苏北—南黄海盆地工业固定排放源CO2地质封存源汇匹配研究.pdf

作为最发达的省份之一，江苏省巨大的经济产值伴随着大量的 CO2排放，如何处置这部分 CO2成为减排的关键。CCUS作为减少化石能源发电和工业过程中CO2排放的关键技术以及实现碳中和的兜底技术，可大幅减少江苏省工业碳排放的同时，确保能源结构由煤炭为主体的化石能源消费向清洁能源过渡，对江苏省“双碳”目标实现具有重要意义。而如何科学地实现 CO2地质封存源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据，优化的源汇匹配模型是实现 CO2封存量最大化、减少封存成本、降低运输风险、保障CCUS 项目高效实施的理论基础。目前我国源汇匹配相关技术发展仍不成熟，满足不了集群化规模部署的紧迫需求。本研究以苏北南黄海盆地及江苏省为研究区，基于研究区 CO2地质封存背景及工业固定 CO2排放源特征，开展 CCUS 源汇匹配研究，构建区域源汇匹配模型，为江苏省 CCUS 集群部署方案提供理论支撑。1研究区 CO2地质封存背景1.1封存地质体苏北南黄海南部盆地是一个煤炭资源匮乏、含油气较差的盆地，深部咸水层是 CO2地质封存的主要地层。苏北南黄海盆地咸水层发育范围广，在盆地全域均有分布，咸水层 CO2总储量可达 5.211010t（朱前林等，2019）。此外，苏北盆地油气田虽然规模小且分布零散，但多为低渗透油藏，部分油田的开发也已经到了中晚期，比较适合开展CO2EOR 项目，也可作为主要地质碳汇。据已有研究表明苏北盆地油田埋存CO2的理论储存容量为1.51108t，有效储存容量为 0.08108t0.44108t（汪传胜等，2012）。1.2排放源本研究排放源主要以江苏省正在运行与新建的火电厂、钢铁厂、水泥厂、合成氨四类企业为研究对象。对上述排放源进行调查评价结果显示，江苏省目前拥有火电厂 169 个、钢铁厂 22 个、水泥厂 25 个、合成氨厂 11 个，共计 227 个。对上述各类排放源年排放量计算结果如表 1 所示。表 1 江苏各类排放源数量及年排放量（朱前林等，2019）排放源类型排放源数量CO2排放量（108t/年）占比火电厂1693.5960.04%钢铁厂221.6427.42%水泥厂250.599.90%合成氨厂110.162.64%合计2275.98100.00%地质论评 2023 年 69 卷 增刊 11292CCUS 源汇匹配方法2.1CO2排放源及封存汇的选取根据江苏省排放源统计结果，选取 CO2年排放量 200 万吨以上的排放源作为 CCUS 源汇匹配研究的捕集对象，其中火电厂 52 个、钢铁厂 30 个、水泥厂 9 个、合成氨厂 3 个，共计 94 个，年排放量为 5.3104万吨，占全部排放源年排放量的 88.6%。由于江苏省 CO2排放源分布密集，再对以上所选取得排放源按类型以最大半径 15 km 进行聚类，得到排放源聚类个数为 50。同时，在苏北南黄海盆地的封存汇按照凹陷进行划分，并假设每个凹陷仅有一个注入点，该点为面要素的形心，最后选出封存汇 15 个，其中深部咸水层 13 个，油气藏 2 个，CO2总储存容量达 267.93108t。2.2数学模型构建笔者等以运筹学中图与网络分析理论为基础，运用最小支撑树方法，对苏北南黄海盆地 CCUS网络规划模型进行了构建。建模假设：成本最低源汇先进行连接；允许一源多汇及多源单汇连接，但源源之间不能连接；封存汇必须满足 CCUS 规划期内的封存需求（假设为 30 年）。2.2.1目标函数以 CCUS 系统总成本最低为目标函数，即：11()mncapturetransportstorageijMinZCCC(1)式中：i第 i 个排放源；j第 j 个封存汇；m排放源的个数（m=50）；n封存汇的个数（n=15）。（1）CO2捕集成本：参考美国国家能源技术实验室（NETL）公布的工业来源报告，本次选取不同类型 CO2排放源的捕集成本为 64.35$/t、113.36$/t、114.51$/t、30.92$/t（杨文洁，2020），分别对应火电厂、钢铁厂、水泥厂和合成氨厂。由此可得捕集成本计算公式如下：11mncaptureijijijCX(2)式中：ij第i 个电厂的平均捕获成本，$/tCO2；Xij第i 个电厂到第j 个封存汇的二氧化碳运输量，t。（2）管道运输成本：主要包括管道建设成本和运营维护成本。参考 McClooum（2006）和美国电力研究协会提出的方法，平均管道建设成本有：1.130.3511351777mncaptureijijCLX(3)式中：L管道长度，即运输距离，km。（3）封存成本：CO2的地质封存成本与 CO2封存量和封存场地的类型有关，本研究在计算封存成本时，参考麻省理工学院（MIT）Heddle 提出的方法，得到深部咸水层和油藏封存成本系数分别为-12.21$/tCO2、2.93$/tCO2，最后得到封存成本计算公式如下：11mncaptureijijijCX(4)ij将 i 电厂的二氧化碳运到 j 封存汇的封存成本系数，$/t。将（2）、（3）、（4）式代入（1）式得：50151.130.3511(351777)ijijijijijijMinZXLXX(5)2.2.2约束条件根据建模假设得出管网规划目标函数的约束条件为：（1）排放源所有 CO2的捕集总量等于管道运输的总量，则：151ijijXa(6)ai第 i 个燃煤电厂 CO2捕集量。（2）管道运输到封存场地的 CO2的总量不能超过封存汇的封存能力，则：501ijjiXb(7)bj第 j 个封存汇的封存能力。（3）所有电厂中捕获的二氧化碳量不得超过所有潜在封存汇的总容量：501511ijijab(8)（4）非负约束：运输量是非负数：0ijX(9)3研究区 CCUS 源汇匹配结果3.1理论管网布局方案本研究采用 LINGO18.0 对模型求解，LINGO软件是运筹学中常用的优化软件，适合求解线性规划、非线性规划、物流运输等问题，具有强大的求解引擎。根据 LINGO 软件求解结果，目标函数为地质论评 2023 年 69 卷 增刊 113095.561010$，需要建设管道共计 9247 km。对计算结果进行整理归纳可以得出各运输线路、运输成本和运输总成本，用 ArcGIS 软件将其描绘在地图上，可以得到苏北南黄海盆地盆地尺度网络规划布局的理论方案，如图 1 所示。图 1苏北南黄海盆地源汇匹配理论方案3.2理论方案管网布局优化由于在建模时，假设碳排放源与碳封存汇直接连接，造成很大的资源浪费，运输线路还需进一步优化，本文引入节约里程法，对理论方案管网布局进行优化，同时考虑距离节约造成的成本降低和运量增加造成的成本上升，自动判定方案中的管道是否需要合并、如何合并，最终得到优化方案。通过优化，共节约里程 5616 km，较优化前减少 61%，优化后的管网布局如图 2 所示。4结论本研究基于研究区CO2封存地质背景及工业固定 CO2排放源特征，以 94 个固定源和 15 个封存汇为研究对象，开展区域 CCUS 源汇匹配研究，构建以CCUS系统总成本最低为目标函数的区域源汇匹配优化模型。结果表明：苏北南黄海盆地 CO2封存潜力巨大，其中以咸水层为主要封存场所，总封存容量可满足江苏省 94 个大型固定排放源 30 年的减排需求，实现减排 1.791010t；CCUS 减排成本较高，在源汇直接相连时，需建设管道长度为图 2苏北南黄海盆地源汇匹配优化方案9246 km，减排成本达 95.561010$；允许排放源相连，使用节约里程法对管网进行优化，可节省管道里程 5616 km，较优化前减少 61%。参考文献/References汪传胜,田蓉,季峻峰,孙蓓,张婷,胡高明.2012.苏北盆地油田封存二氧化碳潜力初探.高校地质学报,18(2):225231.杨文洁.2020.碳捕获使用与埋存（CCUS）技术路径的成本分析研究.导师：孙振清.天津科技大学经济管理系硕士学位论文：169.Zhu Qianlin,Wang Chuang,Fan Zhihan,Ma Jing,Chen Fu.2019.Optimalmatching between CO2sources in Jiangsu province and sinks inSubei-Southern South Yellow Sea basin，China.Greenhouse Gases:Science and Technology,9(1):95105.MO Hang,LIU Shiqi,SANG Shuxun:Matching of CO2geological sequestration source and sink for industrial fixedemission source in Subei-Southern Yellow Sea BasinKeywords：Subei-Southern Yellow Sea Basin;CO2geologicalstorage;source-sink matching model;carbon capture,utilization and storage