何慶陽，劉強，于航，郭雪飛，徐長樸

中海油研究總院有限責(zé)任公司

0 引言

CCS（碳捕集與封存）是將原本排放至大氣中的CO2通過人工捕集埋存的方式實現(xiàn)碳減排的工業(yè)過程，被認(rèn)為是應(yīng)對全球氣候變化、減少溫室氣體排放的重要技術(shù)之一［1］。IEA（國際能源署）指出，若要實現(xiàn)將21世紀(jì)末全球溫升較前工業(yè)化時期控制在2 ℃以內(nèi)的目標(biāo)，則需要依靠CCS技術(shù)實現(xiàn)14%的碳減排量［2］。同時，對中國而言，CCS是實現(xiàn)化石能源大規(guī)?？沙掷m(xù)低碳利用的關(guān)鍵技術(shù)，是中國“碳中和”技術(shù)體系不可或缺的重要組成部分［3］。

CCS全流程過程包括捕集、壓縮、運輸及注入4個典型單元［4］，其中捕集單元可采用胺法、低溫精餾法、膜分離法及變壓吸附法等［5］；壓縮單元采用多級壓縮機，并在級間設(shè)置冷卻系統(tǒng)，驅(qū)動方式分電力或蒸汽驅(qū)動［6］；對于陸上CO2運輸常采用管道輸送或槽車，對于海上CO2運輸則可選擇海管輸送或船運［7-8］；注入單元視CO2運輸相態(tài)可采用泵注或壓縮機注入。

CCS技術(shù)屬于典型的流程工業(yè)過程，運行中需要電力、熱力等能源供給，因此其自身產(chǎn)生的碳排放也應(yīng)予以考慮并在封存總量中予以扣除［9］。目前的碳排放研究多集中在國家已經(jīng)發(fā)布的24個工業(yè)領(lǐng)域，而針對CCS項目的碳減排評估方法的研究則較為少見，對CCS自身過程的碳排放還未引起足夠重視。曲宏亮［10］開展了脫碳型煉油廠全流程碳排放分析及減排策略，發(fā)現(xiàn)FCC（催化裂化）裝置在全廠碳排放占比最大，提出通過增加使用綠電和低碳燃料來減少碳排放的路徑；姬存民等［11］研究了天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝的碳排放，針對3種制氫工藝給出了碳排放計算模型，得出高效催化劑的開發(fā)和提高變壓吸附法分離效率是降低碳排放的有效途徑；楊杰等［12］參照《食品、煙草及酒、飲料和精制茶企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》提出了食用油精加工廠的碳排放核算方法，并以500 t/d食用油精煉裝置為例驗證了該核算方法的可操作性。

本文在充分參考已有核算指南和工業(yè)項目碳排放計算方法的基礎(chǔ)上，提出適用于CCS全流程碳減排的評估邊界及評估方法，分別從碳排放類型及裝置操作單元兩個維度對CCS全流程碳排放特點進行分析，以期為CCS新建項目開展碳減排評估分析、優(yōu)化方案設(shè)計提供參考。

1 評估邊界及評估方法

1.1 評估邊界

CCS項目全流程評估邊界從煙氣風(fēng)機開始至地下儲層為止，包括捕集、壓縮、運輸及注入等主要工藝環(huán)節(jié)，此外還涉及廢液處理及其他公共輔助設(shè)施（循環(huán)冷卻水、壓縮空氣等），評估范圍及邊界見圖1。

圖1 CCS項目碳評估范圍及邊界

1.2 評估方法

目前，工業(yè)項目碳排放評估方法主要參照國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的24個行業(yè)碳排放核算方法與報告指南，本文主要參考其中的《中國石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》［13］（簡稱《指南》），CCS項目碳排放涉及的化石燃料燃燒CO2排放、外購電力和熱力隱含的CO2排放以及CO2回收利用完全符合《指南》的適用范疇；而捕集、運輸及注入過程的CO2逸散排放由于目前并無可用的計算模型，本文做簡化處理，將《指南》中的CH4逸散替換為CO2逸散，并將捕集過程逸散排放歸類到處理業(yè)務(wù)中，將運輸過程逸散排放歸類到儲運業(yè)務(wù)中，將注入過程逸散排放歸類到開采業(yè)務(wù)中（視注入過程為開采的逆過程）；對于處理過程的碳排放可歸類到《指南》中處理過程工藝放空排放，并需要依據(jù)物料平衡計算獲得。針對CCS過程中涉及的地層泄漏排放在《指南》中并未涉及，同時，考慮項目封存選區(qū)及注采方案設(shè)計過程已充分考慮防止CO2泄漏措施，且地層泄漏涉及大的時間尺度范圍，短時間內(nèi)對地表影響很小，僅適合全生命周期評估時考慮［14-15］，因此這部分排放忽略不計。

2 碳評估模型

2.1 CCS全過程減排量

CCS全過程減排量應(yīng)等于評估邊界內(nèi)地質(zhì)封存量與加工過程排放量的差值，其中加工過程排放量包括化石燃料燃燒排放、外購電力隱含排放、外購熱力隱含排放、處理過程排放及CO2逸散排放。具體計算公式如下：

式中：EJP——CCS全過程CO2減排量，tCO2；EFC——CO2地質(zhì)封存量，tCO2；ERS——化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放，tCO2；EDL——企業(yè)購入電力隱含的CO2排放，tCO2；ERL——企業(yè)購入熱力隱含的CO2排放，tCO2；EGC——捕集、壓縮、脫水等處理過程產(chǎn)生的放空氣體及排放廢液CO2排放，tCO2；EYS——設(shè)備、管道、閥門等CO2逸散排放，tCO2。

2.2 分步評估

2.2.1 化石燃料燃燒排放

式中：ADj——第j種化石燃料消耗量，t（固體、液體）、104m3（氣體）；CCj——對應(yīng)第j種化石燃料的含碳量，t碳/t燃料（固體、液體）、t碳/104m3（氣體）；OFj——對應(yīng)第j種化石燃料燃燒時燃料的氧化率，取值0 ～ 100%，氣體燃料取99%［13］、液體燃料取98%［13］、固體燃料視種類不同而異。

2.2.2 外購電力和外購熱力隱含CO2排放

式中：ADDL——企業(yè)購入的電力消費量，MW·h；ADRL——企業(yè)購入的熱力消費量，GJ；EFDL——電力供應(yīng)的CO2排放因子，tCO2/（MW·h），可采用CCS項目所在場地所屬區(qū)域電網(wǎng)最新發(fā)布的平均排放因子，或采用2022年度全國電網(wǎng)平均排放因子0.570 3 tCO2/（MW·h）；EFRL——熱力供應(yīng)的CO2排放因子，tCO2/GJ，應(yīng)優(yōu)先采用供熱單位提供的CO2排放因子，如不能提供可按0.11 tCO2/GJ［13］計。

2.2.3 處理過程排放

處理過程CO2排放根據(jù)評估范圍涉及的工藝流程進行物料衡算得到，包括工藝放空和廢液處理排放至環(huán)境當(dāng)中的CO2。

2.2.4 CO2逸散排放

CO2逸散排放為CO2捕集、運輸和注入3個環(huán)節(jié)逸散排放量之和，主要發(fā)生在法蘭、閥門及轉(zhuǎn)動設(shè)備等連接處，目前工業(yè)裝置的CO2逸散量無論在測量技術(shù)還是預(yù)測模型上均沒有很好的解決方案。雖然CO2相較于CH4分子量大，減弱了其逸散能力，但是由于CCS過程中CO2處于超臨界狀態(tài)，增加了滲透能力，且超臨界CO2對密封材料的溶解能力強，也增加了其向環(huán)境的逸散能力，這些抵消了分子量增大帶來的影響。因此，參考《指南》中的CH4逸散公式，CO2逸散排放計算公式如下：

式中：EBJ——捕集過程逸散排放，tCO2；ESS——輸送過程逸散排放，tCO2；EZR——注入過程逸散排放，tCO2；Qgas——處理氣量，取捕集單元解吸塔頂氣量，108m3；EFBJ——CO2逃逸排放因子，tCO2/108m3，取值110.94 tCO2/108m3；NSS,k——第k個CO2輸送設(shè)施（包括增壓站、計量站、管道逆止閥等）的數(shù)量，個；EFSS,k——第k個CO2輸送設(shè)施的CO2逃逸排放因子，tCO2/（a·個），對增壓站取值311.85 tCO2/（a·個），對計量站取值115.50 tCO2/（a·個），對管道逆止閥取值3.12 tCO2/（a·個）；NZR,q——第q個涉及到泄漏的CO2注入設(shè)施類型數(shù)量，個；EFZR,q——每種設(shè)施類型q的CO2逃逸排放因子，tCO2/（a·個），對注入井口取值9.17 tCO2/（a·個），對注入設(shè)施取值102.30 tCO2/（a·個），對計量站取值31.06 tCO2/（a·個），對儲氣（液）站取值214.02 tCO2/（a·個）。

2.2.5 地質(zhì)封存量

地質(zhì)封存量的計算采用質(zhì)量守恒原理，即地質(zhì)封存量為進入評估邊界的CO2質(zhì)量與流出邊界的CO2質(zhì)量差，其計算公式如下：

式中：EYQ——進入評估邊界的煙氣中所含的CO2氣體質(zhì)量，tCO2。

3 案例分析

3.1 FCC煙氣CCS項目評估概況及評估邊界

以石油化工行業(yè)中FCC裝置產(chǎn)生的煙氣為碳源，采用DEA（二乙醇胺）胺法捕集、TEG（三甘醇）脫水、多級離心式壓縮、超臨界管道輸送并注入的方式，利用成熟的石油化工工藝流程模擬軟件HYSYS進行模型搭建及物料衡算，按照前文公式，計算CO2注入規(guī)模為20×104tCO2/a的CCS全流程碳排放。工藝流程見圖2。

圖2 CCS全流程示意

FCC反應(yīng)器出口煙氣首先經(jīng)過煙機入口分水罐脫出水分，然后由煙氣風(fēng)機增壓至210 kPa后進入預(yù)處理塔，以洗滌煙氣中的顆粒物、硫化物以及含氮化合物，洗滌后的煙氣進入DEA吸收塔，吸收其中CO2組分，凈化后的煙氣排至大氣，吸收CO2后的DEA富液依次進入閃蒸罐、貧富液換熱器，回收貧液熱量，然后進入胺液解吸塔完成胺液再生，并于塔頂釋放捕集的CO2氣體，捕集后的CO2氣體經(jīng)三級壓縮升壓至3 100 kPa，然后進入TEG脫水單元，將水體積濃度降至0.01%以下，然后再經(jīng)過兩級壓縮升壓至20 000 kPa，最后經(jīng)長輸管道輸送至封存地點進行注入封存，注入壓力為18 000 kPa。流程中的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)［16-17］

FCC煙氣CCS評估邊界從煙氣風(fēng)機開始，至CO2地質(zhì)封存場地為止，其消耗的電力和熱力均采用外購方式，評估范圍內(nèi)不設(shè)自備電廠及產(chǎn)熱裝置。對于風(fēng)機、壓縮機可采用電力驅(qū)動。由于本工藝流程中CO2在運輸和注入之前即提升至所需壓力，因此在這兩個單元內(nèi)不涉及能源消耗。經(jīng)分析，本評估項目碳排放不涉及化石燃料燃燒排放，僅涉及外購電力、外購熱力、處理工程以及逸散排放。具體的評估邊界及涉及的排放類型見圖3。

圖3 FCC煙氣CCS評估邊界

3.2 碳排放計算

3.2.1 外購電力碳排放量

外購電力主要用于評估范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動設(shè)備的電機供能。通過模擬計算得到每臺耗電設(shè)備的電功率，按照年操作時間8 000 h，電網(wǎng)平均排放因子取值0.570 3 tCO2/（MW·h），得到評估范圍內(nèi)外購電力碳排放計算結(jié)果，具體見表2。

“正直，”他瞪大眼睛一邊揉著大腿說，“對公牛般神氣的財神爺來說是一塊紅布，換句話說，正直是窮人的遮羞布?！保?014：431）

表2 外購電力碳排放量計算結(jié)果

3.2.2 外購熱力碳排放量

外購熱力主要用于評估范圍內(nèi)加熱設(shè)備的熱能供應(yīng)。通過模擬計算得到每臺耗熱設(shè)備的功率，按照年操作時間8 000 h，熱力排放因子取值0.11 tCO2/GJ，得到評估范圍內(nèi)外購熱力年碳排放計算結(jié)果，具體見表3。

表3 外購熱力碳排放量計算結(jié)果

3.2.3 處理過程碳排放量及地質(zhì)封存量

項目處理過程碳排放量及地質(zhì)封存量通過CO2物流平衡分析獲得，具體數(shù)值見表4。

表4 處理過程碳排放量及地質(zhì)封存量計算結(jié)果

3.2.4 逸散碳排放量

本項目CO2逸散采用因子法，其因子取值是由CH4逸散因子轉(zhuǎn)化而來，具體計算結(jié)果見表5。

表5 逸散碳排放量計算結(jié)果

3.3 碳排放結(jié)果及減排策略

表6 FCC煙氣CCS全流程碳排放評估結(jié)果 單位：tCO2/a

圖4 FCC煙氣CCS評估各操作單元排放占比

以地質(zhì)封存量為基準(zhǔn)，不同排放源排放量及凈減排量占比情況見圖5。由圖5可以看出，凈減排量占地質(zhì)封存量的41.35%；在各排放源中外購熱力排放占比最大，達到了41.57%，其次為外購電力排放，占比12.46%，處理過程碳排放占比4.11%，占比最小的為逸散排放，為0.52%。

圖5 FCC煙氣CCS評估各排放類型占比

以上數(shù)據(jù)表明CCS項目的碳減排能力還有較大提升空間，減排策略建議如下：

1）CCS項目應(yīng)盡可能選擇高濃度的碳源為捕集封存對象，以有效降低捕集再生能耗。本項目捕集再生能耗為3.55 GJ/tCO2，而針對煤化工行業(yè)中的高、中濃度碳源，其捕集再生能耗僅為0.7 ～ 2.5 GJ/t CO2［18］，若本項目捕集能耗降低至2.5 GJ/tCO2，則每年可增加減碳量2.5×104tCO2。

2）對于大規(guī)模CCS項目，建議壓縮機驅(qū)動方式采用蒸汽透平驅(qū)動，可有效降低壓縮單元碳排放量。以本項目為例，若采用蒸汽透平驅(qū)動，每年可增加減碳量0.65×104tCO2。

3）引入綠電作為項目運行能源，例如，本項目若采用20%的綠電，則每年可增加減碳量1.62×104tCO2。

4 結(jié)論及建議

本文以國家發(fā)布的相關(guān)行業(yè)溫室氣體排放核算指南為基礎(chǔ)，提出全流程CCS新建項目碳減排評估邊界及評估方法，并以FCC煙氣為碳源，對封存規(guī)模為20×104tCO2/a的CCS項目全流程進行了碳減排評估與分析，得出如下結(jié)論及建議。

1）CCS項目全流程碳減排評估宜按照處理流程劃分為捕集、壓縮、輸送及注入4個環(huán)節(jié)，并按照化石燃料燃燒排放、凈購電力隱含排放、凈購熱力隱含排放、處理過程排放以及逸散排放5種排放類型分別評估。

2）對以FCC煙氣為例的全流程CCS項目，其自身加工過程產(chǎn)生的碳排放占地質(zhì)封存量的58.7%，其中捕集單元的碳排放占比最高，達46.5%。

3）CCS項目實施地點應(yīng)就近排放源裝置，以減小煙氣風(fēng)機的輸送距離，從而減少碳排放。同時，因為CCS項目所需的熱源品位較低，可以充分回收排放裝置周邊低溫余熱為其供能，進而降低捕集再生過程的碳排放。

4）目前中國還未針對CCS項目出臺相關(guān)的核算指南或標(biāo)準(zhǔn)，如針對CO2的逸散排放，目前還未發(fā)布成熟的評估模型，建議加強后續(xù)研究。