2023, Vol. 44
2. 中国科学院武汉文献情报中心, 武汉 430071
2. National Science Library(Wuhan), Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
2020年我国规模以上的水泥产量为23.7亿t, 水泥熟料生产15.79亿t, CO2排放量巨大.在碳达峰和碳中和愿景下水泥行业面临巨大的碳减排压力.水泥行业必须依赖众多创新技术实现碳减排目标, 如节能增效、低碳能源(生物质、清洁电力等)转换、降低熟料/水泥(替代原料)和CO2捕集、利用与封存(CCUS)等技术[1~5].其中CCUS是化石资源低碳利用的大规模减排技术.国内外已经有很多关于水泥CCUS的研究, 碳中和研究认为水泥等工业部门在2024~2030年实现碳达峰, 2060年仍有3~15亿t的CO2排放, 其中水泥碳排放占18%[6~9].水泥碳中和目标无法仅通过低碳能源转型来实现, 还需要通过改变原燃料结构等多种方式[10, 11].CCUS在水泥碳中和后期具有较大的减排潜力[12~15], 到2060年水泥行业剩余约2~4亿t CO2仍需依靠CCUS技术实现减排[16, 17], 在2070年以前CCUS可实现全球水泥行业37%的碳排放量[1].水泥CCUS与其他竞争性减排技术研究显示水泥CCUS的边际减排成本为336.4元·t-1, 比提高能效水平的成本低, 比能量回收利用和燃料替代的成本高[12].而钢铁行业、水泥行业、石油炼制行业和制浆造纸行业等部署CCS的总成本及其影响因素研究发现, 延迟CCS部署会导致成本升高[18].以上研究大多是自上而下对水泥行业碳中和与减排路径的宏观评估, 也有一些是水泥行业CCUS经济效益研究, 未考虑到具体的水泥企业情况、CCUS技术方案和源汇关系, 不能为水泥企业CCUS减排潜力和路径规划提供建议.因此, 有必要基于我国水泥企业数据、地质条件、源汇匹配和CCUS具体技术经济方法研究水泥企业结合CCUS的减排潜力, 明确水泥企业开展CCUS的可行性.全流程CCUS系统评价模型(ITEAM-CCUS模型)是评估化石能源与工业行业通过CCUS技术减排潜力的定量分析模型, 目前已经完成了全国范围行业尺度的煤电、煤化工和钢铁CCUS的减排潜力和减排成本评价[19~23]及企业尺度的燃煤电厂CCUS评价[24, 25].ITEAM-CCUS模型同样适应于水泥企业的CCUS潜力评估, 给出水泥企业和行业CO2减排量、减排成本、空间布局和优先项目等结果.本研究结论可作为水泥企业对比CCUS与其他减排技术的基础, 也是定量分析水泥行业通过CCUS技术减排贡献度的依据.
1 材料与方法 1.1 系统评估模型ITEAM-CCUS模型包括企业评估、场地适宜性评价、CCUS技术经济评价和源汇匹配等评估模块.全国水泥企业CCUS潜力评估在原ITEAM-CCUS模型基础上, 针对水泥企业的特征优化了CO2捕集技术参数和源汇匹配参数, 包括CO2气流特征、CO2捕集通过率、胺基溶液再生所需的热量供应方式、CCUS能耗指标和水泥企业(源)评估指标等.水泥ITEAM-CCUS模型以管道点对点衔接水泥企业和适宜的CCUS场地, 通过技术经济评估和GIS空间分析完成源汇匹配[26].源汇匹配综合考虑CO2源与封存场地的特征, 包含CO2源的位置、名称、排放量、规模、工艺和CO2成分等特点, 与封存地层的位置、类型、特征、容量、注入性和风险等特点.源汇匹配的成本约束基于全流程CCUS(CO2捕集、压缩、运输和封存等环节)技术经济评估, 场地约束基于CO2地质封存场地的适宜性评估.点对点源汇匹配模型特别适合无CO2国家骨干管网和无集群的CCUS规模化或商业化早期应用[27].
水泥ITEAM-CCUS模型的源汇匹配遵循以下特定规则: ①竞争条件下, 平准化成本最低的场地是企业的最佳选择; ②每个源建立单一的管道来连接CO2封存场地(没有形成管道网络); ②大规模源匹配时具有优先选择场地的机会, 其它源再选择剩下的; ③任何适宜封存场地或场地集(数个场地5 km×5 km或2′×2′)的封存容量至少满足20年的CO2排放量, 容量不足的优先选择毗邻场地; ④由于油田封存容量有限, 难以满足所有排放源的减排需求, 因此源汇匹配中每个排放源只能选择一个油田; ⑤源汇匹配最大距离设为250 km和800 km, 分别对应管道无增压站和无管网情景的成本上限.
1.2 全流程CCUS技术经济评估方法 1.2.1 技术方法水泥行业全流程CCUS的技术流程如图 1所示, 从水泥企业捕集的CO2被压缩运输到适宜的咸水层封存场地或油田开展CO2地质封存与利用.CCUS技术方案的关键设定为: ①全流程CCUS技术包括CO2捕集压缩、管道运输、地质利用与封存环节; ②CCUS各环节技术方案选择现阶段成本最优的技术方法; ③地质利用与封存技术选择陆上CO2强化石油开采(CO2-EOR)技术和CO2强化地下水开采(CO2-EWR)技术; ④CO2源为全国水泥企业, 企业排放量根据碳排放核算方法评估; ⑤水泥企业附近有充足的场地供捕集和压缩装置利用, 自有电厂或邻近燃煤电厂可为CCUS运行提供蒸汽和电力, 因此不新建辅助蒸汽、电力供应和冷却系统; ⑥CO2-EWR封存场地采用全国次盆地尺度的陆上咸水层封存场地适宜性评价图[19]和容量评估结果[28], CO2-EOR场地采用全国陆上油田CO2-EOR成本分布图[29]; ⑦忽略全流程CCUS各环节可能的CO2泄漏.
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图 1 水泥企业全流程CCUS的技术流程 Fig. 1 Technical flow of the full-chain CCUS in cement enterprises |
目前一些水泥厂已经开展了CCUS示范研究, 捕集技术包括胺吸收法[30, 31]、冷氨工艺[32]、膜分离工艺和低温下固体吸附法[33, 34]、氧燃料燃烧[35]和直接捕集过程排放的CO2[36]. 胺吸收法被广泛示范与工业应用, 是水泥碳捕集的基准方法[37].因此ITEAM-CCUS模型选用燃烧后捕集胺吸收法作为水泥CO2捕集技术, CO2通过率设为90%.胺基溶液再生利用水泥自有电厂或邻近燃煤电厂提供中低压蒸汽, 电厂在高负载下运行, 保证净输出电量不变(高捕集率情景假定电厂可以满足电力与蒸汽需求).规模化CO2运输采用超临界CO2管道.5级压缩机将气态CO2压缩至超临界状态; 1级增压泵将CO2的压力增至指定管道入口压力(12~15 MPa).CCUS系统(主要是捕集压缩环节)排放的CO2要全部捕集, 以实现CO2净捕集.CO2地质利用与封存技术方案采用CO2-EWR技术及CO2-EWR与CO2-EOR结合技术[38, 39].大规模CO2注入选用多注入井和多生产井(压力控制井)方案, 井场布置选用五点法, 现场具体条件根据次盆地尺度的场地表征数据确定.为了保证水泥和CCUS项目平稳运行, CO2捕集系统采用较高的容量因子.CO2-EOR成本要计算增采原油出售的收入, 全流程CCUS成本不考虑包含特殊价格、补贴和特别财税政策等支持性政策.
1.2.2 成本评估方法基于现有数据水平和项目阶段, 全流程CCUS技术经济模型采用预算模型结合经验模型.CCUS各环节成本包括投资成本(CAPEX)和运行维护成本(O & M)[40~42], 捕集的CAPEX包括CO2吸收器和汽提塔、风机、水泵和管道系统等, O & M主要是原料与能源损耗, 包括胺溶剂、煤、电和水等.压缩CAPEX为CO2压缩机、增压泵和辅助设施, O & M主要为电力消耗.管道CAPEX包括管材、管道防腐与保温、线路截断阀室、增压站和土建安装等, O & M是日常维护(人工费用)等.全流程CCUS各环节技术经济参数[21, 22]较多, 本研究设定的关键技术参数见图 1, 关键经济参数见表 1, 这些参数对成本的影响较大.
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表 1 全流程CCUS的关键经济参数 Table 1 Key economic parameters of the full-chain CCUS |
源汇匹配生成的全流程CCUS成本曲线以平准化成本LC(元·t-1)和平准化净减排成本(平准化避免成本)LAC(元·t-1)为主.平准化成本LC的计算方法为:
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式中, QCO2为年CO2利用封存量(t·a-1), CAPEXannual、CAPEX和O&M分别为各环节的年化投资成本(元·a-1)、投资成本(元)和运维成本(元·a-1), 下标c、p和u&s分别为捕集与压缩、运输和利用封存环节. crf为年资本回收系数, r为折现率, n为全流程CCUS项目的运行时间(a).
平准化净减排成本LAC的计算方法为:
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(3) |
式中, LCOC为水泥平准化价格(元·t-1), EF为CO2排放因子(t·t-1); current和retrofit分别为水泥开展CCUS前和后, LACOC为水泥开展CCUS后的平准化额外增加成本(元·t-1), 计算如下:
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(4) |
式中, Cele为电厂内部发电成本[元·(MW·h)-1], HrsCCUS为CCUS运行小时数(h), cp为企业的产能(t), ec为生产效率; PCCUS为全流程CCUS系统产生的能量损失包括系统耗电量和溶剂再生的等效电负荷(MW); 捕集系统热负荷通过性能系数(COP)转换为等效电荷[43].
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(5) |
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(7) |
式中, Pcap为全流程CCUS系统的用电量(MW), Preb为捕集系统溶剂再生的等效电荷(MW), mCO2, cap为捕集系统的流量(t·h-1), eaux、ecomp、epipe和eu&s分别为捕集、压缩、管道运输和地质利用封存的用电量(kW·h·t-1); ergn为胺基吸收剂的再生能量(GJ·t-1).
1.3 水泥企业评估方法水泥企业评估包括碳排放量评估和企业开展CCUS技术的适用性评估.
1.3.1 碳排放量评估现有水泥企业基本采用干法旋转窑工艺, 碳排放来自化石燃料燃烧(40%)、熟料生产过程排放(碳酸盐分解, 50%)和电力消耗(煤电, 10%).熟料生产过程排放的CO2最多, 依据生产过程中燃料种类不同, 碳排放因子为0.8~1.0 t·t-1; 间接排放的煤电碳排放因子为0.46 t·(MW·h)-1; 水泥的碳排放因子为0.61~0.92 t·t-1[1, 44].而且水泥生产的碳排放还依赖于熟料/水泥比, 该比值变动范围为0.5~0.95[1, 44~45].
收集的水泥数据包含企业名称、位置、运行时间、类型、产能或产量.其中类型是产品类型, 分为水泥、熟料和搅拌料, 对应的CO2排放因子分别取0.62、0.87和0.15 t·t-1.水泥的CO2排放量采用产品的产量或产能与排放因子的乘积计算, 详见公式(8).
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(8) |
式中, ECO2为水泥行业年CO2排放量, (ECO2)i为评估的第i个水泥企业的年CO2排放量, EFi为第i个企业产品的CO2排放因子, Pi为第i个企业产品的产能或实际产量, M是企业的数量.
1.3.2 企业适用性评估CCUS在水泥企业的适用性评估目前还没有明确统一的标准, 本次评估假定水泥企业必须满足两个指标: 运行时间在2005年以后(包括2005年), 排放量大于等于0.1 Mt·a-1.
水泥数据主要收集于国际水泥协会、学术期刊、中国科学院的数据库和行业协会报告等; 场地适宜性评价的数据主要来源于中国科学院的数据库; 模型的技术经济参数主要参考石油行业的勘探、钻井、采油和管道等工程, 并对关键参数向相关企业和设计单位的专家进行咨询.
1.4 情景设置水泥企业全流程CCUS技术经济评价按照匹配距离、CO2捕集率、CO2地质利用与封存技术和技术水平设置为10个情景, 分别为: 250km85%EWR、250km85%EOR&EWR、250km50%EWR、250km50%EOR&EWR、800km85%EWR、800km85%EOR&EWR、250km85%EWR(2030)、250km85%EOR&EWR(2030)、250km50%EWR(2030)和250km50%EOR&EWR(2030).
(1) 250 km和800 km为源汇最大匹配距离CO2运输管道不需要增压站的最大输运距离是250 km, 对应商业化初期单独工程运作的情景; 800 km为源汇输运成本与捕集成本相当的距离(2~3个增压站), 是企业(点对点CCUS工程)可接受的成本上限.当CCUS商业化后, 通过CCUS集群优化形成多源多汇的源汇匹配模式, 远距离管道运输成本可以大幅度降低, 同时输运距离不受800 km限制.
(2) 85%和50%为净捕集率85%净捕集率为当前技术水平下企业捕集率最经济的情景, 捕集范围包含熟料、燃烧、自有电厂和CCUS排放的CO2, CO2通过率为90%, 未来可以进一步提高; 50%净捕集率的捕集范围为熟料生产和CCUS排放的CO2.
(3) EWR为单独CO2-EWR技术, EOR&EWR为CO2-EOR与CO2-EWR结合技术.由于CO2-EOR封存容量有限, 水泥企业很难获得CO2-EOR收益, 而分析CO2-EOR是为了给出水泥CCUS减排成本的下限.
(4) 2030为技术进步后的技术水平, 其余未标注的为当前技术水平.
2 结果与分析 2.1 水泥企业源汇匹配本次收集的水泥企业2970个, 具有数量多、规模小和分布分散等特点.水泥企业分布和各省CO2排放量如图 2(a)所示, CO2排放量较大的省份包括安徽省、山东省、河南省、广东省和河北省等.企业CCUS适用性评估筛掉了排放量小和建厂早的老旧小企业[图 2(b)], 60%的企业(1793个)满足适用性指标, 累计CO2排放量为9.93亿t, 其中单一企业排放量低于1Mt·a-1的占89%.将水泥企业投影在CO2-EWR和油田的场地适宜性评估上[图 2(b)], 在250 km和800 km的匹配距离, 适用性评估后的水泥企业源汇匹配成功的比例分别为74%和98%, 10个情景评估的CO2为735.4~982.1 Mt·a-1.
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底图基于审图号GS(2019)1823号制作; (b)中收集的全部企业图层被适用性评估图层覆盖了, 适用性评估图层被源汇匹配评估图层覆盖了; 源汇匹配评估为250 km距离匹配后的水泥企业 图 2 我国水泥企业源汇匹配 Fig. 2 Source-sink matching of cement enterprises in China |
分别对10个情景进行源汇匹配和技术经济评估, 得到大规模全流程CCUS平准化成本曲线[图 3(a)]和平准化净减排成本曲线[图 3(b)].以250km85%EWR情景作为基准情景, 74%的企业(1330个)可以找到适宜的地质利用与封存场地, CO2排放量为735.38 Mt·a-1, 平准化成本LC范围为290~1 838元·t-1, 累计减排量为625.07 Mt·a-1.基准情景的成本与减排量关系详见表 2, 其中77%减排率(即减排量与排放量的比例)的LC低于600元·t-1, 可累计减排564.32Mt·a-1; 27%减排率的LC低于400元·t-1, 可减排199.63 Mt·a-1, 此部分企业具有开展规模化CCUS示范项目的早期机会.LC高于600元·t-1的企业处于成本曲线的末端(成本急剧升高), 平准化成本较高的原因是运输距离较长或CO2排放量较低(企业规模小或产品以搅拌料为主), 这部分企业数量占匹配数量的39%, 但减排率只占8%, 不具备单独开展规模化CCUS的条件.基准情景的平准化净减排成本LAC范围是384~2 430元·t-1, 相同CO2减排量LAC的均值比LC高32%左右.
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图 3 水泥全流程CCUS成本曲线 Fig. 3 Cost curve of the full-chain CCUS in cement enterprises |
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表 2 基准情景平准化成本分段分析 Table 2 Segmentation analysis of levelized cost in the scenario of 250km85%EWR |
在250km85%EOR&EWR情景, LC范围是-486~2 239元·t-1, 累计CO2减排量643.49 Mt·a-1, 减排量比基准情景多3%.LC低于400元·t-1的减排量为247.33 Mt·a-1, 减排率为33%, LC均值为267元·t-1, 比基准情景的均值低27%; LC低于500元·t-1的减排率为68%, 与基准情景相同, 但LC均值还是低于基准情景.由于油田封存容量有限, 随着减排量的增加, CO2-EWR技术逐渐占主导位置, 减排成本和减排率逐渐和基准情景相近.匹配距离扩大至800 km(800km85%EWR和800km85%EOR&EWR情景), 98%的水泥企业源汇匹配成功, 85%捕集率累计减排CO2 833.75 Mt·a-1, 比基准情景的减排量多33%, 成本曲线的变化趋势与前两个情景相同.那些在基准情景中难以匹配的企业, 管道运输距离超过250 km, 需要增压泵站, 运输成本增高.在250km50%EWR情景, LC范围是349~4 256元·t-1, 累计减排CO2 368.08Mt·a-1.由于捕集量减少, 与基准情景相比规模效应明显, 同一企业的平准化成本增加20% ~30%(不包含曲线末端部分).250km85%EWR(2030)情景与基准情景相比, LC降低9% ~15%(不包含曲线末端部分).在技术进步的其它情景也有相同的成本降低率.
图 4是水泥企业开展全流程CCUS额外增加的成本曲线.在基准情景, LACOC为95~1 468元·t-1水泥.在累计产能低于1 500Mt·a-1时, LACOC均值为319元·t-1水泥.由于收集的企业产能可能不准确, 因此水泥CCUS的额外增加成本与实际情况存在一定的偏差.
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图 4 水泥全流程CCUS额外增加成本曲线 Fig. 4 Levelized additional cost curve of the full-chain CCUS in cement enterprises |
图 5为水泥全流程CCUS在基准情景250km85%EWR的项目分布情况.平准化成本LC较低的水泥厂主要分布于准噶尔、渤海湾、鄂尔多斯、松辽和北江苏等盆地及附近, 以上盆地的水泥厂数量多, CO2排放量大, 源汇匹配条件较好.减排率≥60%的地区主要为新疆(81%)、山西(74%)、内蒙古(74%)、陕西(71%)、河南(71%)、湖北(70%)和宁夏(63%)等(见图 6).四川和重庆地区的减排率也很高, 但四川盆地咸水层封存场地适宜性不高, 不适合开展早期示范工程.四川盆地的天然气田较多, CCUS可以考虑气田封存.减排率高且CCS平准化成本较低的地区包括新疆、内蒙古、宁夏、河南和河北等, 这些地区开展全流程CO2-EWR示范项目的机会较大.
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底图基于审图号GS(2019)1823号制作; 平准化成本为基准情景250km85%EWR的结果 图 5 水泥全流程CO2-EWR的成本分布 Fig. 5 Cost distribution of the full-chain CO2-EWR in cement enterprises |
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减排量和平准化成本为基准情景250km85%EWR结果, 排放量为总排放量; 纵次坐标为各省CO2-EWR的平均平准化成本 图 6 全流程CO2-EWR在各省(市、自治区)的减排效果 Fig. 6 Emission reduction effect of the full-chain CO2-EWR in each province |
本研究可为水泥行业/企业的低碳可持续发展提供定量参考, 但预/可行性研究尺度评估还存在诸多假设和局限.研究假定水泥企业捕集所需要的热量和电力由自有电厂或邻近的燃煤电厂提供, 捕集系统不需要新建电厂, 而实际上水泥企业自身或附近不一定有火电厂, 因此本研究部分企业的捕集成本偏低.研究还假定水泥企业的工艺和尾气特征一致, 实际上各个企业的工艺和尾气特征都有区别, 因此本研究对CO2排放量的评估具有偏差.现阶段收集的场地适宜性评价数据为陆上盆地区域尺度的代表性数据, CCUS只考虑了咸水层封存和CO2-EOR技术, 技术经济数据来自CCS示范工程、工程定额和专家咨询等, 因此源汇匹配、CCUS减排潜力和成本结果与实际工程存在一定差异.未来CCUS技术创新、CCUS集群效应、与离岸地质封存的成本大幅度降低后, 本研究需要进行大幅度的更新.
3.2 水泥行业开展CCUS建议(1) 水泥行业部署CCUS的顺序可以为: 优先发展CO2-EOR地质利用技术或CO2-EOR&CO2-EWR结合技术的早期示范, 再发展规模化CO2-EWR项目, 最后根据管网集中捕集CO2, 与煤电、钢铁和化工等形成CCUS集群.我国南部、沿海及距离陆上盆地较远的水泥企业可以考虑离岸地质封存、远洋碳运输或碳贸易来解决CO2减排问题.
(2) 随着CCUS技术进步、CCUS集群、行业间协同与CCUS支持环境的建立, 水泥将与煤电和新能源等行业共同开展CCUS, 其技术经济性会明显改善.预计2035年和2050年, CCUS的捕集成本将会下降30%和50%以上[38].另外随着负排放技术的发展, 如生物质技术、生物质结合CCS技术和空气直接捕集结合CCS技术, 未来水泥行业可通过CCUS与负排放技术实现碳中和.
4 结论(1) 本研究结果可为水泥行业碳中和路线规划提供CCUS成本曲线或供给曲线; 可为水泥CCUS示范项目的预/可行性研究提供基础, 同时也为水泥行业/企业的低碳可持续发展提供定量参考.
(2) 根据当前的水泥行业特点和技术水平, 250 km匹配距离内我国44%的水泥企业可以利用陆上CO2地质利用与封存技术完成碳减排, 累计年碳减排量为6.25亿t(85%捕集率).匹配距离扩大至800 km, 约59%的水泥企业可以实现全国范围的匹配优化, 累计年碳减排量为8.33亿t, 更适合水泥规模化CCUS的整体规划部署.
(3) 当前技术水平下, 水泥大规模全流程CO2-EWR技术的平准化成本为290~1 838元·t-1, 低成本项目具有早期示范机会.如果考虑CO2-EOR&CO2-EWR结合技术, 平准化成本的均值比单独CO2-EWR低27%.但由于油田封存容量有限, CO2-EWR技术在大规模减排中占主导位置.技术进步至2030年情景, 平准化成本将降低9%~15%.
(4) 早期开展水泥全流程CO2-EWR项目潜力较大的地区包括新疆、内蒙古、宁夏、河南和河北等(鄂尔多斯、准噶尔、渤海湾和松辽等盆地).规模较小或是产品以搅拌料为主的单个水泥企业CCUS成本很高, 不具备单独开展规模化CCUS的条件, 可发展共享基础设施(管道等)和CCUS集群, 降低CCUS成本.
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