新疆煤基能源化工基地碳捕集、利用與封存技術發展路線淺析

吳金焱 韓甲業 徐 鑫 趙迎春

(國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京市朝陽區，100029)

新疆是一個以高碳能源為主的資源依賴型省區，能源結構長期以煤炭為主，節能減排形勢非常嚴峻。今后一段時期內，隨著新疆地區大型煤炭煤電煤化工基地建設工作的推進，本地溫室氣體控排壓力必將與日俱增，做好相關減排技術的發展規劃非常重要。碳捕集、利用和封存(CCUS)技術為新疆提供了一項可實現規模化溫室氣體減排的技術選擇。

1 新疆的能源與經濟發展

1.1 新疆的能源發展

1.1.1 能源資源

新疆能源資源豐富，煤炭、石油、天然氣、風能、太陽能等資源均位居全國前列，是國家大型油氣生產加工和儲備基地、大型煤炭煤電煤化工基地、大型風電基地和國家能源資源陸上大通道。新疆煤炭預測儲量2.19萬億t，占全國預測儲量的40%；石油預測資源量209.2億t，占全國石油總資源量的22%，占全國陸地石油總資源量的30%；天然氣預測資源量11萬億m3，占全國氣資源總量的27%。截至2014年底，新疆累計查明煤炭資源儲量3809億t，居全國第2位；累計探明石油地質儲量51.93億t，居全國第3位；天然氣累計探明地質儲量為20645.79億m3，居全國第2位。

1.1.2 能源消費

煤炭是新疆的主體能源，在歷年一次能源消費結構中的比重長期介于56.1%～72.5%之間。新疆煤炭消費主要集中在電力生產、煉焦和化工等行業。2015年，新疆地區煤炭消費總量的96.24%被用于工業，而工業領域的煤炭消費總量中，用于煉焦、煤化工和電力3個行業領域的煤炭分別占26.55%、12.29%和37.14%，3個行業煤炭消費量占工業領域煤炭消費總量的75%以上。1978-2015年新疆能源消費構成情況見圖1。

圖1 1978-2015年新疆能源消費構成

1.2 新疆的經濟發展狀況

新疆經濟增長長期依賴第二產業，特別是在2004-2014年期間第二產業在GDP中的比重長期居于第1位，2015年雖有所下降，但依然是主導產業。新疆的工業結構以重化工業為主，石化基地、煤電煤化工基地是本地區的主導產業，也是高碳型產業，給本地的低碳經濟發展帶來較大的壓力和約束。1978-2015年新疆三次產業在國內生產總值中比例變化情況見圖2。

圖2 1978-2015年新疆三次產業在國內生產總值中比例變化

2 新疆煤化工行業二氧化碳排放

工業在為新疆經濟發展提供重要支撐的同時也貢獻了絕大部分的碳排放量。劉懷旭(2015)的計算結果表明：工業碳排放量比重由2000年的75.57%增長到2012年的91.27%；煤、石油、天然氣等傳統能源和金屬非金屬礦產資源的開采、加工和利用是新疆地區的重點碳排放行業。其中，化工原料及化學制品制造業在2000-2012年期間年均溫室氣體排放增長率最高，達29.18%。新疆化工原料及化學制品制造業溫室氣體排放的增長主要來自于煤化工行業。

“十一五”期間，新疆重點在準東、伊犁、庫車、拜城等地發展煤化工產業。在準東、伊犁河谷重點發展煤制油、煤制烯烴等產業；在庫車、拜城重點發展煤焦化產業。經過“十二五”的發展，新疆煤化工產業已經具備了一定的產業基礎，形成煤制天然氣、煤制烯烴、煤制油、煤制二甲醚、煤制乙二醇以及煤炭分質利用等特色現代煤化工產業，焦化、電石、合成氨/尿素、甲醇等傳統煤化工上下游產業進一步完善。截至2015年底，新疆煤制天然氣產能13.75億Nm3/a、煤制乙二醇產能25萬t/a、甲醇產能155萬t/a、焦炭產能4000萬t/a、電石產能550萬t/a、燒堿產能300萬t/a。到2020年，新疆煤化工行業的預期發展目標包括：煤制天然氣產能達到100億Nm3/a、煤制油300萬t/a、煤制烯烴188萬t/a、煤制乙二醇105萬t/a、煤制芳烴(PX)50萬t/a、聚酯(PET)30萬t/a、煤炭分質綜合利用4000萬t/a。

采用行業某種產品的年產量或產能和根據典型項目確定的排放因數的方法來初步測算新疆地區煤化工行業溫室氣體排放規模。從各類科技文獻中匯總的不同煤化工產品生產過程的CO2排放因數如表1所示。

表1 主要煤化工產品生產的CO2排放情況

基于上述估算方法初步測算，到2020年，新疆現代煤化工行業CO2排放規模將從2015年的1500萬t/a左右的規模增長至1.56～1.62億t/a，見表2。

表2新疆現代煤化工產業CO2排放規模測算萬t/a

名稱2015年2020年煤制甲醇597-煤制天然氣66611100 煤制油-1668～2058 煤制烯烴-2087 煤制乙二醇200～230840～966 總計1463～149315600～16200

3 新疆CCUS的發展基礎

3.1 CCUS技術簡介

碳捕集、利用和封存(CCUS)是一項具有大規模溫室氣體減排潛力的技術，是指將二氧化碳(CO2)從工業或其他排放源中分離出來，并運輸到特定地點加以利用或封存，以實現被捕集CO2與大氣的長期隔離。國際上使用較多的說法是碳捕集與封存(CCS)技術，在我國將CO2資源化利用也作為該技術系統的組成部分并稱為CCUS，二者并無本質的差別。

3.2 新疆CCUS的發展基礎

3.2.1 新疆CCUS的發展有著重大的政策驅動力

在國家層面，“十三五”期間擬在利用環節加強二氧化碳在石油開采、塑料制品、食品加工等領域的應用；在化工、水泥、鋼鐵等行業實施碳捕集、利用與封存示范。《新疆維吾爾自治區國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中也提出，“十三五”期間支持以二氧化碳驅油、驅水為重點的碳捕集、利用和封存試點示范項目。

同時，《新疆維吾爾自治區“十三五”控制溫室氣體排放工作實施方案》提出“到2020年單位地區生產總值二氧化碳排放強度比2015年下降12%，碳排放總量得到有效控制”的目標。在溫室氣體排放預期會大幅增長的情況下，CCUS 作為一項具有大規模溫室氣體減排潛力的技術，對新疆地區有著極大的吸引力。

3.2.2 新疆地區開展CCUS的源匯匹配較好

新疆地區大型的二氧化碳排放源主要是新建煤化工工廠和現有燃煤電廠。其中，準東和伊犁是煤制天然氣和煤制油等大型現代煤化工的主要聚集地，準東還是大型煤電基地。

新疆的潛在封存場所主要為油氣盆地。截至目前，新疆地區已發現80多個油氣田，主要分布于準噶爾盆地、塔里木盆地和吐哈盆地。新疆油氣勘探開發的三大主力軍——新疆油田、塔里木油田和吐哈油田分別位于這3個盆地內。目前，已有研究機構按照《全國二氧化碳地質儲存潛力評價與示范工程實施技術要求》分別對準噶爾盆地和塔里木盆地封存潛力進行過評估，尚無對吐哈盆地封存潛力的評估。其中：準噶爾盆地油藏地質理論封存潛力巨大，為38.97億t；準噶爾盆地各一級構造中陸梁隆起與中央坳陷為較適宜區，山前斷褶帶為較不適宜區，東部隆起為較不適宜區，西部隆起與烏倫古坳陷為一般適宜區。D級推定潛力儲量為1040.6億t，其中：深部咸水層儲量最大，達到980.94億t，占總量的94.83%；其次為氣田，為44.98億t，占總量的4.34%；煤層氣田儲量為4.48億t，占總量的0.43%；油田儲量最少，為4.1億t，僅占總量的0.38%。

從各盆地封存潛力以及二氧化碳排放源的分布情況來初步判斷，準噶爾盆地較為適合開展CCUS，特別是CO2-EOR技術綜合適宜性評價程度為較適宜。

3.2.3新疆本地機構在捕集、利用和封存各環節均開展了一些實驗探索，積累了一定的技術經驗

在捕集環節，克拉瑪依石化公司甲醇廠已經建成并試運行了10萬t/a二氧化碳捕集項目，對相關捕集技術進行了試驗。在利用與封存環節，中石油新疆油田自2012年以來在多個油井開展了CO2復合蒸汽吞吐技術改善稠油熱采開發效果的試驗，在稠油油田增產及提高原油采收率方面積累了相當的經驗。新疆是新中國成立后最早進行石油開發的地區，現已建成了西部最大的油氣工程技術服務保障基地；新疆地區50多年的石油勘探工作中，針對新疆地區特點，建立和完善了石油地質理論，形成了勘探技術系列，例如復雜地表、地質條件地震勘探技術，大沙漠區地震勘探技術，山地地表勘探技術，碳酸鹽巖儲層識別和預測技術，超深井鉆井技術，欠平衡鉆井技術，水平井、大斜度井鉆井技術，儲層保護技術，成像測井技術，儲層改造技術，高壓氣層測試技術，復雜油氣藏描述技術等等，這些可為CO2-EOR的實施提供理論和技術支撐。另外，新疆生產建設兵團采用江蘇中科金龍股份公司的技術，利用二氧化碳制備全生物降解塑料，生產地膜用于農業生產，為新疆地區探索出了一條有本地特色的CO2利用途徑。

3.2.4本地的部分企業已經開展了一定的跨行業合作的早期探索

敦華石油技術公司與克拉瑪依石化公司合作建成投產了10萬t的捕集裝置，并為克拉瑪依油田開展稠油二氧化碳復合蒸汽吞吐、低孔低滲油藏驅替提供二氧化碳資源保證。另外，富蘊廣匯新能源公司與新疆油田公司準東采油廠接洽，推進CCUS+EOR示范的前期事宜。

4 新疆煤基能源化工基地碳捕集、利用與封存技術發展路線淺析

結合能源、經濟發展以及本地其他產業發展的實際情況來看，新疆地區較為經濟的一體化CCUS發展路線為：從煤化工工廠捕集高濃度CO2，并與油田增產(EOR)、生物降解材料生產、驅水(EWR)及可再生能源儲能等相結合。

4.1 CO2捕集+油田增產(EOR)路線

該技術路線是目前唯一得到工業化應用并有經濟效益的技術路線。準噶爾盆地內特別是準東地區，二氧化碳排放源以燃煤電廠和煤化工工廠為主，特別是煤化工項目，多為新建現代煤化工項目，單個項目排放規模大，見表3，特別是煤制天然氣項目，單個項目二氧化碳排放規模基本能達到千萬噸級，而且其尾氣中三分之二以上的CO2在生產工藝過程中已經得到濃縮和富集，濃度比其他工業環節的高，一般都超過80%，見表4，易于捕集并能實現大量穩定的供應，技術相對簡單且成熟，捕集成本低于電廠，見表5；同時，準東地區油氣生產較為密集，對CO2有著長期、穩定的需求。

表3 新建煤化工項目的排放規模

表4不同行業排放CO2濃度比較%

排放源排放尾氣中CO2濃度煤化工項目(凈化部分)一般都超過80火電10～15水泥20鋼鐵15煉油8

表5 國內外部分CCS捕集成本一覽

4.2 CO2生產可生物降解塑料用于農業地膜

新疆已成為全國農田地膜覆蓋栽培面積最大、農田地膜使用量最多的省區。農田地膜的廣泛使用對促進新疆農業持續高產、穩定和增效發揮了顯著作用。然而，由于農田地膜使用、回收不當，造成越來越多的廢舊農田地膜被留在土壤中，“白色污染”愈發嚴重。利用工業生產廢氣中的CO2來生產可生物降解塑料用于農業地膜，可以從根本上解決“白色污染”危害，為CO2的回收利用開辟了新途徑，是一種典型的循環經濟技術模式。

4.3 CO2+驅水(EWR)路線

新疆位于內陸地區，屬于極端干燥的大陸性氣候，常年氣候干燥，降水偏少，蒸發強烈，水資源空間分布不均，河流分布西部多于東部，北部多于南部，干旱缺水問題嚴重。例如，準東煤電煤化工產業帶大部分區域位于吉木薩爾縣和奇臺縣北部荒漠戈壁地帶，屬于干旱荒漠地區，沒有地表水系分布，沒有常年地表徑流，水資源十分缺乏。而現代煤化工產業對水資源極度依賴，有信息顯示：一個40億Nm3/a的煤制天然氣項目的耗水量為2690萬t/a；一個60萬t/a的煤制烯烴項目的耗水量為2700萬t/a。這相當于十幾萬人口的水資源占有量或100多km2國土面積的水資源保有量。如果將捕集到的CO2用于強化采水，一方面能夠將二氧化碳大規模安全穩定地封存在深部咸水層中；另一方面，對于開采出的低礦化度咸水，可以利用儲層壓力進行反滲透淡化處理，產生的淡水可以用于各種工農業生產和生活飲用；對于高礦化度咸水或鹵水，利用其蘊藏的豐富氯化鎂礦化二氧化碳，獲得高附加值的鹽酸和輕質碳酸鎂或提取出鉀鹽、溴素等重要礦產資源。既能解決煤化工行業發展面臨的用水短缺問題，還可以附加生產其他重要礦產資源，產生明顯的經濟和社會效益。

4.4 CO2 +風電等可再生能源儲能路線

利用CO2進行可再生能源儲能是近些年來出現的一種CO2再利用的新途徑，國際上已經有一些成功的實踐與示范。冰島的碳循環國際公司(Carbon Recycling International)2011年就建成了喬治歐拉可再生甲醇工廠，利用可再生能源發電電解水制氫，在催化劑的作用下，捕集到的CO2與氫氣發生反應制得甲醇。甲醇可以作為運輸燃料，也可以作為化工原料。2012年，冰島工廠可再生甲醇生產能力達到1300 t/a；2014年，可再生甲醇生產能力擴展到4000 t/a。另外，德國Sunfire公司的Power-to-Gas(PtG)和Power-to-Liquid(PtL)技術，利用風電與光伏電力作為能量來源，利用CO2和水制造氣體甲烷與各種液態燃料。該公司建設的小型示范項目可生產160 L/d名為“Blue Crude”的合成燃油，規模量產后可以達到1798 L/h的產能。“Blue Crude”的燃油已經通過奧迪公司檢測許可，可以供其A8轎車使用。國內的浙江大學等機構也在開展類似研究。

新疆風能資源十分豐富，風電已成為新疆電力工業的重要組成部分。近些年來，新疆的風電裝機容量出現“井噴式”增長，排名自全國第8躍升至第2。但是，由于風電場與電網建設“步調不一”，加之當地特殊的電源結構以及受消納能力等因素影響，新疆“棄風”現象較為嚴重。有資料顯示，2016年新疆的棄風率高達38.37%。作為“一帶一路”輸電走廊戰略橋頭堡的新疆，受國內風電裝機總量快速增長、工業經濟增長乏力和配套輸變電項目建設滯后等原因影響，風電發展面臨前所未有的尷尬處境。

該條技術路線將能為新疆解決控制溫室氣體排放以及可再生能源上網難而“棄風”等問題提供一種新方案；同時，還能催生新的儲能產業。

5 結語

新疆地區煤化工項目聚集，單個項目CO2排規模巨大、濃度高，可以實現較低成本的捕集，且與重大封存點特別是油氣田等源匯匹配較好，具備開展大規模一體化工業應用的顯著優勢，區域內大規模一體化CCUS項目的實施有望帶動中國CCUS的早期商業化發展。