田可供选择。根据RystadEnergy能源公司的数据，在全球所有具有CO2储存潜力的生产油田中，80%以上是陆上油田。3.政策建议（1）提高二氧化碳强化采油技术在油气行业的竞争力。与其他采油方法相比，降低二氧化碳强化采油技术的相对成本。（2）鼓励油气行业采用二氧化碳强化采油技术。鼓励封存比石油开采所需的更多的CO2。（3）鼓励从人为来源捕获CO2。鼓励CO2工业来源和强化采油技术用户之间的合作。（4）增加CO2的储存量。促进和推广关于提高强化采油技术所需CO2封存量的技术研究。根据强化采油后的净碳排放对烃源进行分类。已有基础与本项目有关的研究积累和已取得的成绩对碳捕集已经开展大量的研究，Lee等通过固体吸收剂捕获二氧化碳(CO2)，以减少来自不同燃烧过程源的CO2排放，所用的吸附剂通过加热或减压的方式回收利用，作为捕获CO2成熟的技术，分离效率可达到90%。Dutcher等通过胺基技术捕集CO2，由于反应的高度可逆性，可有效应用于工程项目。我们也完成了富氧燃烧技术的突破，通过分离空气制取纯氧，以纯氧作为氧化剂进入燃烧系统，同时辅以烟气循环的燃烧技术，可视为燃烧中捕获技术。该技术捕获的CO2浓度可达90%以上，只需简单冷凝便可实现CO2的完全分离，因此CO2捕获能耗和成本相对较低，但额外增加制氧系统的能耗，提高了系统的总投资。燃烧后捕获是指直接从燃烧后烟气中分离CO2，虽然投资较少，但烟气中CO2分压较低，使得CO2捕获能耗和成本较高。