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减排CO₂大势所趋躬身亲为解决刚需

文/胡月

地球温室效应导致了极端气候增加、全球降水量重新分配、环境变迁、海平面上升等问题,这不仅破坏自然生态系统的平衡,还威胁人类的生存。人为排放的二氧化碳(CO₂)对温室效应增强的“贡献”约为70%。2020年9月,在第七十五届联合国大会一般性辩论上中国正式提出将力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和的愿景。碳中和目标的提出从国家战略层面为我国应对气候变化工作明确了新的方向。CO₂捕集利用与封存(CCUS)技术是碳中和技术体系中的关键与托底保障技术。

碳捕集利用与封存(CCUS)指将二氧化碳从能源利用、工业生产等排放源或空气中捕集分离,并输送到适宜的场地加以利用或封存,最终实现二氧化碳减排的技术。在CO₂地质利用与封存(CGUS)领域(隶属于CCUS技术体系),中国科学院武汉岩土力学研究所魏宁研究员在为中国的CGUS技术执着探索,孜孜不倦。CGUS技术是一种新型岩土工程,利用工程手段进行大规模的CO₂捕集、运输,最后利用CO₂进行资源增采并被封存于适宜的地质体内,使其与大气长期与安全隔离的技术。CCUS技术具有规模大、成本较低、技术成熟度较高与传统化石能源结构相融等特点,可将CO₂资源化,能产生资源和环境双重效益;同时能够降低综合碳减排成本和减缓能源结构巨变带来的冲击。因此,一直是全球各国科学家与能源企业深入研究的对象和前沿技术。我国作为全球最大的化石能源(主要为煤炭)生产与消费国,并且化石能源为主的能源结构将在短期内难以改变,CO₂减排形势异常严峻。面临未来非常可能的全球碳约束和能源革命,经济、安全与规模化的实施CGUS技术是中国的重大技术需求。

卓越科学素养引领技术发展

魏宁说,CCUS技术在发达国家已有数十年的研究历史,从理论基础、技术研发与示范等多个方面对CCUS的主要技术环节开展了广泛深入的研究。当时,我国在这方面的研究工作刚刚起步。CCUS技术链条中的CO₂排放源按工业种类包含电力、钢铁、化工、水泥等行业;适宜场地按资源分类有油气田、深部咸水层、煤层、页岩气等含资源储层。CCUS技术体系中的众多基本技术要素已经存在于现有化工以及石油天然气、地矿等行业;而CCUS技术需要对现有技术要素进行对象创新、整合与性能提升。

2006年开始,魏宁系统研究我国CCUS技术发展的早期机遇和未来规模化与商业化的路径与策略。通过碳排放与资源禀赋调查和结合自主评估工具的定量分析,魏宁发现排放源方面,煤电、钢铁、水泥行业是主要的CO₂排放源,也是CO₂减排的主要对象;而现代煤化工、化工等企业具有部分高浓度甚至纯CO₂排放,将是低捕集成本的CO₂源。从封存潜力方面看,CO₂增采原油技术具有良好的经济效益,而咸水层封存的理论容量占到90%以上,是未来规模化与深度减排的主要方式。因此,从煤化工等高浓度CO₂排放源和油田利用与封存结合的早期机遇(以低于30美元每吨的成本实现年十亿吨CO₂的减排规模)到燃煤电厂、钢铁、水泥等一般浓度CO₂排放源结合CO₂咸水层封存的深度减排(以低于70美元每吨的成本实现每年数十亿吨量级的CO₂减排规模)将是中国CCUS技术和产业发展之路。新的CCUS技术可能技术更加成熟与成本更低,结合商业化策略可实现深度碳减排与低碳转型。

在CCUS技术上深厚的理论知识与丰富的实践经验,使魏宁在2010年作为主要技术支撑专家之一,协助了国内外多个CCS全流程项目,包含,中国首个10万吨/年规模的国家能源集团鄂尔多斯全流程CCS项目、华能150万吨全流程CCUS项目。这些项目已经或将通过整合不同领域的专家、打通了不同碳排放源与地质条件下开展CO₂捕集、运输与地质封存的全链条技术体系与协同优化体系。在其中已经形成了一系列技术突破,例如:陆相低渗地层内安全高效注入技术、场地筛选技术、CO₂封存过程与资源增采协同技术、安全监测与预警技术等,为规模化地质封存减排做好了技术储备。”

在CO₂地质封存之前需要挑选合适的封存场地,而在封存过程中和完成后,还需要长期的监测与评估工作,保障封存CO₂的安全。为此,魏宁建立了中国第一个针对CO₂地质封存的GIS数据库、CCUS系统评估方法(多精度多尺度评估方法)。并在基于数据库与系统评估方法(依据数据质量开展定性到定量不同程度的评估)对场地进行适宜性评价与筛选,该方法在我国大部分碳封存项目中得到了具体应用,评价方法与结果被科技部、国际能源署(IEA)、亚洲开发银行(ADB)、世界银行等权威机构采用和引用。

呕心沥血立功立言,不负初心与使命

《科学中国人》杂志社的记者曾经采访过魏老师的研究方向。魏宁说,从CCS技术到CCUS技术的研究更需要回答CGUS技术大面上的问题。主要是让更多的人正确认识CGUS的优势与劣势,提高CGUS的技术经济性与安全性,从而推动CO₂减排事业。“这种前沿性的技术深受国际政治、经济与社会环境的影响。做这种前沿性的科学与技术需要坚定的信念与执着追逐的精神,还需要敢于大胆冒险的勇气。未来要形成一个庞大的CO₂减排行业,更需要大家坚持不懈的努力,共同解决发展过程中的所有问题。”魏宁说,CGUS技术,从现在的研发与示范到未来大规模应用,需要一段比较长的时间。守清贫,坐冷板凳,坚持初心,这是魏宁形容自己的三个标签。魏宁说,就是这三个标签激励他在CGUS技术领域一步一步前行,不断探索。

在基础规律认识方面,魏宁开展了孔隙与岩心尺度上的试验装备与数值模拟工具开发工作;揭示了中国陆相砂岩中与美国相对均质砂岩具有显著不同的规律与参数。魏宁老师还设计与完成了通辽200吨规模的CO₂咸水层封存先导试验。针对CO₂地质封存需要大幅度降低成本(含有杂质可大幅度降低捕集成本),同时捕集后的CO₂含杂质(如:N₂和O₂),由此首次开展了含杂质(N₂和O₂)的通辽CO₂咸水层封存先导现场试验;试验过程中设计了一个小型的先导试验场地,是一个五脏俱全的小麻雀,通过先导试验研究含杂质CO₂封存过程的运移特点及其可能的影响。通过先导试验研究:含少量杂质(如:N₂和O₂)的CO₂进行咸水层封存在先导尺度上是技术可行的;另外杂质对于封存过程的影响非常显著,杂质O₂、N₂与CO₂导致气液中化学成分的分带化现象(色谱现象)与分布特点其中,其中导致了储层内重金属的迁移,影响非常显著。另外,在进行先导试验过程中,理解了中国特殊陆相地层的特点、开发了一套注入及监测的装置,为未来开展CGUS的示范奠定了理论基础和技术基础。

人字有两笔,有人说,一笔写执着,一笔写放下。在魏宁看来不然,他说,人字一笔写执着,另一笔写的是坚持。“在CGUS基础研究与技术研发方面,虽然研究小组填补了国内空白,一些领域形成特色并做到了世界顶尖水平,但这些技术距离CCGS为碳中和做出贡献还很远,技术创新和产业应用方面还需要加强。我会在这方面继续出力。”

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