DOC《“十二五”国家碳捕集利用与封存科技发展》

十二五 国家碳捕集利用与封存科技发展 专项规划 碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是一项新兴的、具有大规模二氧化碳减排潜力的技术,有望实现化石能源的低碳利用,被广泛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.

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》(以下简称《科技纲要》)将 主要行业二氧化碳、甲烷等温室气体的排放控制与处置利用技术 列入环境领域优先主题,并在先进能源技术方向提出 开发高效、清洁和二氧化碳近零排放的化石能源开发利用技术 ;

《国家 十二五 科学和技术发展规划》(以下简称《规划》)提出 发展二氧化碳捕集利用与封存等技术 .《中国应对气候变化科技专项行动》、《国家 十二五 应对气候变化科技发展专项规划》均将 二氧化碳捕集、利用与封存技术 列为重点支持、集中攻关和示范的重点技术领域. 为贯彻落实《科技纲要》和《规划》的部署,配合国务院《 十二五 控制温室气体排放工作方案》有效实施,统筹协调、全面推进我国二氧化碳捕集、利用与封存技术的研发与示范,特制订《国家 十二五 碳捕集、利用与封存(CCUS)科技发展专项规划》.

一、形势与需求

(一)碳捕集、利用与封存是应对全球气候变化的重要技术选择 全球气候变化问题日益严峻,已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一,削减温室气体排放以减缓气候变化成为当今国际社会关注的热点.有关研究显示,未来几十年化石能源仍将是人类最主要的能量来源,要控制全球温室气体排放,除大力提升能源效率、发展清洁能源技术、提高自然生态系统固碳能力外,CCUS技术将发挥重要的作用.IPCC估算,全球CO2地质封存潜力至少为2000亿吨,到2020年全球CO2捕集潜力为26-49亿吨/年.

(二)世界主要国家均将碳捕集、利用与封存技术作为抢占未来低碳竞争优势的重要着力点 近年来,世界主要发达国家都投入大量资金开展CCUS研发和示范活动,制定相应法规、政策以实现在全球低碳竞争中占得先机,并在八国集团、碳收集领导人论坛、清洁能源部长会议等多边框架下推动该技术的发展.美国、欧盟、加拿大、英国、澳大利亚等均制定了相关技术发展路线图,明确未来CCUS技术发展的方向和重点,先后投入总计数百亿美元支持包括 未来电力2.0 、 欧盟CCS旗舰计划 等CCUS技术研发和示范项目,还在政府引导下纷纷成立了跨行业、跨领域的CCUS技术研发与合作平台,推动技术的发展和应用.南非、巴西等新兴经济体也启动了相关研究.

(三)发展和储备碳捕集、利用与封存技术将为我国低碳绿色发展和应对气候变化提供技术支撑 我国需要发展和储备CCUS技术,一是我国的能源结构以煤为主,随着我国国民经济、城市化进程的快速发展,CO2排放量将长期处于高位,CCUS是中长期温室气体减排的重要技术途径;

二是发展CO2捕集与资源化利用技术也为我国当前低碳绿色发展提供了新的技术途径;

三是发展捕集CO2的煤炭液化或多联产技术以及IGCC技术和CO2提高石油采收率技术,在减排CO2的同时,有利于优化能源结构,保障我国能源安全;

四是发展CCUS技术是我国煤化工、钢铁、水泥等高排放行业温室气体减排的迫切需求;

此外,鉴于未来可能形成的全球性低碳产业,发展CCUS技术将是提升我国低碳技术竞争力的重要机遇.

二、现状及趋势 当前,CCUS技术仍存在高成本、高能耗、长期安全性和可靠性有待验证等突出问题,需通过持续的研发和集成示范提高技术的成熟度.我国CCUS技术链各环节都已具备一定的研发基础,但各环节技术发展不平衡,距离规模化、全流程示范应用仍存在较大差距.

(一)CO2捕集技术 CO2捕集主要分为燃烧后捕集、燃烧前捕集以及富氧燃烧捕集三大类,捕集能耗和成本过高是面临的共性问题. 燃烧后捕集技术相对成熟,广泛应用的是化学吸收法.我国与发达国家技术差距不大,已在燃煤电厂开展了10万吨级的工业示范.当前,制约该技术商业化应用的主要因素是能耗和成本较高. 燃烧前捕集在降低能耗方面具有较大潜力,国外5万吨级中试装置已经运行,国内6-10万吨级中试系统试验已启动.当前,该技术主要瓶颈是系统复杂,富氢燃气发电等关键技术还未成熟. 富氧燃烧技术国外已完成主要设备的开发,建成了20万吨级工业示范项目,正在实施100万吨级的工业示范;

我国已建成万吨级的中试系统,正在实施10万吨级的工业级示范项目建设.新型规模制氧技术和系统集成技术是降低能耗的关键,也是现阶段该技术发展的瓶颈.

(二)CO2输送工程技术 CO2输运包括水路和陆路低温储罐输送与管道输送两类方式,其中管道输送最具规模应用优势.国外已有40年以上的商业化CO2管道输送实践,美国正在运营的干线管网长度超过5000千米.目前,我国CO2的输送以陆路低温储罐运输为主,尚无商业运营的CO2输送管道.与国外相比,主要技术差距在CO2源汇匹配的管网规划与优化设计技术、大排量压缩机等管道输送关键设备、安全控制与监测技术等方面.

(三)CO2利用技术 CO2利用涉及石油开采、煤层气开采、化工和生物利用等工程技术领域. 在利用CO2开采石油方面,国外已有60年以上的研究与商业应用经验,技术接近成熟.我国利用CO2开采石油技术处于工业扩大试验阶段.与国外相比,主要技术差距在油藏工程设计、技术配套、关键装备等方面. 在利用CO2开采煤层气方面,国外已开展多个现场试验,我国正在进行先导试验.适合我国低渗透软煤层的成井、增注及过程监控技术是研究重点. 在CO2化工和生物利用方面,日本、美国等在CO2制备高分子材料等方面已有产业化应用.我国在CO2合成能源化学品、共聚塑料、碳酸酯等方面已进入工业示范阶段.规模化、低成本转化利用是CO2化工和生物利用技术的研究重点. 在CO2矿化固定方面,欧盟、美国等正在研发利用含镁天然矿石矿化固定CO2技术,处于工业示范阶段.我国在利用冶金废渣矿化固定CO2关键技术方面已进入中试阶段.过程强化与产品高值利用、过程集成以及设备大型化是CO2矿化固定技术的研究重点.

(四)CO2地质封存技术 CO2地质封存主要包括陆上咸水层封存、海底咸水层封存、枯竭油气田封存等方式.国外对陆上、海底咸水层封存项目进行了长达十多年的连续运行和安全监测,年埋存量达到百万吨.我国仅有10万吨级陆上咸水层封存的工程示范,需重点发展适合我国陆相沉积地层特点的CO2长期封存基础理论、评价方法、监测预警与补救对策技术,研发长寿命井下设备与工程材料等.

(五)大规模集成示范 国外正在运行的大型全流程CCUS示范项目有加拿大Weyburn油田CO2强化驱油项目、挪威Sleipner气田CO2盐水层封存项目等,这两个项目的CO2都来自工业过程,累计封存CO2都已超过千万吨.我国现有的全流程示范项目包括中石油吉林油田的CO2工业分离与驱油项目、神华的鄂尔多斯煤制油CO2工业分离与陆上咸水层封存项目、中石化胜利油田的燃烧后CO2捕集与驱油项目.总体上,我国全流程示范项目起步晚、规模小,需要通过大规模、跨行业的集成示范,完善要素技术之间的匹配性与相容性,提升全流程系统的经济性和可靠性.

三、指导思想、基本原则与发展目标

(一)指导思想 以科学发展观为指导,贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《国家 十二五 科学和技术发展规划》,以 全球视野、立足国情,点面结合、逐步推进,重视利用、严控风险,强化能力、培养人才 为原则,面向我国低碳发展需求与国际科技前沿,以资源化利用为核心,瞄准低能耗、低成本、长期安全,统筹基础研究、技术开发、装备研制、集成示范和产业培育,发挥科技在CCUS产业的支撑和引领作用,全面提升我国CCUS技术水平和核心竞争力.

(二)基本原则 1. 全球视野、立足国情:把握国际CCUS技术发展趋势,注重国际交流与合作,立足我国发展阶段,结合国家能源战略和应对气候变化工作需求,建立具有中国特色的CCUS技术体系. 2. 点面结合、逐步推进:围绕CCUS各环节的技术瓶颈和薄弱环节,统筹协调基础研究、技术研发、装备研制和集成示范部署,突破CO2捕集、输运、利用与封存的关键技术,在重点行业开展CCUS工业试验,有序推动全流程CCUS示范项目建设. 3. 重视利用、严控风险:视CO2为潜在资源,重视CO2驱油气、CO2生物与化工规模化利用等技术的研发和应用;

严格把握CCUS示范项目的安全性指标,探索建立适合我国国情的CCUS技术标准与规范体系. 4. 强化能力、培养人才:以企业为技术创新主体和源头,注重发挥高等院校和科研院所在创新中的引领作用,建立产学研结合和产业联合创新机制,集成和融合跨领域、跨行业优势力量,培养CCUS技术人才,全面提升CCUS技术创新能力.

(三)发展目标 总体目标:到 十二五 末,突破一批CCUS关键基础理论和技术,实现成本和能耗显著降低,形成百万吨级CCUS系统的设计与集成能力,构建CCUS系统的研发平台与创新基地,建成30-50万吨/年规模二氧化碳捕集、利用与封存全流程集成示范系统. 捕集技术发展目标:实现低能耗捕集技术突破,对于CO2低浓度排放源额外捕集能耗控制在25%以内,具备规模化捕集技术的设计能力. 输运技术发展目标:开展区域性CO2源与利用及埋存汇的普查,开发管网规划和优化设计、管道及站场安全监控、管道泄漏应对等CO2输送关键技术,形成支撑规模化全流程工程示范的CO2输送工艺. 利用技术发展目标:突破一批CO2资源化利用前沿技术,形成CO2驱油与封存,低成本CO2化学转化、生物转化与矿化利用关键技术,建成30万吨级/年的CO2驱油与封存示范工程以及CO2转化利用工业化示范工程. 封存技术发展目标:推进全国地质封存潜力评价;

突破场地选址、安全性评价、监测与补救对策等关键技术,初步形成地质封存安全性保障技术体系.

四、优先发展方向

(一)大规模、低能耗CO2分离与捕集技术 研发吸收性能高、再生能耗低的新型吸收剂,低能耗大规模的制氧技术及CO2捕集分离工艺与设备;

开发CO2分离单元与发电单元协同运行和调控技术,以及新型CO2捕集材料和工艺.

(二)安全高效CO2输送工程技术 研究长距离CO2管道输送特性及模拟技术,安全监测和管理控制技术,CO2源汇匹配和管网规划与优化设计技术.

(三)大规模、低成本CO2利用技术 开展油气藏地质体CO2利用与封存潜力评价,研究CO2利用与封存一体化的实验模拟、油藏工程设计、安全监测及关键装备制造技术;

开展CO2驱煤层气开采与封存场地筛选和评价,研究井网优化设计、煤层增注、长期安全监测技术;

研发CO2高效低成本催化转化制备甲醇、共聚塑料、碳酸酯等大宗化学品技术,CO2生物固定、生物转化与深加工技术,钙镁钾基工业固废及天然矿物矿化固定CO2的过程强化与设备大型化技术.

(四)安全可靠的CO2封存技术 研究适合我国陆相沉积地层的安全可靠CO2地质封存理论,发展陆上咸水层封存的场地选址与评价方法,以及封存CO2泄露监测与补救等安全性保障技术;

研发海底咸水层封存、枯竭油气田封存关键特需技术;

探索酸气回注等含杂质CO2封存以及封存联合采水、采热、采矿等新型技术.

(五)大规模CO2捕集、利用与封存技术集成与示范 研究CCUS各要素技术之间的匹配性与相容性,系统集成与放大原理,发展系统优化设计方法,开发CO2捕集系统与工业生产系统、CO2利用系统以及输送系统、封存系统的优化集成技术,围绕重点行业建立一批规模化全流程示范工程,验证其经济性、可靠性和安全性.

五、重点任务

(一)解决一批基础科学理论问题 新一代高效低能耗的CO2捕集技术基础研究:吸收剂的分子设计、模拟技术及其与CO2化学反应基础;

新型捕集机理与材料的构效关系;

燃烧前捕集的工艺过程与捕集能耗、系统稳定的构效关系;

富CO2气氛下燃烧稳定和污染物形成的理论;

化学链燃烧技术、膜吸收/解吸技术、硫碳一体化捕集分离技术探索. 规模化CO2管道输送基础研究:CO2在不同相态及相态转换下的水力及热力模型;

长距离CO2管道输送水合物控制技术;

CO2管道输送全尺寸模拟中试装置建设及试验;

CO2管输数值模拟软件开发与应用;

CO2输送工艺参数优化设计方法;

CO2输送........