【高中化學(xué)】CCS技術(shù)簡介

1、【高中化學(xué)】CCS技術(shù)簡介摘要：隨著低碳經(jīng)濟(jì)的走紅，碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage,簡稱CCS) 技術(shù)已初現(xiàn)端倪，CCS技術(shù)作為一項存儲二氧化碳以減少溫室氣體排放的環(huán)保工程，得到 了世界各國的重視，其前景非常廣關(guān)鍵詞:碳捕獲；碳運輸；碳封存碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage簡稱CCS)是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵 廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。CCS技術(shù)包括二氧化碳捕獲、運輸 以及封存三個環(huán)節(jié)，它可以使單位發(fā)電碳排放減少85%-90%o關(guān)于這項技術(shù)的研究可以追溯至1975年

2、，當(dāng)時的美國將二氧化碳注入地下以提高石 油開采率，但將它作為一項存儲二氧化碳以減少溫室氣體排放的環(huán)保工程，則開始于T989 年的麻省理工大學(xué)，直至近年來，這項技術(shù)得到更多的重視和研究。它被認(rèn)為是一種可能 的減少空氣中二氧化碳濃度的方法。目前，據(jù)專家介紹，從技術(shù)層面來說，應(yīng)用于碳捕獲、 運輸以及封存的各項技術(shù)其實都是己有的、成熟的，只不過在此前并未應(yīng)用于CCS方向， 問題主要存在于現(xiàn)有發(fā)電廠的改造以及新建發(fā)電廠的技術(shù)和資金投入。碳捕獲技術(shù)二氧化碳的捕獲方式主要有三種：燃燒前捕獲(Pre-combustion)、富氧燃燒(Oxy- fuel combustion)和燃燒后捕獲(Post-combu

3、stion) «無論哪種捕獲方法,簡而言之是 將燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的氣體收集起來，經(jīng)過脫硫、氮氧化物等等制備后，將二氧化碳分離并 收集起來。表1碳捕獲技術(shù)特點和現(xiàn)狀CCS捕獲技術(shù)技術(shù)特點發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)分離利用工業(yè)材料分離固碳，技術(shù)成熟，但應(yīng)用有限成熟市場燃燒后分離過程簡單，但co2濃度低，化學(xué)吸收劑昂貴技術(shù)可行燃燒前分離co濃度高，分離容易，但過程復(fù)雜，成本較高技術(shù)可行富氧燃燒CO濃度高，但壓力較小，步驟較多，供氧成本高示范階段針對排放的co2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類：即燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。1. 1燃燒后系統(tǒng)燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中co2與N2的分離。化學(xué)溶劑吸收法

4、是當(dāng)前最好的燃燒后CO收集法，具有較高的捕集效率和選擇也而能源消耗和收集成本較低。除了化學(xué)溶劑吸 收法，還有吸附法、膜分離等方法?；瘜W(xué)吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之間的可逆化學(xué)反應(yīng)。由于燃煤煙氣中不僅含 有co2、N2、02和H20,還含有SOx、NOx、塵埃、HC1、HF等污染物。雜質(zhì)的存在會增加捕獲與分離的成本, 因此煙氣進(jìn)入吸收塔之前，需要進(jìn)行預(yù)處理，包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫 硝等。煙氣在預(yù)處理后，進(jìn)入吸收塔，吸收塔溫度保持在4060C, C02被吸收劑吸收，通常用的溶劑是胺吸收劑（如一乙醇胺MEA） .然后煙氣進(jìn)入一個水洗 容器以平衡系統(tǒng)中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與

5、溶劑蒸汽，之后離開吸收塔。吸收了 co2的富溶劑經(jīng)由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100140和比大氣壓略 高的壓力下得到再生。水蒸汽經(jīng)過凝結(jié)器返回再生塔，而C02離開再生塔©再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運回吸收塔。1.2富氧燃燒系統(tǒng)富氧燃燒系統(tǒng)是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質(zhì)。燃燒產(chǎn)物主要是CO2和水蒸氣，另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全，以及燃料中所有組成成分的氧化產(chǎn) 物、燃料或泄漏進(jìn)入系統(tǒng)的空氣中的惰性成分等。經(jīng)過冷卻水蒸汽冷凝后，煙氣中CO2含量在80% 98%之間。這樣高濃度的CO2經(jīng)過壓縮、干燥和進(jìn)一步的凈化可進(jìn)入管道進(jìn)行存儲。C02在高密度

6、超臨界下通過管道運輸，其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加 C02的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流，其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO2需要經(jīng)過干燥以防止在管道中出現(xiàn)水凝結(jié)和腐蝕，并允許使用常規(guī)的炭鋼材料。在富氧燃燒系統(tǒng)中，由于CO2濃度較高，因此捕獲分離的成本較低，但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產(chǎn)主 要通過空氣分離方法，包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸偏。1.3燃燒前捕獲系統(tǒng)燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個階段的反應(yīng)。首先，化石燃料先同氧氣或者蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生以CO和H2為主的混合氣體（稱為合成氣），其中號蒸汽的反應(yīng)稱為“蒸汽重整”，需在高溫下進(jìn) 行：對于液體或氣體燃料與02的反應(yīng)

7、稱為“部分氧化”，而對于固體燃料與氧的反應(yīng)稱為“氣化”。待合成氣冷卻 后，再經(jīng)過蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，使合成氣中的co轉(zhuǎn)化為co2,并產(chǎn)生更多的H2o最后，將H2從co2與H2的混合氣中分離，干燥的混合氣中co2的含量可達(dá)159r60%,總壓力2、7MPa° CO從混合氣體中分離并捕獲和存儲，H被用作燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC） o從CO2和H2的混合氣中分離CO的方法包括：變壓吸附、化學(xué)吸收（通過化學(xué)反應(yīng)從混合氣中去除CO,并在減壓與加熱情況下發(fā)生可逆反應(yīng)，同從燃燒后煙道氣中分離CO類似）

8、、物理吸收（常用于具有高的CO分壓或高的總壓的混合氣的分離）、膜分離（聚合物膜、陶瓷膜）等。碳運輸技術(shù)捕獲到的二氧化碳必須運輸?shù)胶线m的地點進(jìn)行封存，可以使用汽車、火車、輪船以及 管道來進(jìn)行運輸。一般說來，管道是最經(jīng)濟(jì)的運輸方式。2021年，美國約有5800千米的 二氧化碳管道，這些管道大都用以將二氧化碳運輸?shù)接痛?，注入地下油層以提高石油采?率(Enhanced Oil Recovery> EOR)。管道運輸?shù)某杀局饕?部分組成：基建費用、運行維護(hù)成本以及其它的如設(shè)計、保 險等費用。特殊的地理條件，如人口稠密區(qū)等對成本很有影響。陸上管道要比同樣規(guī)模的 海上管道成本高出40%70%。由于

9、管道運輸是成熟的技術(shù)，因此其成本的下降空間預(yù)計 不大。對于250 km的運距，管道運輸?shù)某杀疽话銥?8美元/tCO2o當(dāng)運輸距離較長時，船運將具有競爭力，船運的成本與運距的關(guān)系極大。當(dāng)輸送5 Mt CO2、運距為500km時，船運的成本為1030美元/tCO3o當(dāng)輸送同樣的co4,運距增加到1500km時，船運成本將降到20-35美元/tC02,與管道運輸?shù)某杀鞠喈?dāng)。5 .碳封存技術(shù)二氧化碳封存的方法有許多種，一般說來可分為地質(zhì)封存(Geological Storage)和 海洋封存(Ocean Storage)兩類。地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)(氣態(tài)及液態(tài)的混合體) 的二氧化碳注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，

10、這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以是油田、氣田、咸水層、無法開采的煤礦 等。把二氧化碳注入油川或氣田用以驅(qū)油或驅(qū)氣可以提高采收率；注入無法開采的煤礦可 以把煤層中的煤層氣(甲烷)驅(qū)出來，提高煤層氣采收率。若要封存大量的二氧化碳，最 適合的地點是咸水層。咸水層一般在地下深處，富含不適合農(nóng)業(yè)或飲用的咸水，這類地質(zhì) 結(jié)構(gòu)較為常見，同時擁有巨大的封存潛力。不過與油田相比，目前人們對這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的 認(rèn)識還較為有限。海洋封存是指將二氧化碳通過輪船或管道運輸?shù)缴詈：５走M(jìn)行封存。這 種封存辦法也許會對環(huán)境造成負(fù)面的影響，比如過高的二氧化碳含量將殺死深海的生物、 使海水酸化等，此外，封存在海底的二氧化碳也有可能會逃逸到大氣當(dāng)中（

11、有研究指出， 海底的海水流動到海面需要1600年的時間）?？偟膩碚f，人們對海洋封存的了解還是太 少。6 .我國CCS技術(shù)發(fā)展概況我國于1992年6月和1998年5月分別簽署了聯(lián)合國氣候變化框架公約和京都 議定書。作為發(fā)展中國家。我國近期不必承擔(dān)減少或限制溫室氣體排放的義務(wù)。但我國 C02排放總量大，目前已位居世界第二，僅次于美國。據(jù)有關(guān)專家初步估算，預(yù)計2025 2030年左右，我國C02排放量將達(dá)到67Tost。成為世界第一大排放國。作為負(fù)責(zé)任的大國，我國政府高度 重視氣候變化與溫室氣體排放問題，19902021年間我國萬元GDP能耗年均下降率達(dá) 4.1%。相當(dāng)于節(jié)約8X10st以上標(biāo)準(zhǔn)煤，

12、減少了 18lOstCO2排放。同時，政府提出了在20212021年間單位GDP的能源消耗降低20%的節(jié)能減 排目標(biāo)。政府也明確表示，在可持續(xù)發(fā)展的框架下，與國際社會一起，積極尋求應(yīng)對氣候 變化的有效途徑，并根據(jù)自己的能力和國情為減緩氣候變化做出應(yīng)盡的努力。國家對CCS技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視，CCS技術(shù)作為前沿技術(shù)已被列入國家中長期 科技發(fā)展規(guī)劃；在國家科技部2021年的中國應(yīng)對氣候變化科技專項行動中，CCS技術(shù) 作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的技術(shù)重點被列入專項行動的四個主要活動領(lǐng)域之 一?！笆晃濉逼陂g，國家“863”計劃也對發(fā)展CCS技術(shù)給予很大支持。2021年6月國 家發(fā)改委公布

13、的中國應(yīng)對氣候變化國家方案中強(qiáng)調(diào)重點開發(fā)C02的捕獲和封存技術(shù)，并加強(qiáng)國際間氣候變化技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與轉(zhuǎn)讓。我國與國際社會一起積極開展了 CCS技術(shù)研究與項目合作。2021年啟動了 “中歐碳捕 獲與封存合作行動（COACH）”， 12個歐方機(jī)構(gòu)和8個中方機(jī)構(gòu)參與了 COACH行動。2021 年11月20日，啟動了 “燃煤發(fā)電二氧化碳低排放英中合作項目”。2021年1月25日， 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司以下簡稱“中聯(lián)煤”與加拿大百達(dá)門公司、香港環(huán)能國際控股公 司簽署了 “深煤層注入/埋藏二氧化碳開采煤層氣技術(shù)研究”項目合作協(xié)議。白2002年以 來，中聯(lián)煤和加拿大阿爾伯達(dá)研究院已在山西省沁水盆地南部

14、合作，成功實施了淺部煤層 的CO2單井注入試驗。中國石油作為肩負(fù)經(jīng)濟(jì)、政治和社會責(zé)任的大型國企，為展現(xiàn)保護(hù)環(huán) 境的良好社會形象，率先在國內(nèi)開展了利用CCS技術(shù)提高油FI采收率的研究與應(yīng)用工作， 于2021年4月啟動了重大科技專項及資源綜合利用研究。5. CCS技術(shù)的最新進(jìn)展ccs技術(shù)目前處r研究階段，隨著全球面臨的氣候問題日益嚴(yán)峻，各國政府非常重視 對CCS技術(shù)研究的支持。美國、歐盟、澳大利亞、加拿大、挪威等國家或政府間組織都制 訂了相應(yīng)的研究規(guī)劃，開展CCS技術(shù)的理論、試驗、示范和應(yīng)用研究，并且已經(jīng)有了成功 的實例。其中，美國走在世界最前列，針對CCS技術(shù)的科研規(guī)劃和項目組織實施較為周密 完

15、善。美國于2000年開始由能源部主持正式開展C02封存研究和發(fā)展項目，將地質(zhì)封存和海洋封存列為主要研究方向，并制訂了詳細(xì)的技 術(shù)路線圖。2021年美國已開展了 25個C02地下構(gòu)造注入、儲存與監(jiān)測的現(xiàn)場試驗，并己進(jìn)入驗證階段。為加強(qiáng)國際合作，2021 年，美國發(fā)起成立了 “碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇”，目前共有美國、加拿大、歐盟、英國、澳大利亞、日本、德國、挪威、巴西、意大利、印度、中國、哥倫比亞、墨西哥、俄羅斯、 南非、法國等22個成員，共同組織開展理論與實驗研究。當(dāng)前，國際上CCS技術(shù)研發(fā)所關(guān)注的主要問題包括：CO2在地質(zhì)封存系統(tǒng)中吸附和遷移的機(jī)理與規(guī)律。在地層中的相態(tài)及其變化規(guī)律、化學(xué)反 應(yīng)及固化

16、條件：注co2采油過程中的物理化學(xué)理論問題、復(fù)雜滲透流體力學(xué)原理、各類co2提高采收率(EOR)數(shù)值模擬基礎(chǔ)模型；長距離管道運輸CO2的化學(xué)腐蝕機(jī)理與規(guī)律等。整體上而言，目前CCS技術(shù)仍處了試驗階段，技術(shù)上的不成熟所導(dǎo)致的高成本致使 CCS難以大規(guī)模的推廣。麥肯錫估計捕獲和處理每噸二氧化碳的成本大概在75-115美元， 與開發(fā)風(fēng)能、太陽能等新能源的價格相比并不具備太大的競爭優(yōu)勢。2021年的G8峰會上, 八國集團(tuán)曾經(jīng)提出，在2021年前后普及CCS技術(shù)，并在2021年底前啟動20個大型CCS 示范項目。鑒于其高昂的成本，時至今日，規(guī)劃中的項目未有一個上馬實施。此外，由于 被捕獲的二氧化碳工業(yè)應(yīng)用前景非常差，封存是碳捕捉的最終路徑，CCS技術(shù)的普及同時 也取決于二氧化碳的排放價格，預(yù)計當(dāng)二氧化碳價格介于25-30美元/噸時，CCS技術(shù)的推 廣就會加快。6. CCS技術(shù)的前景廣闊二氧化碳捕獲和埋存技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，已經(jīng)蓄勢待發(fā)?！岸趸疾东@和埋存技術(shù) 并不存在技術(shù)障