CO2的捕集與封存

1、CO2的捕集與封存技術(shù)CO的捕集與封存技術(shù)2摘要：溫室氣體過量排放嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展，CO2的減排措施迫在眉睫。 近年來興起的碳捕集與碳封存(CCS)技術(shù)被看做是最具發(fā)展前景的解決方案之一。本文 從燃燒前、富氧燃燒、燃燒后捕集技術(shù)和封存技術(shù)介紹全球二氧化碳捕集與封存技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀及示范項(xiàng)目實(shí)施情況。針對傳統(tǒng)二氧化碳捕集與封存技術(shù)的不足，介紹了目 前最具發(fā)展?jié)撃艿男屡d的二氧化碳捕集與封存技術(shù)。關(guān)鍵詞：溫室氣體；CO2；碳捕集與封存二氧化碳是溫室氣體的主要成分，對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)占60%以上，而人類活動中 CO2的產(chǎn)生主要來自于工業(yè)排放。據(jù)調(diào)查顯示：近幾年CO2平均每年放量在300億噸 以上

2、，其中40%來自電廠，23%來自運(yùn)輸行業(yè)，22%來自水泥廠1。CO2由于其生命期 可長達(dá)200年，對氣候變化影響最大，因此被認(rèn)為是全球氣候變暖的首要肇事者，成 為全球減緩溫室氣體排放的首要目標(biāo)。近年來興起的CO2捕集封存技術(shù)則日趨得到人 們關(guān)注，成為各個(gè)國家競相研究的熱點(diǎn)以及國際社會應(yīng)對氣候變化的重要策略。碳捕 獲和存儲技術(shù)是一種將工業(yè)和能源排放源產(chǎn)生的CO2進(jìn)行收集、運(yùn)輸并安全存儲到某 處使其長期與大氣隔離的過程，從而減少CO2的排放?？茖W(xué)家預(yù)測到2050年，CCS 技術(shù)可以減少全球20%的碳排放。CCS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀CCS技術(shù)是指將二氧化碳從相關(guān)排放燃燒源捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海

3、洋等地點(diǎn)進(jìn)行長期(幾千年)封存，從而阻止或顯著減少溫室氣體排放，以減輕對地球氣 候的影響。目前，處于研究階段、工業(yè)試驗(yàn)或工業(yè)化應(yīng)用的封存場所主要有深度含鹽 水層、枯竭或開采到后期的油氣田、不可采的貧瘠煤層和海洋2。目前按燃燒工藝劃分二氧化碳捕集技術(shù)可以有燃燒前、富氧燃燒、燃燒后等三個(gè) 主要發(fā)展方向。二氧化碳封存技術(shù)可分為陸上咸水層封存、海底咸水層封存、CO2驅(qū) 油、CO2驅(qū)煤層氣、枯竭氣田注入、天然氣生產(chǎn)酸氣回注等六個(gè)方向?，F(xiàn)有二氧化碳 捕集與封存技術(shù)各具特點(diǎn)同時(shí)也都有其發(fā)展的局限性，每個(gè)發(fā)展方向都有與之對應(yīng)的 大規(guī)模集成示范項(xiàng)目。目前全球很多地方都開展了二氧化碳捕集與封存的大規(guī)模集成CO2的

4、捕集與封存技術(shù)示范項(xiàng)目，其中開展較早、較有代表性有3個(gè)分別是挪威Sleipner項(xiàng)目、加拿大Weyburn 項(xiàng)目和阿爾及利亞In Salah項(xiàng)目等。這些項(xiàng)目有些將二氧化碳注入海底或地下，有些注 入油田，以提高油田的采收率。2CO2捕集和封存的主要機(jī)理CO2捕集和封存技術(shù)主要由3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：CO2的捕集，指將CO2從化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中分離出來，并將其壓縮至 一定壓力，以超臨界的狀態(tài)有效地儲存于地質(zhì)結(jié)構(gòu)層中。(2)CO2的運(yùn)輸，指將分離并壓縮后的CO2通過管道或運(yùn)輸工具運(yùn)至存儲地。(3)CO2的封存，指將運(yùn)抵封存地的CO/注入到諸如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤 礦等地質(zhì)結(jié)構(gòu)層或者深海海底或海洋

5、水柱或海床以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。封存場址必須有 合適的地質(zhì)環(huán)境容量和可注入性、有滿意的密封蓋巖、有足夠穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境即。碳捕集技術(shù)碳捕集的主要目標(biāo)是化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2 的集中排放源。針對電廠排放的CO2捕集分離系統(tǒng)主要有3類：燃燒前系統(tǒng)、富氧燃 燒系統(tǒng)以及燃燒后系統(tǒng)4。燃燒前捕集技術(shù)以煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)為基礎(chǔ)，先將煤炭氣化成清潔氣體 能源，從而把二氧化碳在燃燒前就分離出來，不進(jìn)入燃燒過程。而且二氧化碳的濃度 和壓力會因此提高，分離起來較為方便，是目前運(yùn)行成本最低廉的捕集技術(shù)，其前景 為學(xué)術(shù)界所看好。問題在于，傳統(tǒng)電廠無法應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，而是需要重新建造

6、專門的 IGCC電站，其建造成本是現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)電廠的2倍以上。目前IGCC項(xiàng)目發(fā)展較為迅速， 在中國就有5個(gè)示范項(xiàng)目在運(yùn)作過程中。包括有華能天津200MW IGCC電站示范工 程、中科院連云港IGCC示范工程、華電杭州200MWIGCC(水煤漿四噴嘴氣化)電站示 范項(xiàng)目、廣東東莞天明電廠120MW IGCC改造項(xiàng)目和太陽洲4x200MW IGCC新建項(xiàng) 目，其中天津項(xiàng)目已經(jīng)通過初步調(diào)試。目前國外已建成投運(yùn)IGCC電站約50余座，總 裝機(jī)約2000萬kW。這些電站主要分布在美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家，像澳大利亞、 韓國、印度也在積極推動IGCC的發(fā)展。富氧燃燒捕集技術(shù)(又被稱為O2/CO2燃燒技術(shù)

7、或空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù))是針 對燃煤電廠特點(diǎn)所發(fā)展的CO2減排技術(shù)。該技術(shù)利用空氣分離獲得的高純氧和部分再CO2的捕集與封存技術(shù)循環(huán)煙氣混合物代替空氣與燃料組織燃燒，從而提高了排煙中的CO2濃度。通過循環(huán) 煙氣來調(diào)節(jié)燃燒溫度，同時(shí)循環(huán)煙氣又替代空氣中的n2來攜帶熱量以保證鍋爐的傳熱 和鍋爐熱效率。富氧燃燒技術(shù)是一種既能直接獲得高濃度CO2,又能綜合控制燃煤污 染物排放的新一代煤粉燃燒技術(shù)。目前世界上建成的采用富氧燃燒技術(shù)的中試規(guī)模以 上的電站已經(jīng)超過10個(gè)6，日本石川島播磨，法國阿爾斯通和英國巴布庫克都已經(jīng)建 成了煤粉爐02 / CO2燃燒的示范電站。但是富氧燃燒技術(shù)的發(fā)展主要受空氣分離氧

8、氣 能耗大、燃燒后尾氣污染物的產(chǎn)生和控制等一些技術(shù)問題的制約。燃燒后捕集技術(shù)是針對燃料燃燒后煙氣中CO2的分離路線，該技術(shù)適用性強(qiáng)，發(fā) 展相對成熟。但是燃燒后二氧化碳捕集技術(shù)由于處理氣體量大，煙氣CO2濃度低等造 成運(yùn)行成本高、工藝流程復(fù)雜、項(xiàng)目投資大等方面的根本性問題尚未解決。燃燒后二 氧化碳捕集技術(shù)主要包括化學(xué)吸收法、吸附分離法、膜分離法等。燃燒后二氧化碳捕 集技術(shù)是針對燃料燃燒后煙氣中CO2的分離路線，該技術(shù)適用性強(qiáng)，發(fā)展相對成熟。 但是燃燒后二氧化碳捕集技術(shù)由于處理氣體量大，煙氣CO2濃度低等造成運(yùn)行成本高、 工藝流程復(fù)雜、項(xiàng)目投資大等方面的根本性問題尚未解決。燃燒后二氧化碳捕集技術(shù)

9、主要包括化學(xué)吸收法、吸附分離法、膜分離法等。碳運(yùn)輸二氧化碳的運(yùn)輸主要有管道運(yùn)輸和罐裝運(yùn)輸兩種方式，技術(shù)上問題不大。管道運(yùn) 輸是一種成熟的技術(shù)，也是運(yùn)輸二氧化碳最常用的方法，一次性投資較大，適宜運(yùn)輸 距離較遠(yuǎn)、運(yùn)輸量較大的情況。罐裝運(yùn)輸主要通過鐵路或公路進(jìn)行運(yùn)輸，僅適合短途、 小量的運(yùn)輸，大規(guī)模使用不具有經(jīng)濟(jì)性。輸送大量CO2最經(jīng)濟(jì)的方法是通過管道運(yùn)輸。 管道運(yùn)輸?shù)某杀局饕?部分組成：基建費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)成本以及其它的如設(shè)計(jì)、保 險(xiǎn)等費(fèi)用。特殊的地理?xiàng)l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%,當(dāng)運(yùn)輸距離較長時(shí)，船運(yùn)將具有競爭力，船運(yùn)的成 本與運(yùn)距的關(guān)

10、系極大。碳封存技術(shù)碳封存技術(shù)相對于碳捕集技術(shù)也更加成熟，主要有3種：含鹽咸水層封存、油氣 層封存和煤氣層封存。咸水層封存是指將二氧化碳封存于距地表800m以下的咸水層當(dāng)中。通常咸水層CO2的捕集與封存技術(shù)空氣體積大，可封存相當(dāng)多的二氧化碳。但是我國缺少咸水層地質(zhì)情況的數(shù)據(jù)資料， 目前尚不能實(shí)施咸水層封存。而且這項(xiàng)技術(shù)的投資也較大。油氣層封存分為廢棄油氣層封存和現(xiàn)有油氣層封存。國際上有企業(yè)在研究利用廢 棄油氣層的可行性，但并不被看好。要原因在于，目前對油氣層的開采率只能達(dá)到 30%40%力，隨著技術(shù)的進(jìn)步，存在著將剩余的60%70%的油氣資源開采出來的可能 性。所以，世界上尚不存在真正意義上的廢

11、棄油氣田。而利用現(xiàn)有油氣田封存二氧化 碳被認(rèn)為是未來的主流方向，這項(xiàng)技術(shù)被稱為二氧化碳強(qiáng)化采油(CO2-EOR)技術(shù)，即將 二氧化碳注入油氣層，起到驅(qū)油作用，既可以提高采收率，又實(shí)現(xiàn)了碳封存，兼顧了 經(jīng)濟(jì)效益和減排效益。這項(xiàng)技術(shù)起步較早，最近10年發(fā)展很快，實(shí)際應(yīng)用效果得到了 肯定，也是我國優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)方向。依據(jù)目前的采油技術(shù)，全球油田的采收率平均只有32%左右，如果采用CO2-EOR 技術(shù)，那么采收率可提高至40%45%網(wǎng)。全球大概有9300 x108t以上的二氧化碳可以 被封存到油藏中，這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于2050年全球累計(jì)排放量的45%。美國能源署發(fā)布 的一份報(bào)告顯示，目前美國剩余的石油可采

12、儲量200 x108bbl，如果采用CO2-EOR技術(shù) 提高可采儲量的話，其可采儲量最多可增加至1600 x108bbl。煤氣層封存是指將二氧化 碳注入比較深的煤層當(dāng)中，置換出含有甲烷的煤層氣，所以這項(xiàng)技術(shù)也具有一定的經(jīng) 濟(jì)性。但必須選在較深的煤層中，以保證不會因開采而造成泄漏。我國已經(jīng)和加拿大 合作開發(fā)了示范項(xiàng)目，投資高、效果不錯(cuò)。問題在于二氧化碳進(jìn)入煤氣層后發(fā)生融脹 反應(yīng)，導(dǎo)致煤氣層的空隙變小，注入二氧化碳會越來越難，逐漸再也無法注入。所以， 該技術(shù)并不為研究人員看好。3 CCS技術(shù)面臨的問題CCS技術(shù)存在的最大風(fēng)險(xiǎn)是二氧化碳在地質(zhì)儲層中可能發(fā)生泄漏?？紤]到未來二 氧化碳封存的規(guī)?？赡茉趦|

13、噸級，如果封存的二氧化碳泄漏到大氣中，可能會引發(fā)顯 著的氣候變化9。止匕外，還有與二氧化碳管道運(yùn)輸相關(guān)聯(lián)的局部突發(fā)的二氧化碳大量釋 放，若空氣中二氧化碳濃度超過7%10%，則會對人類生命和健康產(chǎn)生直接威脅。地 下淺層二氧化碳濃度升高會對植物及土層動物造成致命的影響和地下水污染。CCS技術(shù)成本包括捕集、輸送與封存3部分，都要消耗大量的能源，成本高昂。 IPCC在2005年對發(fā)電廠的CCS技術(shù)投資進(jìn)行過估算1。，應(yīng)用CCS技術(shù)使發(fā)電成本CO2的捕集與封存技術(shù)增加約0.010.05美元/(kWh),但如果項(xiàng)目中包括EOR,會使CCS造成的額外發(fā)電成 本下降約0.010.02美元/(kWh)。在大多數(shù)

14、CCS系統(tǒng)中，捕集(包括壓縮)成本所占比例 最大。由于地區(qū)差異，不同CCS系統(tǒng)的成本存在較大差異，主要因素包括應(yīng)用CCS 技術(shù)的電廠或工業(yè)設(shè)施的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和投資，使用燃料的類型、成本和運(yùn)輸距離，二 氧化碳的輸送地形和輸送量，以及封存二氧化碳的類型和特點(diǎn)等。此外，CCS技術(shù)的 組成部分和系統(tǒng)的績效與成本的關(guān)系仍然存在不確定性。4總結(jié)CCS技術(shù)被看作是解決全球氣候變暖問題的最具發(fā)展前景的解決方案之一，世界 上許多國家都開展了相關(guān)的研究工作。隨著研究的不斷深入，CCS技術(shù)成本將進(jìn)一步 降低，應(yīng)用前景廣闊。CCS技術(shù)的兩大步驟是碳捕集和碳封存，此外還有二氧化碳運(yùn)輸?shù)取Ｌ疾都に?中最具發(fā)展前景的是富氧

15、燃料捕集，但制氧成本的降低還需要制氧技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 通過將二氧化碳封存入油氣田，既可以減少二氧化碳排放，又可以提高油氣田采收率， 實(shí)際應(yīng)用效果得到了肯定，也是我國優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)方向。雖然近幾年CCS技術(shù)得到了長足發(fā)展，但還面臨著很多問題。如二氧化碳泄漏問 題、技術(shù)難點(diǎn)、建設(shè)和運(yùn)行成本高昂、缺乏相應(yīng)的政策法規(guī)支持等，離真正大規(guī)模實(shí) 際應(yīng)用仍需相當(dāng)長的時(shí)間。我國積極參與溫室氣體減排行動，密切關(guān)注CCS技術(shù)進(jìn)展，同時(shí)開展了相關(guān)的研 究工作，并已著手建立大型的CCS示范工程，相信今后在全球CCS活動中將會發(fā)揮 更大的作用。CO2的捕集與封存技術(shù)參考文獻(xiàn)1張衛(wèi)東，張棟，田克忠.碳捕集與封存技術(shù)的現(xiàn)狀

16、與未來J.中外能源,2009,11(15):7-14.2陳曉進(jìn).國外二氧化碳減排研究及對我國的啟示J.國際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研咒2006,9(3):21-25.European CO2 Capture and Storage Projects, European Commission. 20044黃紹蘭，童華等.CO2捕集回收技術(shù)研究.環(huán)境污染與防治.2008,10(8):215-2195孫浩，宋振龍.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)研究及應(yīng)用J.電力技術(shù)，2010, 10 (43):39-436王俊，李延兵，廖海燕等.淺談國外煤粉富氧燃燒技術(shù)發(fā)展J.華北電力技術(shù),2014,8:56-617王建秀，