吳金焱 韓甲業(yè) 徐 鑫 趙迎春

(國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100029)

新疆是一個(gè)以高碳能源為主的資源依賴型省區(qū)，能源結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以煤炭為主，節(jié)能減排形勢(shì)非常嚴(yán)峻。今后一段時(shí)期內(nèi)，隨著新疆地區(qū)大型煤炭煤電煤化工基地建設(shè)工作的推進(jìn)，本地溫室氣體控排壓力必將與日俱增，做好相關(guān)減排技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃非常重要。碳捕集、利用和封存(CCUS)技術(shù)為新疆提供了一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘻厥覛怏w減排的技術(shù)選擇。

1 新疆的能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展

1.1 新疆的能源發(fā)展

1.1.1 能源資源

新疆能源資源豐富，煤炭、石油、天然氣、風(fēng)能、太陽(yáng)能等資源均位居全國(guó)前列，是國(guó)家大型油氣生產(chǎn)加工和儲(chǔ)備基地、大型煤炭煤電煤化工基地、大型風(fēng)電基地和國(guó)家能源資源陸上大通道。新疆煤炭預(yù)測(cè)儲(chǔ)量2.19萬(wàn)億t，占全國(guó)預(yù)測(cè)儲(chǔ)量的40%；石油預(yù)測(cè)資源量209.2億t，占全國(guó)石油總資源量的22%，占全國(guó)陸地石油總資源量的30%；天然氣預(yù)測(cè)資源量11萬(wàn)億m3，占全國(guó)氣資源總量的27%。截至2014年底，新疆累計(jì)查明煤炭資源儲(chǔ)量3809億t，居全國(guó)第2位；累計(jì)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量51.93億t，居全國(guó)第3位；天然氣累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量為20645.79億m3，居全國(guó)第2位。

1.1.2 能源消費(fèi)

煤炭是新疆的主體能源，在歷年一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重長(zhǎng)期介于56.1%～72.5%之間。新疆煤炭消費(fèi)主要集中在電力生產(chǎn)、煉焦和化工等行業(yè)。2015年，新疆地區(qū)煤炭消費(fèi)總量的96.24%被用于工業(yè)，而工業(yè)領(lǐng)域的煤炭消費(fèi)總量中，用于煉焦、煤化工和電力3個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的煤炭分別占26.55%、12.29%和37.14%，3個(gè)行業(yè)煤炭消費(fèi)量占工業(yè)領(lǐng)域煤炭消費(fèi)總量的75%以上。1978-2015年新疆能源消費(fèi)構(gòu)成情況見圖1。

圖1 1978-2015年新疆能源消費(fèi)構(gòu)成

1.2 新疆的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r

新疆經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)長(zhǎng)期依賴第二產(chǎn)業(yè)，特別是在2004-2014年期間第二產(chǎn)業(yè)在GDP中的比重長(zhǎng)期居于第1位，2015年雖有所下降，但依然是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。新疆的工業(yè)結(jié)構(gòu)以重化工業(yè)為主，石化基地、煤電煤化工基地是本地區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，也是高碳型產(chǎn)業(yè)，給本地的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)較大的壓力和約束。1978-2015年新疆三次產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中比例變化情況見圖2。

圖2 1978-2015年新疆三次產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中比例變化

2 新疆煤化工行業(yè)二氧化碳排放

工業(yè)在為新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要支撐的同時(shí)也貢獻(xiàn)了絕大部分的碳排放量。劉懷旭(2015)的計(jì)算結(jié)果表明：工業(yè)碳排放量比重由2000年的75.57%增長(zhǎng)到2012年的91.27%；煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源和金屬非金屬礦產(chǎn)資源的開采、加工和利用是新疆地區(qū)的重點(diǎn)碳排放行業(yè)。其中，化工原料及化學(xué)制品制造業(yè)在2000-2012年期間年均溫室氣體排放增長(zhǎng)率最高，達(dá)29.18%。新疆化工原料及化學(xué)制品制造業(yè)溫室氣體排放的增長(zhǎng)主要來(lái)自于煤化工行業(yè)。

“十一五”期間，新疆重點(diǎn)在準(zhǔn)東、伊犁、庫(kù)車、拜城等地發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)。在準(zhǔn)東、伊犁河谷重點(diǎn)發(fā)展煤制油、煤制烯烴等產(chǎn)業(yè)；在庫(kù)車、拜城重點(diǎn)發(fā)展煤焦化產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過(guò)“十二五”的發(fā)展，新疆煤化工產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，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(zhì)利用等特色現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)，焦化、電石、合成氨/尿素、甲醇等傳統(tǒng)煤化工上下游產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步完善。截至2015年底，新疆煤制天然氣產(chǎn)能13.75億Nm3/a、煤制乙二醇產(chǎn)能25萬(wàn)t/a、甲醇產(chǎn)能155萬(wàn)t/a、焦炭產(chǎn)能4000萬(wàn)t/a、電石產(chǎn)能550萬(wàn)t/a、燒堿產(chǎn)能300萬(wàn)t/a。到2020年，新疆煤化工行業(yè)的預(yù)期發(fā)展目標(biāo)包括：煤制天然氣產(chǎn)能達(dá)到100億Nm3/a、煤制油300萬(wàn)t/a、煤制烯烴188萬(wàn)t/a、煤制乙二醇105萬(wàn)t/a、煤制芳烴(PX)50萬(wàn)t/a、聚酯(PET)30萬(wàn)t/a、煤炭分質(zhì)綜合利用4000萬(wàn)t/a。

采用行業(yè)某種產(chǎn)品的年產(chǎn)量或產(chǎn)能和根據(jù)典型項(xiàng)目確定的排放因數(shù)的方法來(lái)初步測(cè)算新疆地區(qū)煤化工行業(yè)溫室氣體排放規(guī)模。從各類科技文獻(xiàn)中匯總的不同煤化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的CO2排放因數(shù)如表1所示。

表1 主要煤化工產(chǎn)品生產(chǎn)的CO2排放情況

基于上述估算方法初步測(cè)算，到2020年，新疆現(xiàn)代煤化工行業(yè)CO2排放規(guī)模將從2015年的1500萬(wàn)t/a左右的規(guī)模增長(zhǎng)至1.56～1.62億t/a，見表2。

表2新疆現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)CO2排放規(guī)模測(cè)算萬(wàn)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(jì)1463～149315600～16200

3 新疆CCUS的發(fā)展基礎(chǔ)

3.1 CCUS技術(shù)簡(jiǎn)介

碳捕集、利用和封存(CCUS)是一項(xiàng)具有大規(guī)模溫室氣體減排潛力的技術(shù)，是指將二氧化碳(CO2)從工業(yè)或其他排放源中分離出來(lái)，并運(yùn)輸?shù)教囟ǖ攸c(diǎn)加以利用或封存，以實(shí)現(xiàn)被捕集CO2與大氣的長(zhǎng)期隔離。國(guó)際上使用較多的說(shuō)法是碳捕集與封存(CCS)技術(shù)，在我國(guó)將CO2資源化利用也作為該技術(shù)系統(tǒng)的組成部分并稱為CCUS，二者并無(wú)本質(zhì)的差別。

3.2 新疆CCUS的發(fā)展基礎(chǔ)

3.2.1 新疆CCUS的發(fā)展有著重大的政策驅(qū)動(dòng)力

在國(guó)家層面，“十三五”期間擬在利用環(huán)節(jié)加強(qiáng)二氧化碳在石油開采、塑料制品、食品加工等領(lǐng)域的應(yīng)用；在化工、水泥、鋼鐵等行業(yè)實(shí)施碳捕集、利用與封存示范。《新疆維吾爾自治區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中也提出，“十三五”期間支持以二氧化碳驅(qū)油、驅(qū)水為重點(diǎn)的碳捕集、利用和封存試點(diǎn)示范項(xiàng)目。

同時(shí)，《新疆維吾爾自治區(qū)“十三五”控制溫室氣體排放工作實(shí)施方案》提出“到2020年單位地區(qū)生產(chǎn)總值二氧化碳排放強(qiáng)度比2015年下降12%，碳排放總量得到有效控制”的目標(biāo)。在溫室氣體排放預(yù)期會(huì)大幅增長(zhǎng)的情況下，CCUS 作為一項(xiàng)具有大規(guī)模溫室氣體減排潛力的技術(shù)，對(duì)新疆地區(qū)有著極大的吸引力。

3.2.2 新疆地區(qū)開展CCUS的源匯匹配較好

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

新疆的潛在封存場(chǎng)所主要為油氣盆地。截至目前，新疆地區(qū)已發(fā)現(xiàn)80多個(gè)油氣田，主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地和吐哈盆地。新疆油氣勘探開發(fā)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(gè)盆地內(nèi)。目前，已有研究機(jī)構(gòu)按照《全國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力評(píng)價(jià)與示范工程實(shí)施技術(shù)要求》分別對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地封存潛力進(jìn)行過(guò)評(píng)估，尚無(wú)對(duì)吐哈盆地封存潛力的評(píng)估。其中：準(zhǔn)噶爾盆地油藏地質(zhì)理論封存潛力巨大，為38.97億t；準(zhǔn)噶爾盆地各一級(jí)構(gòu)造中陸梁隆起與中央坳陷為較適宜區(qū)，山前斷褶帶為較不適宜區(qū)，東部隆起為較不適宜區(qū)，西部隆起與烏倫古坳陷為一般適宜區(qū)。D級(jí)推定潛力儲(chǔ)量為1040.6億t，其中：深部咸水層儲(chǔ)量最大，達(dá)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(chǔ)量為4.48億t，占總量的0.43%；油田儲(chǔ)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(lái)初步判斷，準(zhǔn)噶爾盆地較為適合開展CCUS，特別是CO2-EOR技術(shù)綜合適宜性評(píng)價(jià)程度為較適宜。

3.2.3新疆本地機(jī)構(gòu)在捕集、利用和封存各環(huán)節(jié)均開展了一些實(shí)驗(yàn)探索，積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)

在捕集環(huán)節(jié)，克拉瑪依石化公司甲醇廠已經(jīng)建成并試運(yùn)行了10萬(wàn)t/a二氧化碳捕集項(xiàng)目，對(duì)相關(guān)捕集技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。在利用與封存環(huán)節(jié)，中石油新疆油田自2012年以來(lái)在多個(gè)油井開展了CO2復(fù)合蒸汽吞吐技術(shù)改善稠油熱采開發(fā)效果的試驗(yàn)，在稠油油田增產(chǎn)及提高原油采收率方面積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。新疆是新中國(guó)成立后最早進(jìn)行石油開發(fā)的地區(qū)，現(xiàn)已建成了西部最大的油氣工程技術(shù)服務(wù)保障基地；新疆地區(qū)50多年的石油勘探工作中，針對(duì)新疆地區(qū)特點(diǎn)，建立和完善了石油地質(zhì)理論，形成了勘探技術(shù)系列，例如復(fù)雜地表、地質(zhì)條件地震勘探技術(shù)，大沙漠區(qū)地震勘探技術(shù)，山地地表勘探技術(shù)，碳酸鹽巖儲(chǔ)層識(shí)別和預(yù)測(cè)技術(shù)，超深井鉆井技術(shù)，欠平衡鉆井技術(shù)，水平井、大斜度井鉆井技術(shù)，儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)，成像測(cè)井技術(shù)，儲(chǔ)層改造技術(shù)，高壓氣層測(cè)試技術(shù)，復(fù)雜油氣藏描述技術(shù)等等，這些可為CO2-EOR的實(shí)施提供理論和技術(shù)支撐。另外，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)采用江蘇中科金龍股份公司的技術(shù)，利用二氧化碳制備全生物降解塑料，生產(chǎn)地膜用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為新疆地區(qū)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(yè)已經(jīng)開展了一定的跨行業(yè)合作的早期探索

敦華石油技術(shù)公司與克拉瑪依石化公司合作建成投產(chǎn)了10萬(wàn)t的捕集裝置，并為克拉瑪依油田開展稠油二氧化碳復(fù)合蒸汽吞吐、低孔低滲油藏驅(qū)替提供二氧化碳資源保證。另外，富蘊(yùn)廣匯新能源公司與新疆油田公司準(zhǔn)東采油廠接洽，推進(jìn)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(shù)發(fā)展路線淺析

結(jié)合能源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及本地其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況來(lái)看，新疆地區(qū)較為經(jīng)濟(jì)的一體化CCUS發(fā)展路線為：從煤化工工廠捕集高濃度CO2，并與油田增產(chǎn)(EOR)、生物降解材料生產(chǎn)、驅(qū)水(EWR)及可再生能源儲(chǔ)能等相結(jié)合。

4.1 CO2捕集+油田增產(chǎn)(EOR)路線

該技術(shù)路線是目前唯一得到工業(yè)化應(yīng)用并有經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)路線。準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)特別是準(zhǔn)東地區(qū)，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(xiàng)目，多為新建現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目，單個(gè)項(xiàng)目排放規(guī)模大，見表3，特別是煤制天然氣項(xiàng)目，單個(gè)項(xiàng)目二氧化碳排放規(guī)?；灸苓_(dá)到千萬(wàn)噸級(jí)，而且其尾氣中三分之二以上的CO2在生產(chǎn)工藝過(guò)程中已經(jīng)得到濃縮和富集，濃度比其他工業(yè)環(huán)節(jié)的高，一般都超過(guò)80%，見表4，易于捕集并能實(shí)現(xiàn)大量穩(wěn)定的供應(yīng)，技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單且成熟，捕集成本低于電廠，見表5；同時(shí)，準(zhǔn)東地區(qū)油氣生產(chǎn)較為密集，對(duì)CO2有著長(zhǎng)期、穩(wěn)定的需求。

表3 新建煤化工項(xiàng)目的排放規(guī)模

表4不同行業(yè)排放CO2濃度比較%

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

表5 國(guó)內(nèi)外部分CCS捕集成本一覽

4.2 CO2生產(chǎn)可生物降解塑料用于農(nóng)業(yè)地膜

新疆已成為全國(guó)農(nóng)田地膜覆蓋栽培面積最大、農(nóng)田地膜使用量最多的省區(qū)。農(nóng)田地膜的廣泛使用對(duì)促進(jìn)新疆農(nóng)業(yè)持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)定和增效發(fā)揮了顯著作用。然而，由于農(nóng)田地膜使用、回收不當(dāng)，造成越來(lái)越多的廢舊農(nóng)田地膜被留在土壤中，“白色污染”愈發(fā)嚴(yán)重。利用工業(yè)生產(chǎn)廢氣中的CO2來(lái)生產(chǎn)可生物降解塑料用于農(nóng)業(yè)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(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)模式。

4.3 CO2+驅(qū)水(EWR)路線

新疆位于內(nèi)陸地區(qū)，屬于極端干燥的大陸性氣候，常年氣候干燥，降水偏少，蒸發(fā)強(qiáng)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(wèn)題嚴(yán)重。例如，準(zhǔn)東煤電煤化工產(chǎn)業(yè)帶大部分區(qū)域位于吉木薩爾縣和奇臺(tái)縣北部荒漠戈壁地帶，屬于干旱荒漠地區(qū)，沒(méi)有地表水系分布，沒(méi)有常年地表徑流，水資源十分缺乏。而現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源極度依賴，有信息顯示：一個(gè)40億Nm3/a的煤制天然氣項(xiàng)目的耗水量為2690萬(wàn)t/a；一個(gè)60萬(wàn)t/a的煤制烯烴項(xiàng)目的耗水量為2700萬(wàn)t/a。這相當(dāng)于十幾萬(wàn)人口的水資源占有量或100多km2國(guó)土面積的水資源保有量。如果將捕集到的CO2用于強(qiáng)化采水，一方面能夠?qū)⒍趸即笠?guī)模安全穩(wěn)定地封存在深部咸水層中；另一方面，對(duì)于開采出的低礦化度咸水，可以利用儲(chǔ)層壓力進(jìn)行反滲透淡化處理，產(chǎn)生的淡水可以用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活飲用；對(duì)于高礦化度咸水或鹵水，利用其蘊(yùn)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(zhì)碳酸鎂或提取出鉀鹽、溴素等重要礦產(chǎn)資源。既能解決煤化工行業(yè)發(fā)展面臨的用水短缺問(wèn)題，還可以附加生產(chǎn)其他重要礦產(chǎn)資源，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4.4 CO2 +風(fēng)電等可再生能源儲(chǔ)能路線

利用CO2進(jìn)行可再生能源儲(chǔ)能是近些年來(lái)出現(xiàn)的一種CO2再利用的新途徑，國(guó)際上已經(jīng)有一些成功的實(shí)踐與示范。冰島的碳循環(huán)國(guó)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(fā)電電解水制氫，在催化劑的作用下，捕集到的CO2與氫氣發(fā)生反應(yīng)制得甲醇。甲醇可以作為運(yùn)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(chǎn)能力達(dá)到1300 t/a；2014年，可再生甲醇生產(chǎn)能力擴(kuò)展到4000 t/a。另外，德國(guó)Sunfire公司的Power-to-Gas(PtG)和Power-to-Liquid(PtL)技術(shù)，利用風(fēng)電與光伏電力作為能量來(lái)源，利用CO2和水制造氣體甲烷與各種液態(tài)燃料。該公司建設(shè)的小型示范項(xiàng)目可生產(chǎn)160 L/d名為“Blue Crude”的合成燃油，規(guī)模量產(chǎn)后可以達(dá)到1798 L/h的產(chǎn)能?！癇lue Crude”的燃油已經(jīng)通過(guò)奧迪公司檢測(cè)許可，可以供其A8轎車使用。國(guó)內(nèi)的浙江大學(xué)等機(jī)構(gòu)也在開展類似研究。

新疆風(fēng)能資源十分豐富，風(fēng)電已成為新疆電力工業(yè)的重要組成部分。近些年來(lái)，新疆的風(fēng)電裝機(jī)容量出現(xiàn)“井噴式”增長(zhǎng)，排名自全國(guó)第8躍升至第2。但是，由于風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)建設(shè)“步調(diào)不一”，加之當(dāng)?shù)靥厥獾碾娫唇Y(jié)構(gòu)以及受消納能力等因素影響，新疆“棄風(fēng)”現(xiàn)象較為嚴(yán)重。有資料顯示，2016年新疆的棄風(fēng)率高達(dá)38.37%。作為“一帶一路”輸電走廊戰(zhàn)略橋頭堡的新疆，受國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)總量快速增長(zhǎng)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)乏力和配套輸變電項(xiàng)目建設(shè)滯后等原因影響，風(fēng)電發(fā)展面臨前所未有的尷尬處境。

該條技術(shù)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(wǎng)難而“棄風(fēng)”等問(wèn)題提供一種新方案；同時(shí)，還能催生新的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

新疆地區(qū)煤化工項(xiàng)目聚集，單個(gè)項(xiàng)目CO2排規(guī)模巨大、濃度高，可以實(shí)現(xiàn)較低成本的捕集，且與重大封存點(diǎn)特別是油氣田等源匯匹配較好，具備開展大規(guī)模一體化工業(yè)應(yīng)用的顯著優(yōu)勢(shì)，區(qū)域內(nèi)大規(guī)模一體化CCUS項(xiàng)目的實(shí)施有望帶動(dòng)中國(guó)CCUS的早期商業(yè)化發(fā)展。