碳中和目标下碳捕集、利用和封存技术的计量检测需求及挑战

磨昕玥; 毕哲; 范晓辉; 蔡冬绿; 韦秋叶; 王红红; 赵鑫蕊

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0249

碳中和目标下碳捕集、利用和封存技术的计量检测需求及挑战

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0249

1.
广西壮族自治区计量检测研究院，南宁 530200
2.
中国计量科学研究院，北京 100029
3.
广西壮族自治区产品质量检验研究院，南宁 530007

基金项目: 广西壮族自治区市场监督管理局科技计划项目（GXSJKJ2023-6）。

详细信息

作者简介:
磨昕玥（1990-），广西壮族自治区计量检测研究院工程师，研究方向：化学计量，邮箱：215010035@qq.com

通讯作者:
毕哲（1984-），中国计量科学研究院副研究员，研究方向：环境计量，邮箱：bizh@nim.ac.cn

中图分类号: TB99
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2023-10-31
- 录用日期: 2023-10-31
- 修回日期: 2023-11-06
- 网络出版日期: 2023-11-16
- 刊出日期: 2023-09-18

Metrological Requirements and Challenges in Carbon Capture, Utilization and Storage Technologies for Achieving Carbon Neutrality

1.
Guangxi Zhuang Autonomous Region Institute of Metrology and Test, Nanning 530200, China
2.
National Institute of Metrology, Beijing 100029, China
3.
Guangxi Zhuang Autonomous Region Testing Institute of Product Quality, Nanning 530007, China

摘要

摘要: 在碳中和目标下，碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)体系作为重要减排手段，未来将以更快的速度和更大的规模在中国部署，并有望被纳入碳交易市场。在此过程中，流量测量、成分测量、二氧化碳泄漏检测、过程控制和效率评估对项目技术成本、运营安全、过程监管和环境将产生重大影响。对各影响因素开展测量和监测将是CCUS监管的关键。计量检测技术可为准确评价CCUS全过程经济性、有效性、持续性、安全性以及碳减排效果，提供可靠的测量方法和可信的数据基础。通过调研国内外CCUS领域计量检测技术进展，分析CCUS各环节面临的计量检测挑战，总结出CCUS发展中的具体计量检测需求，为未来计量检测更好地支持CCUS发展提出了建议。
- 计量学 /
- CCUS /
- 碳中和 /
- 计量需求 /
- 二氧化碳
Abstract: In the context of carbon neutrality objectives, the Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) system, a vital method for emissions reduction, is expected to be deployed more rapidly and extensively in China. It is anticipated to integrate into the carbon trading market. Key aspects such as flow measurement, composition analysis, CO₂ leakage detection, process control, and efficiency evaluation play critical roles in influencing the technical costs, operational safety, regulatory compliance, and environmental impact of CCUS projects. Effective measurement and monitoring are essential for the regulatory framework of CCUS. Metrology and testing technologies are imperative for providing accurate assessments of the economic viability, effectiveness, sustainability, and safety of CCUS processes, along with their carbon emission reduction impact. This paper investigates the advancements in metrology and testing technologies in the CCUS sector, both domestically and internationally. It analyzes the metrological challenges encountered in various stages of CCUS, including process control, purity analysis, and leakage detection. We summarize the specific measurement and testing needs in CCUS development and propose recommendations to enhance metrological support for the future progression of CCUS.
- metrology /
- CCUS /
- carbon neutrality /
- metrological needs /
- carbon dioxide

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图 1 碳中和目标下的CCUS技术定义

Figure 1. Definition of CCUS technology in the context of carbon neutrality objectives

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图 2 可持续发展情景下的全球能源部门CO₂减排措施的贡献占比

Figure 2. Proportional contribution of CO₂ emissions reduction measures in the global energy sector under the Sustainable Development Scenario

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图 3 全球启动的碳CCS项目数量（截至2022年9月）

Figure 3. Number of carbon CCS projects initiated globally as of September 2022

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表 1 CCS相关国际标准

Table 1. International standards related to CCS

序号	标准号	名称	状态
1	ISO/TR 27912:2016	Carbon dioxide capture — Carbon dioxide capture systems, technologies and processes	发布
2	ISO 27913:2016	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Pipeline transportation systems	发布
3	ISO 27914:2017	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Geological storage	发布
4	ISO/TR 27915:2017	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Quantification and verification	发布
5	ISO 27916:2019	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Carbon dioxide storage using enhanced oil recovery (CO₂-EOR)	发布
6	ISO 27917:2017	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Vocabulary — Cross cutting terms	发布
7	ISO/TR 27918:2018	Lifecycle risk management for integrated CCS projects	发布
8	ISO 27919-1:2018	Carbon dioxide capture — Part 1: Performance evaluation methods for post-combustion CO₂ capture integrated with a power plant	发布
9	ISO 27919-2:2021	Carbon dioxide capture — Part 2: Evaluation procedure to assure and maintain stable performance of post-combustion CO₂ capture plant integrated with a power plant	发布
10	ISO/TR 27921:2020	Carbon dioxide capture, transportation, and geological storage — Cross Cutting Issues — CO₂ stream composition	发布
11	ISO/TR 27922:2021	Carbon dioxide capture — Overview of carbon dioxide capture technologies in the cement industry	发布
12	ISO/TR 27923:2022	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Injection operations, infrastructure and monitoring	发布
13	ISO/TR 27925:2023	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Cross cutting issues — Flow assurance	发布
14	ISO/DIS 27913	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Pipeline transportation systems	起草中
15	ISO/AWI 27914	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Geological storage	起草中
16	ISO/CD TR 27926	Carbon dioxide enhanced oil recovery (CO₂-EOR) - Transitioning from EOR to storage	起草中
17	ISO/CD 27927	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Key performance parameters and characterization methods of absorption liquids for post-combustion CO₂ capture	起草中
18	ISO/CD 27928	Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Performance evaluation methods for CO₂ capture plants connected with CO₂ intensive plants	起草中
19	ISO/AWI TR 27929	Transportation of CO₂ by ship	起草中

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表 2 碳捕集方式和捕集技术

Table 2. Methods and technologies for carbon capture

类型	分离	工业捕集技术
燃烧前捕集	在碳基燃料燃烧前，首先将其化学能从碳中转移出来，然后再将碳（CO或CO₂）和携带能量的其他物质（如H₂、H₂O）进行分离，从而实现碳在燃烧前被捕集。如甲烷蒸汽重整(SMR)、整体煤气化联合循环（IGCC）等。	①吸附法：通过液体载体(溶剂)或固体载体(吸附剂)对CO₂的吸收和吸附以及通过提高温度或降低压力使液体或固体再生； ②膜分离法：用气体分离的膜(金属，聚合物或陶瓷材料)，不适合燃烧后，最适合高压和高CO₂浓度； ③低温分馏法：在低温条件下将CO₂从其他气体中液化和分离； ④脱水和压缩法：适用于高浓度的CO₂烟气碳捕集； ⑤催化转化法：将催化转化为高附加值化学品。 ⑥电化学法。
富氧捕集	燃料在纯氧中燃烧，在烟道气中产生高浓度的CO₂流，几乎可以运输。
燃烧后捕集	从燃烧后的烟气中分离CO₂。
生物能碳捕集与封存（BECCS）	能源作物、剩余农产品和树木，在整个生长过程中从大气中捕获CO₂，通过燃烧或转化为生物燃料来提供能量，再将CO₂分离的过程。
直接空气碳捕集（DAC）	直接分离大气中已经存在的CO₂的过程。
直接海洋碳捕集（DOC）	从海水中直接去除CO₂的捕集过程。

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表 3 CO₂捕集的计量检测需求

Table 3. Metrological needs for CO₂ capture

序号	计量检测内容	需求
1	研制相应气体标准物质，校准用于监测杂质的在线、离线分析仪器，用以准确监测吸附剂的降解和捕集性能。气体标准物质应为CO₂中的含有特定微量杂质（应包含烟气中未能完全分离的组分，如H₂S、NOx等）的气体标准物质。	计量检测技术
2	研制用于确定CO₂参考吸附等温线的标准物质，用以验证吸附剂的碳捕集性能。
3	研究工艺条件下湿度、流量等测量仪器校准方法。
4	研究、开发和验证碳捕集过程所需的测量新设备。
5	建立和维护计量基准、标准装置，为碳排放测量提供量值溯源。
6	通过比对等能力验证方式，确保由不同仪器或组织对统一目标进行的测量的准确性、溯源性和一致性。
7	研究碳捕集后烟气排放实时监测方法，特别是对氮氧化物、硫化物的监测，以便实时调控捕获过程参数。
8	量化碳捕集过程（吸附剂降解等）引起的新污染物排放，例如胺、亚硝胺、气溶胶等。
9	研究CCUS捕集过程对环境空气的潜在影响，例如，测量胺和亚硝胺在环境空气中的背景水平及浓度变化。
10	测量和比较不同捕获技术和配置的效率。
11	分析所捕集CO₂中的杂质及不同工艺的杂质之间的交叉反应，以确定净化步骤是否需要满足纯化要求。
12	支持碳捕集标准化活动。	标准化体系
13	检测各吸附剂的分解产物，确定其是否会影响所捕集CO₂的纯度或导致污染物排放。	合格评定
14	开展捕集前烟气检测方法研究，确定可能影响吸附剂性能的物质并采取应对措施。
15	评价收集气体的容器材料造成的杂质的吸附性，筛选出不同应用条件下适宜使用的容器。
16	减少CO₂交易的测量不确定度，以确保贸易结算的公平。	国际互认

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表 4 CO₂运输的计量检测需求

Table 4. Metrological needs for CO₂ transportation

序号	计量检测内容	需求
1	开发适用于不同压力、流量条件下的多相态CO₂流量计量仪器设备、标准装置等计量基础设施，保证输送安全性和效益最大化。	计量检测技术
2	改进状态方程，以支持用于控制操作条件的精确模型的发展。
3	研制气体标准物质，为运输过程中CO₂的成分和纯度测量提供可溯源性，确保测量的准确性和可比性。气体标准物质应为CO₂中的含有微量对运输过程影响较大的杂质（如H₂O、H₂S）的气体标准物质。
4	建立模拟实际运输条件下的气体泄漏校准场，用以验证监测仪器的准确性、气体选择性、空间分辨率等计量特性。
5	制定CO₂混合气体组分检测标准方法，根据杂质对运输过程的影响，制定关键杂质（如H₂O、H₂S)的质量分数阈值。这些新的分析方法可为制造满足使用要求的二氧化碳纯度分析仪（离线、在线）提供指导。	标准化体系
6	制定管道和压力容器腐蚀和开裂的标准试验方法。	标准化体系
7	评估高压CO₂环境下安全壳材料的完整性，以避免管道腐蚀和开裂。	合格评定
8	使用嗅探和光学气体成像等技术，开发和验证陆地、海洋CO₂运输管道泄漏检测技术，以便能够准确有效地监测和定位管道泄漏。	合格评定
9	提高CO₂流量计量的准确性，实现贸易结算的公平公正。	国际互认

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表 5 CO₂利用的计量检测需求

Table 5. Metrological needs for CO₂ utilization

序号	计量检测内容	需求
1	依据不同行业CO₂使用的纯度要求，建立包括检测设备、标准装置和标准物质在内的计量基础设施。气体标准物质组分和浓度应参考GB 1886.228-2016、GB/T 6052-2011、GB/T 23938-2021、T/CIECCPA 022-2023中的具体要求。	计量检测技术
2	改进CO₂流量监测基础设施以支持工艺控制。	计量检测技术
3	制定标准化的方法来量化使用过程中的CO₂排放量，以便根据法规进行报告。	标准化体系
4	针对工厂工艺和设备，开发和验证准确监测CO₂泄漏的方法。	合格评定
5	进行CO₂利用生命周期评估，评价CO₂最终去向：进入大气或被永久储存。	CO₂生命周期评估

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表 6 CO₂封存的计量检测需求

Table 6. Metrological needs for CO₂ storage

序号	计量检测内容	需求
1	建立标准装置，验证流程控制的流量计量，以准确评估CO₂存储量。	计量检测技术
2	精确测量碳储存的环境条件，如温度和压力。
3	监测注入的CO₂在地质结构中的分散情况。
4	建立精确的状态方程模型，准确描述密度、声速和CO₂相，评估CO₂年转移量，并验证。
5	研究CO₂长期储存过程中可能发生的物理化学过程，开发气体分析方法和气体标准物质，用以验证有毒泄漏或气体组分的检测结果。用于校准CO₂泄漏监测设备的气体标准物质应为氮气中或空气中的不同浓度的CO₂气体标准物质。
6	制定氮、氧和氩等会降低存储容量的永久性气体分析方法和标准物质。气体标准物质应为CO₂中的氮、氧和氩等气体标准物质。
7	提高对包括羽流迁移在内的排放CO₂弥散模型的理解和验证，以支持安全评估和CO₂排放率计算。
8	开发海底和地下储存泄漏检测的监测方法，以量化损失并避免潜在的有害泄漏。
9	开发在线监测存储泄漏的CO₂的技术（包括测量设备、测量方法及标准装置等），实现监测的连续性和及时性。
10	利用卫星数据监测地表变形，识别大规模CO₂泄漏。
11	研究测试长期和短期储存材料的适用性，模拟和监测碳储存技术的寿命。	合格评定
12	开发不同存贮环境中（陆地或海底）液态CO₂的取样技术和纯度分析技术，并进行验证。	合格评定
13	支持CO₂存储相关的标准化体系建立。	标准化体系
14	建立CO₂流量计量和储量评估的国际互认，以达成国际社会对项目减碳效果的认可。	国际互认

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