~~碳捕捉與封存(CCS)技術(shù)

1、1. 碳捕獲和存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展一、前言政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)在第三次評(píng)估報(bào)告¨ 中指出，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。而這一氣候變化的發(fā)生是與大氣中溫室氣體的增加所產(chǎn)生的自然溫室效應(yīng)緊密聯(lián)系的。CO2是其中對(duì)氣候變化影響最大的氣體，它產(chǎn)生的增溫效應(yīng)占所有溫室氣體總增溫效應(yīng)的63，且在大氣中的留存期最長(zhǎng)，可達(dá)到200年。一系列的研究表明全球氣候變化對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響，進(jìn)而威脅到人類社會(huì)的生存和發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)氣候變化可能帶來的不利影響，20世紀(jì)80年代末以來，國(guó)際社會(huì)對(duì)氣候變化問題給予了極大的關(guān)注和努力。1992年通過的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(以

2、下簡(jiǎn)稱公約)表達(dá)了國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)的行動(dòng)意愿，是為解決氣候變化問題建立的基本國(guó)際政治和法律框架。1997年通過的京都議定書(以下簡(jiǎn)稱議定書)規(guī)定了2008-2012年全球減少排放溫室氣體的具體目標(biāo)，提出了發(fā)達(dá)國(guó)家減少溫室氣體排放的量化指標(biāo)，該議定書已于2005年2月16日正式生效。為了盡可能減少以二氧化碳(CO2)為主的溫室氣體排放，減緩全球氣候變化趨勢(shì)，人類正在通過持續(xù)不斷的研究以及國(guó)家間合作，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策、法律等層面探尋長(zhǎng)期有效的解決途徑。近年來興起的二氧化碳捕獲與封存(ccs)技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)和國(guó)際社會(huì)減少溫室氣體排放的重要策略。二、碳捕獲和存儲(chǔ)的科學(xué)和方法學(xué)問題碳捕獲和

3、存儲(chǔ)的種類很多，本文主要介紹地質(zhì)碳捕獲和存儲(chǔ)(包括陸地地質(zhì)結(jié)構(gòu)和海底以下地質(zhì)結(jié)構(gòu))及海洋碳捕獲和存儲(chǔ)。海洋碳捕獲和存儲(chǔ)主要有2種方式：一是將CO2通過固定管道或移動(dòng)船舶注入或溶解到水柱中(通常在地下1 km)；二是通過固定管道或離岸平臺(tái)將其存放于深于3 km的海底。海洋碳捕獲和存儲(chǔ)及其生態(tài)影響仍處于研究階段，因此，國(guó)際社會(huì)推動(dòng)的只是地質(zhì)碳捕獲和存儲(chǔ)，本文也不對(duì)海洋碳捕獲和存儲(chǔ)的技術(shù)及影響進(jìn)行研究。另外，地質(zhì)碳捕獲和存儲(chǔ)與陸地、海洋生態(tài)系統(tǒng)的固碳是不同的，陸地、海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)CO2的吸收是一種自然碳捕獲和存儲(chǔ)過程。陸地和海洋植物在其生長(zhǎng)過程中，需要利用CO2合成有機(jī)物，它們能夠在一定的濃度范圍內(nèi)

4、吸收CO2。2.1 碳捕獲和存儲(chǔ)的概念地下是地球最大的碳接收器，世界上絕大部分的碳都貯藏在這里，如煤、油、煤氣、有機(jī)頁巖、石灰石和白云石。作為地球外殼內(nèi)一種自然過程，CO2的地質(zhì)存儲(chǔ)已進(jìn)行了數(shù)億年。生物行為、點(diǎn)火行為和巖石與流體間化學(xué)反應(yīng)形成的CO2已被捕獲，并在自然界的地下環(huán)境中以碳酸鹽礦物形式、溶液形式、氣體或超臨界形式存儲(chǔ)。在工程上CO2被注入地下地質(zhì)巖層，首先于20世紀(jì)70年代初在美國(guó)得克薩斯州被采用，其目的主要是作為EOR(提高石油采集率)的一部分。之后人為CO2的地質(zhì)存儲(chǔ)，也在70年代首先作為溫室氣體減排可選方案被提出，但隨后的研究工作很少，直到20世紀(jì)90年代初，通過一些個(gè)人和研

5、究小組的工作，這種概念才得到認(rèn)可。目前CO2地質(zhì)存儲(chǔ)方案已經(jīng)從只被被大家廣泛關(guān)注CO2減排方案。取得了一定的進(jìn)展，示范性和商業(yè)性項(xiàng)目初步取得了成功，技術(shù)可信度的水平有了提高；第二，在認(rèn)識(shí)上有了共識(shí)，人們已經(jīng)普遍認(rèn)可要促使CO2減排，需要采取多種途徑；第三，地質(zhì)存儲(chǔ)能夠使我們大大減少CO2向大氣的排放。但是，這種可能性要變成現(xiàn)實(shí)，其技術(shù)必須是安全的，在環(huán)保上要有持久性，其成本可以接受，并能夠被廣泛應(yīng)用。2.2 碳捕獲和存儲(chǔ)的主要機(jī)理碳捕獲和存儲(chǔ)技術(shù)主要由3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：(1) CO2的捕獲，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。(2) CO2的運(yùn)輸，指將分離并壓縮后的

6、CO2通過管道或運(yùn)輸工具運(yùn)至存儲(chǔ)地。(3) CO2的存儲(chǔ)，指將運(yùn)抵存儲(chǔ)地的CO2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水柱或海床以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。2.2.1 碳捕獲對(duì)于大量分散型的CO2排放源是難于實(shí)現(xiàn)碳的收集，因此碳捕獲的主要目標(biāo)是像化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2的集中排放源。針對(duì)電廠排放的CO2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類：燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離?；瘜W(xué)溶劑吸收法是當(dāng)前最好的燃燒后CO2收集法，具有較高的捕集效率和選擇性，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、

7、膜分離等方法。化學(xué)吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之問的可逆化學(xué)反應(yīng)。由于燃煤煙氣中不僅含有CO2、N2、O2和H20，還含有SOx、NOx、塵埃、HC1、HF等污染物。雜質(zhì)的存在會(huì)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4060 ，CO2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(gè)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

8、再生。水蒸汽經(jīng)過凝結(jié)器返回再生塔，而CO2離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運(yùn)回吸收塔。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8098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(chǔ)。CO2在高密度超臨界下通過管道運(yùn)輸，其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2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

9、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、變壓吸附和低溫蒸餾。燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個(gè)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CO2和H2為主的混合氣體(稱為合成氣)，其中與蒸汽的反應(yīng)稱為“蒸汽重整”，需在高溫下進(jìn)行；對(duì)于液體或氣體燃料與O2的反應(yīng)稱為“部分氧化”，而對(duì)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H 。最后，將H2從CO2與H 的混合氣中分離，干燥的混合氣

10、中CO2的含量可達(dá)1560，總壓力27MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲(chǔ)，H2被用作燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的燃料送人燃?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(chǔ)的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離CO2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CO2，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CO2類似)、物理吸收(常用于具有高的CO2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。2.2.2 運(yùn)輸輸送大量CO2的最經(jīng)濟(jì)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，

11、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(duì)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4070。由于管道運(yùn)輸是成熟的技術(shù)，因此其成本的下降空間預(yù)計(jì)不大。對(duì)于250 km的運(yùn)距，管道運(yùn)輸?shù)某杀疽话銥?8美元/tCO2。當(dāng)運(yùn)輸距離較長(zhǎng)時(shí)，船運(yùn)將具有競(jìng)爭(zhēng)力，船運(yùn)的成本與運(yùn)距的關(guān)系極大。當(dāng)輸送5 Mt CO2、運(yùn)距為500km時(shí)，船運(yùn)的成本為l030美元/tCO2(或515美元/t CO2·250km)。當(dāng)輸送同樣的CO2，運(yùn)距增加到1500km時(shí)，船運(yùn)成本將降到20-35美元/tCO2 (或3.56.0美元(t CO2·250km)，與管道運(yùn)輸?shù)某杀鞠?/p>

12、當(dāng)。2.2.3 地質(zhì)存儲(chǔ)CO2的地質(zhì)存儲(chǔ)包括在廢棄油氣中的存儲(chǔ)、用于強(qiáng)化開采油的碳存儲(chǔ)、在煤層中的碳存儲(chǔ)以及在鹽水層中的碳存儲(chǔ)。地下地質(zhì)巖層由顆粒(如石英)或礦石(如碳酸鈣)組成。在顆?；虻V石之間孑L隙性空間充有流體(如水、油、氣)。開口的斷層和洞穴也會(huì)充滿流體。向浸透性巖層的孔隙性空間和斷層注入的CO2能夠替代原有位置的流體，或者CO2可以溶解在流體中，或者與礦石顆粒發(fā)生反應(yīng)，或可能出現(xiàn)這些過程中某些組合。用泵向井下注入CO2，通過在井底部的鑿孔或篩子使CO2進(jìn)入巖層。鑿孔或篩子的間隔距離通常是在10-100m的量級(jí)，這取決于巖層的可滲透性和厚度。CO2的注入會(huì)提高井附近巖層的壓力，從而使C

13、O2進(jìn)入該巖層原先由巖層流體所占據(jù)的孔隙性空間。在巖層內(nèi)建立的壓力大小和空間分布取決于注入巖層的可滲透性和厚度、其中是否有影響滲透性的屏障以及區(qū)域水文地質(zhì)系統(tǒng)的幾何大小等。一旦注入該巖層，有下列主要的流動(dòng)和輸運(yùn)機(jī)理將影響CO2的輸送：流體流動(dòng)(移動(dòng))與注入過程產(chǎn)生的壓力梯度的關(guān)系。流體流動(dòng)與自然水壓梯度的關(guān)系。CO2和巖層流體之間密度差引起的浮力。擴(kuò)散。巖層不均勻性和CO2和巖層流體之間的遷移率差異所引起的彌散和觸碰。在巖層流體中的溶解。礦化。CO2吸附。當(dāng)CO2注入到一個(gè)氣貯藏庫時(shí)，會(huì)形成由天然氣和CO2組成的單一流體相。當(dāng)CO2注入深鹽水層時(shí)，也許是一種流體相，或是一種超臨界的密相流化床，

14、它在水中是不混合的。CO2注入到油貯藏庫，也許是易混合的，也許是不易混合的，這取決于油的組成和系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)。當(dāng)CO2注入到煤層時(shí)，發(fā)生的過程更為復(fù)雜，不僅涉及上面列出的過程，還有氣體的吸附和解吸的問題，特別是對(duì)于先前在煤上吸附的甲烷，還有煤本身的腫脹或收縮問題。浮力會(huì)造成流體在巖層中垂直流動(dòng)，浮力大小與巖層內(nèi)流體的類型有關(guān)。在鹽水層，CO2和巖層水之間有較大的密度差，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的浮力，使CO向上移動(dòng)。在寧III 藏庫，密度差不大，因而浮力不在氣貯藏庫，會(huì)出現(xiàn)相反的情況，即由于CO2的密度比天然氣大，CO2會(huì)在浮力所作用下向下移動(dòng)。在鹽水層和油貯藏庫，由于浮力的驅(qū)動(dòng)，注入的CO2，煙羽會(huì)向上

15、移動(dòng)到蓋巖基礎(chǔ)的最高點(diǎn)。不過，注入的CO2不會(huì)均勻移動(dòng)。CO2煙羽通過巖石基體后，其形狀強(qiáng)烈地受巖層非均勻性的影響。存儲(chǔ)巖層內(nèi)出現(xiàn)低滲透層有利于抵消浮力效應(yīng)，從而防止CO2迅速向上移動(dòng)。當(dāng)CO2移動(dòng)通過巖層時(shí)，會(huì)有一部分CO2溶解在巖層水中。在開放式的流體系統(tǒng)中，按貯藏庫規(guī)模的數(shù)值模擬表明，注入的CO2在幾十年內(nèi)會(huì)有很大一部分(可高達(dá)30)溶解在巖層水中。如果注入的CO2包在一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)(如貯藏庫)中，因?yàn)榕c非飽和的巖層水接觸變少了，完全溶解CO2將需要更長(zhǎng)的時(shí)間。一旦CO2溶解在巖層的流體中，CO2就會(huì)按區(qū)域水力梯度沿著區(qū)域地下水移動(dòng)。對(duì)于低滲透性和高鹽分的深層沉積性盆地，地下水流動(dòng)速度是

16、很低的，典型的只有每年數(shù)厘米的量級(jí)。因此，溶解CO2的移動(dòng)速率比單相CO2的移動(dòng)速率低得多。在CO2移動(dòng)通過巖層時(shí)，會(huì)有一些CO2因毛細(xì)作用力而滯留在孔隙性空間中，這種現(xiàn)象通常稱為“殘留氣體的捕獲”，它可以使一定量的CO2固定不動(dòng)。當(dāng)捕獲程度高并且CO2被注入到厚巖層的底部時(shí)，所有的CO2都可以通過這種機(jī)理被捕獲，甚至在達(dá)到蓋巖(巖層頂部)以前?！皻埩魵怏w飽和值”是與巖層密切相關(guān)的，對(duì)于許多典型的存儲(chǔ)巖層，殘留氣體飽和值可以高達(dá)15%25%。隨著時(shí)間的推移，所捕獲的大部分CO2可以溶解在巖層水中。除了CO2在巖層水中溶解之外，CO2還會(huì)有進(jìn)一步的地球化學(xué)反應(yīng)。地質(zhì)存儲(chǔ)的有效性與物理和地球化學(xué)捕

17、獲機(jī)理有關(guān)。最有效的存儲(chǔ)場(chǎng)址是CO2不移動(dòng)的場(chǎng)址，它被永久地捕獲在厚厚的低滲透性的密封層內(nèi)，或者CO2轉(zhuǎn)換成固態(tài)的礦石或被吸附在煤微孔的表面。某些存儲(chǔ)場(chǎng)址可以通過物理和化學(xué)捕獲的結(jié)合得到合適的存儲(chǔ)效率。在密封的巖層(如很低滲透性的頁巖、鹽層等)下的物理捕獲是地質(zhì)存儲(chǔ)CO2的基本手段。有許多沉積性盆地已經(jīng)關(guān)閉，在物理上是受約束的圈閉(trap)或是構(gòu)筑物；某些圈閉已被油和氣所占據(jù)，余下的圈閉被鹽水所占據(jù)。在沉積性盆地內(nèi)有各種類型的物理圈閉，最為普通的是2種：地層性圈閉和結(jié)構(gòu)性圈閉。這兩種圈閉都適宜CO2的存儲(chǔ)，但是必須小心處理，貯藏庫不能過壓，不使蓋巖產(chǎn)生斷裂，不使現(xiàn)有的斷層成為活動(dòng)斷層。地下的

18、CO2可能同巖石發(fā)生一系列的地球化學(xué)相互作用，從而進(jìn)一步增加存儲(chǔ)容量和效率。首先，當(dāng)CO2溶解在巖層水中，會(huì)出現(xiàn)通常稱為溶解捕獲的過程。其次，將形成離子形式，出現(xiàn)稱為離子捕獲的過程，隨著pH值的提高，許多巖石會(huì)溶解。最后，有一些可能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)態(tài)的碳酸鹽礦物相，這一過程稱為礦物捕獲，是最持久的地質(zhì)存儲(chǔ)形式。礦物捕獲是比較慢的，可能要上千年或者更長(zhǎng)。盡管如此，礦物存儲(chǔ)的持久性，連同在某些地質(zhì)環(huán)境下可能出現(xiàn)大的存儲(chǔ)容量，是長(zhǎng)期存儲(chǔ)所需要的特性。在合適的巖層、在沒有明顯泄漏途徑、或沒有開口的裂縫或斷層情況下，注入的CO2可以持留很長(zhǎng)的時(shí)間。而且由于多重捕獲機(jī)理的共同作用，隨著時(shí)間的推移，CO2的移動(dòng)性將

19、越來越小，泄漏的可能性將減少。只要給出合適的操作程序，在一個(gè)合適的、有良好特性的地質(zhì)巖層中存儲(chǔ)的CO2將能夠存儲(chǔ)數(shù)百萬年。三、CCS技術(shù)進(jìn)展CCS技術(shù)是指將CO2從相關(guān)排放燃燒源捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海洋等地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期封存，從而阻止或顯著減少CO2向大氣中排放。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(chǎng)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。隨著全球面臨的氣候問題日益嚴(yán)峻，各國(guó)政府非常重視對(duì)CCS技術(shù)研究的支持。美國(guó)、歐盟、澳大利亞、加拿大、挪威等國(guó)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(yàn)、示范和應(yīng)用研究，并且已經(jīng)有了成功

20、的實(shí)例。其中，美國(guó)走在世界最前列，針對(duì)CCS技術(shù)的科研規(guī)劃和項(xiàng)目組織實(shí)施較為周密完善。美國(guó)于2000年開始由能源部主持正式開展CO2封存研究和發(fā)展項(xiàng)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。2005年美國(guó)已開展了25個(gè)CO2地下構(gòu)造注入、儲(chǔ)存與監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并已進(jìn)入驗(yàn)證階段。為加強(qiáng)國(guó)際合作，2003年，美國(guó)發(fā)起成立了“碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇”， 目前共有美國(guó)、加拿大、歐盟、英國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)、挪威、巴西、意大利、印度、中國(guó)、哥倫比亞、墨西哥、俄羅斯、南非、法國(guó)等22個(gè)成員，共同組織開展理論與實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)前，國(guó)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

21、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)及固化條件；注C02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(zhǎng)距離管道運(yùn)輸CO2的化學(xué)腐蝕機(jī)理與規(guī)律等。四、我國(guó)CCS技術(shù)發(fā)展概況我國(guó)于1992年6月和1998年5月分別簽署了聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約和 京都議定書。作為發(fā)展中國(guó)家。我國(guó)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(guó)CO2排放總量大，目前已位居世界第二，僅次于美國(guó)。據(jù)有關(guān)專家初步估算，預(yù)計(jì)20252030年左右，我國(guó)CO2排放量將達(dá)到67-10st。成為世界第一大排放國(guó)。作為負(fù)責(zé)任的大國(guó)，我國(guó)政府高度重視

22、氣候變化與溫室氣體排放問題，19902005年間我國(guó)萬元GDP能耗年均下降率達(dá)4.1%。相當(dāng)于節(jié)約8×10st以上標(biāo)準(zhǔn)煤，減少了1810stCO2排放。同時(shí)，政府提出了在20062010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(guó)際社會(huì)一起，積極尋求應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑，并根據(jù)自己的能力和國(guó)情為減緩氣候變化做出應(yīng)盡的努力。國(guó)家對(duì)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(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃；在國(guó)家科技部2007年的中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化科技專項(xiàng)行動(dòng)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(diǎn)被列入專項(xiàng)行動(dòng)的

23、四個(gè)主要活動(dòng)領(lǐng)域之一。“十一五”期間，國(guó)家“863”計(jì)劃也對(duì)發(fā)展CCS技術(shù)給予很大支持。2007年6月國(guó)家發(fā)改委公布的中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案中強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)開發(fā)CO2的捕獲和封存技術(shù)，并加強(qiáng)國(guó)際間氣候變化技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與轉(zhuǎn)讓。我國(guó)與國(guó)際社會(huì)一起積極開展了CCS技術(shù)研究與項(xiàng)目合作。2007年啟動(dòng)了“中歐碳捕獲與封存合作行動(dòng)fCOACH)”，12個(gè)歐方機(jī)構(gòu)和8個(gè)中方機(jī)構(gòu)參與了COACH行動(dòng)。2007年11月20日，啟動(dòng)了“燃煤發(fā)電二氧化碳低排放英中合作項(xiàng)目”。2008年1月25日，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司以下簡(jiǎn)稱“中聯(lián)煤”與加拿大百達(dá)門公司、香港環(huán)能國(guó)際控股公司簽署了“深煤層注入/埋藏二氧化碳開采煤層

24、氣技術(shù)研究”項(xiàng)目合作協(xié)議。自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合作，成功實(shí)施了淺部煤層的CO2單井注入試驗(yàn)。中國(guó)石油作為肩負(fù)經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)責(zé)任的大型國(guó)企為展現(xiàn)保護(hù)環(huán)境的良好社會(huì)形象，率先在國(guó)內(nèi)開展了利用CCS技術(shù)提高油田采收率的研究與應(yīng)用工作，于2007年4月啟動(dòng)了重大科技專項(xiàng)及資源綜合利用研究”。五、小結(jié)CCS技術(shù)是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模CO2減排技術(shù)，世界上許多國(guó)家和公司開展了相關(guān)的探索性研究與實(shí)踐， 隨著技術(shù)的逐漸成熟，CCS技術(shù)成本將進(jìn)一步降低，應(yīng)用前景廣闊。 通過將CO2封存入油氣田，既可減少CO2排放，又可提高油氣田采收率的CCSEOR技術(shù)，近年來在

25、世界范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注，許多國(guó)家和大型石油公司都開展了該技術(shù)的研究與應(yīng)用。 雖然近幾年CCS技術(shù)發(fā)展很快，但從整體來看，該技術(shù)目前仍處于前期研究階段，有關(guān)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和立法方面的不確定性因素仍然存在，還存在可能的泄露、技術(shù)難點(diǎn)、公眾認(rèn)知不夠等問題，需要進(jìn)一步的深入研究。離真正大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用仍需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。CCS技術(shù)項(xiàng)目投資較大，而且在短期內(nèi)投資難以回收。目前開展的一些項(xiàng)目都是由政府提供資金支持下的示范性項(xiàng)目。如果沒有政府在立法和稅收機(jī)制上的激勵(lì)與優(yōu)惠措施配套,CCS技術(shù)就無法真正進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。CCS技術(shù)的發(fā)展需要加強(qiáng)國(guó)際合作，尤其需要在技術(shù)、立法、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行合作，聯(lián)合國(guó)正

26、在考慮將此類項(xiàng)目納入京都議定書的CDM合作機(jī)制，以促進(jìn)項(xiàng)目融資和技術(shù)推廣應(yīng)用，鼓勵(lì)發(fā)達(dá)國(guó)家在發(fā)展中國(guó)家應(yīng)用CCS技術(shù)，推進(jìn)其發(fā)展。 作為CO2排放大國(guó)，我國(guó)積極參與溫室氣體減排行動(dòng)，密切關(guān)注CCS技術(shù)進(jìn)展，并著手開展了一些研究與實(shí)踐工作，今后將在全球CCS活動(dòng)中發(fā)揮更大的作用。2. 碳捕捉與封存技術(shù)提出背景政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)在第三次評(píng)估報(bào)告中指出,地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。而這一氣候變化的發(fā)生是與大氣中溫室氣體的增加所產(chǎn)生的自然溫室效應(yīng)緊密聯(lián)系的。CO2是其中對(duì)氣候變化影響最大的氣體,它產(chǎn)生的增溫效應(yīng)占所有溫室氣體總增溫效應(yīng)的63%,且在大氣中的留存期

27、最長(zhǎng),可達(dá)到200年。一系列的研究表明,全球氣候變化對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響,進(jìn)而威脅到人類社會(huì)的生存和發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)氣候變化可能帶來的不利影響, 20世紀(jì)80年代末以來,國(guó)際社會(huì)對(duì)氣候變化問題給予了極大的關(guān)注和努力。1992年通過的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約表達(dá)了國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)的行動(dòng)意愿,是為解決氣候變化問題建立的基本國(guó)際政治和法律框架。199年通過的京都議定書規(guī)定了20082012年全球減少排放溫室氣體的具體目標(biāo),提出了發(fā)達(dá)國(guó)家減少溫室氣體排放的量化指標(biāo),該議定書已于2005年2月16日正式生效。為減少溫室氣體的排放,世界各國(guó)均采取了一系列措施。根據(jù)主要發(fā)達(dá)國(guó)家締約方在國(guó)家信息通報(bào)

28、中提到的溫室氣體減排政策和措施主要包括:通過市場(chǎng)機(jī)制(如稅收、法規(guī))等提高能源效率、促進(jìn)可再生能源的開發(fā)和技術(shù)推廣、制定能源效率的標(biāo)準(zhǔn)、在各種終端用能部門制定自愿或強(qiáng)制政策、采取補(bǔ)貼、技術(shù)更新、管理等措施減少甲烷和氧化亞氮的排放、與工業(yè)部門達(dá)成協(xié)議或研究替代、回收的其他溫室氣體(如HFCs)減排措施等。但按照目前的情況看,要實(shí)現(xiàn)議定書所規(guī)定的目標(biāo)仍是非常困難的。在未來幾個(gè)世紀(jì),預(yù)計(jì)能源使用和消耗將進(jìn)一步增加。根據(jù)國(guó)際能源署的報(bào)告, 2001年全球能源消費(fèi)為404×1015Btu(1 Btu=1 055. 056 J),預(yù)計(jì)到2025年全球能源消費(fèi)將達(dá)到623×1015Btu

29、,也就是說在25年的時(shí)間內(nèi),全球的能源消費(fèi)將上升1. 5倍。對(duì)全球化石燃料所排放的CO2,無論是天然氣、煤炭還是石油,CO2的排放都呈上升態(tài)勢(shì)。因此,國(guó)際社會(huì)對(duì)化石燃料的長(zhǎng)期依賴迫使各國(guó)需要尋求其他的減排方法。以美國(guó)為首的一些國(guó)家認(rèn)為,碳捕獲和存儲(chǔ)技術(shù)將是可選擇的方案之一。3. CCS技術(shù)對(duì)全球減緩碳排放的作用IEA(international energy agency)應(yīng)用能源技術(shù)展望模型分析了CCS技術(shù)對(duì)全球未來碳減排的潛在作用。在50 US S/t的碳稅(以CO2計(jì))情景(GLO50)下，CCS技術(shù)將于2015年開始得到應(yīng)用，至2020年、2030年、2050年,約2·3、8

30、·5、18·1 Gt的CO2將分別被捕獲并且埋存。到2020年、2030年、2050年，發(fā)電廠的捕獲量將分別占所有CO2捕獲量的53%、70%、80%，其余的捕獲量來自燃料加工處理和制造業(yè)(比如合成氨、鋼鐵、水泥的生產(chǎn))。而且使用IGCC或基于IGCC的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將在未來CCS技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，到2030年它們捕獲CO2的量將占據(jù)所有捕獲量的一半。應(yīng)用CCS的發(fā)電技術(shù)的發(fā)電量將從2030年的27 EJ增加到2050年的60 EJ,如圖所示。到2030年、2050年，考慮CCS技術(shù)的燃煤發(fā)電廠的發(fā)電量將分別占到60%、69%，而考慮碳收集與埋存的燃?xì)獍l(fā)電廠的比

31、例分別為28%、23%，從2025年開始，基于IGCC的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將快速發(fā)展，其中3/4的合成燃料為氫。到2050年，這些多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的CO2捕獲量將達(dá)到10 Gt(其中2/3來自電、氫聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng))，占總捕獲量的54%。4. 碳捕捉與封存技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在, CCS技術(shù)已受到國(guó)際科技和產(chǎn)業(yè)界的密切關(guān)注。由于其與現(xiàn)有能源系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)造的一致性,受能源資源條件限制較小,該技術(shù)尤其受到工業(yè)化國(guó)家的廣泛關(guān)注與密切重視,美國(guó)、歐盟和加拿大等都制定了相應(yīng)的技術(shù)研究規(guī)劃,開展CCS技術(shù)的理論、試驗(yàn)、示范及應(yīng)用研究。根據(jù)國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì),截至到目前,全世界共有碳捕獲商業(yè)項(xiàng)目131個(gè),捕獲研發(fā)項(xiàng)目42個(gè),地質(zhì)埋存示范

32、項(xiàng)目20個(gè),地質(zhì)埋存研發(fā)項(xiàng)目61個(gè)。其中,比較知名的有挪威Sleipner項(xiàng)目、加拿大Weyburn項(xiàng)目和阿爾及利亞In Salah項(xiàng)目等。近年來,歐美國(guó)家又開始把火力發(fā)電廠排放的CO2作為主要儲(chǔ)存對(duì)象,開始進(jìn)行地下儲(chǔ)存的實(shí)驗(yàn)。2002年11月開始,美國(guó)能源部在西維吉尼亞新港口美國(guó)電力能源公司(AEP)的山頂電廠開展利用地質(zhì)學(xué)方法存儲(chǔ)CO2的研究項(xiàng)目; 2003年2月,歐盟委員會(huì)資助的“二氧化碳儲(chǔ)存”研究項(xiàng)目在丹麥、德國(guó)、挪威與英國(guó)開展儲(chǔ)存發(fā)電廠排放的CO2儲(chǔ)層性質(zhì)的研究;目前,在示范項(xiàng)目方面,全球范圍內(nèi)已有幾個(gè)250MW規(guī)模的IGCC燃煤電廠建成。在CCS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方面, 2004年9月14日

33、在澳大利亞墨爾本召開的世界碳固存領(lǐng)導(dǎo)人論壇上,國(guó)際合作推動(dòng)的10個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目得到確認(rèn),與會(huì)的國(guó)家對(duì)碳固存的國(guó)際合作均表示出濃厚的興趣。以上述已經(jīng)進(jìn)行的項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)說明, CCS技術(shù)是一項(xiàng)極具潛力的減少CO2排放的前沿技術(shù),該技術(shù)有可能在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)雙贏局面。因此,我國(guó)也應(yīng)密切關(guān)注CCS技術(shù)的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展,及早開展相關(guān)技術(shù)研究規(guī)劃和理論與試驗(yàn)的示范與應(yīng)用。案例：以美國(guó)為例，美國(guó)于2000年開始由美國(guó)能源部主持正式開展CO2封存研究和發(fā)展項(xiàng)目,其中將地質(zhì)封存和海洋封存列為主要研究領(lǐng)域,同時(shí)研究陸地生態(tài)系統(tǒng)(森林、土壤、植被等)對(duì)二氧化碳的隔離作用,并制訂了詳細(xì)的技術(shù)路線

34、圖,詳情見下表2005年美國(guó)已開展了25個(gè)CO2地下構(gòu)造注入、儲(chǔ)存與監(jiān)測(cè)的外場(chǎng)試驗(yàn),并已進(jìn)入驗(yàn)證階段。5. CCS技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用的研究意義我國(guó)是世界上煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó),由于石油和天然氣資源有限, 21世紀(jì)的主要能源仍然是煤炭。根據(jù)國(guó)家信息中心的預(yù)測(cè),國(guó)內(nèi)的石油生產(chǎn)能力在2015年前后即將達(dá)到高峰期,而天然氣和可再生能源所占份額盡管會(huì)一直處于增長(zhǎng)狀態(tài),但由于稟賦和成本所限,這兩者所占份額之和也仍然很有限,不可能大規(guī)模地替代化石能源,因此煤炭仍將作為主要的化石燃料供給能源消耗。而根據(jù)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu),按照現(xiàn)在的工業(yè)發(fā)展能力,要保持或提高生活水平,煤炭在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)就必然要更多地用于滿足不斷

35、增長(zhǎng)的能源需求。因此,作為CO2排放的第二大國(guó),我國(guó)CO2排放量超過美國(guó)只是時(shí)間問題。面臨著這種來自國(guó)際社會(huì)和國(guó)內(nèi)發(fā)展的雙重壓力,面臨著這種能源發(fā)展態(tài)勢(shì)和煤炭的嚴(yán)重污染,需要即刻開展相關(guān)重點(diǎn)研究并逐步實(shí)施一系列重大戰(zhàn)略和重要技術(shù),以此來減少CO2排放而又不降低能源服務(wù)水平和人民生活水平。首先,在戰(zhàn)略上必須從國(guó)情出發(fā),構(gòu)建科學(xué)合理的能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)一體化的能源資源利用系統(tǒng),以此支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展;其次,在技術(shù)上要采取更積極的態(tài)度,將CO2加以收集和壓縮并儲(chǔ)存到地下。雖然截止到現(xiàn)在,有關(guān)CCS的研究仍不完善,將其儲(chǔ)于地下或深海將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生何種以及何程度的影響仍未明晰,但值得肯定的是,隨著研究的不

36、斷發(fā)展和邊干邊學(xué)效應(yīng)的持續(xù)深入, CCS技術(shù)必將日益成熟,也非常有可能成為未來各國(guó)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)最主要的方法。但是,利用CCS技術(shù)時(shí)可捕獲的CO2源有很多,結(jié)合我國(guó)國(guó)情對(duì)CCS技術(shù)開展研究應(yīng)從何入手呢?前述的很多中國(guó)學(xué)者已對(duì)此進(jìn)行了一定程度的研究,共同的結(jié)論是工業(yè)生產(chǎn)和電力行業(yè)是主要的排放源,而在電力行業(yè)中,又以煤炭、石油、天然氣作為主要燃料的火力發(fā)電廠為排放量最大的部門。其中,火電、水泥、鋼鐵3類企業(yè)是主要排放源,排放量約占91·7%,是最為主要的二氧化碳排放源。目前有關(guān)CCS技術(shù)的文獻(xiàn)顯示,關(guān)于CCS應(yīng)用行業(yè)的相關(guān)研究中定性研究多于定量分析,缺乏結(jié)合技術(shù)成本和捕獲規(guī)模的詳細(xì)定量研究

37、。而從實(shí)踐的觀點(diǎn)來看, CCS項(xiàng)目必須同時(shí)滿足技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)可行,技術(shù)可行意味著項(xiàng)目滿足技術(shù)上的可操作性,經(jīng)濟(jì)可行意味著進(jìn)行項(xiàng)目的成本有效。所以,一個(gè)可行的CCS項(xiàng)目除了必須選擇固定排放源之外,還要在捕獲規(guī)模和捕獲成本兩個(gè)方面具備可操作性。因此,結(jié)合捕獲成本和捕獲規(guī)模對(duì)CCS應(yīng)用部門進(jìn)行定量研究顯得尤為必要。綜上所述, CCS技術(shù)可能是一項(xiàng)應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境提出的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的可選措施,也是一項(xiàng)應(yīng)對(duì)氣候變化的重大戰(zhàn)略舉措。而在CCS技術(shù)應(yīng)用的層面來講,從電力行業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的煙道氣中分離CO2進(jìn)行地下儲(chǔ)存,是最為有效的途徑,但關(guān)于CCS技術(shù)應(yīng)用的具體部門還有待結(jié)合捕獲規(guī)模和捕獲成本進(jìn)行定量研究。但顯而易

38、見的是,火力發(fā)電廠由于其排放量大,且易于分離和富集CO2,是應(yīng)用CCS技術(shù)潛力最大的部門。6. 碳捕捉與封存技術(shù)的基本概況介紹碳捕捉與封存技術(shù)的基本概況，包括：碳捕捉與封存技術(shù)簡(jiǎn)述碳捕獲技術(shù)簡(jiǎn)介碳運(yùn)輸技術(shù)簡(jiǎn)介碳封存技術(shù)簡(jiǎn)介碳的地質(zhì)封存技術(shù)碳的海洋封存技術(shù)碳的礦石碳化封存和工業(yè)利用6.1 碳捕捉與封存技術(shù)簡(jiǎn)述碳捕獲和封存(以下簡(jiǎn)稱CCS)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(chǔ)到某處使其長(zhǎng)期與大氣隔離的過程。CCS主要由捕獲、運(yùn)輸、封存三個(gè)環(huán)節(jié)組成。捕獲CO2的捕獲，指將CO2從化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中分離出來,并將其壓縮的過程。對(duì)于大量分散型的CO2排放源是難于實(shí)現(xiàn)碳的收集

39、,碳捕獲的主要目標(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。目前針對(duì)化石燃料電廠的捕獲分離系統(tǒng)主要有三種，即燃燒后捕獲系統(tǒng)、燃燒前捕獲系統(tǒng)和氧化燃料捕獲系統(tǒng)。CO2捕獲已經(jīng)在一些工業(yè)應(yīng)用中采用,馬來西亞一家工廠采用化學(xué)吸附工藝,每年從燃?xì)怆姀S的煙道氣流中分離出0·2×106t的CO2,用于尿素生產(chǎn)。美國(guó)北達(dá)科他州煤氣化工廠采用物理溶劑工藝,每年從氣流中分離出3·3×106t的CO2,用于生產(chǎn)合成天然氣,捕獲的一部分CO2用于加拿大的強(qiáng)化采油項(xiàng)目。運(yùn)輸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(chǔ)地。第一條長(zhǎng)距

40、離的CO2輸送管道于20世紀(jì)70年代初投入運(yùn)行。在美國(guó),有超過2, 500公里的CO2輸送管道,通過這些管道,每年有大約40×106t的CO2被運(yùn)輸?shù)降驴怂_斯州用于強(qiáng)化采油。封存CO2的存儲(chǔ),指將運(yùn)抵存儲(chǔ)地的CO2注入到如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤礦等地質(zhì)結(jié)構(gòu)層或者深海海底或海床以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。這個(gè)過程涉及許多在石油和天然氣開采和制造業(yè)中研發(fā)和普遍應(yīng)用的技術(shù),如用泵向井下注入CO2,并通過在井底部的鑿孔或篩子使CO2進(jìn)入巖層。此外CO2回注油田可以提高采油率,在煤層中注入CO2,可以回收煤層氣,這個(gè)過程也就是通常所說的強(qiáng)化采油(EOR)和強(qiáng)化采煤層氣(ECBM)。目前有三個(gè)工業(yè)規(guī)模

41、(大于1×108tCO2/a)的項(xiàng)目在采用這種技術(shù):北海的斯萊普內(nèi)爾(Sleipner)項(xiàng)目、加拿大的韋本(Weyburn)項(xiàng)目和阿爾及利亞的薩拉赫(Salah)項(xiàng)目。6.2 碳捕獲技術(shù)簡(jiǎn)介目前,主要有四種不同類型的CO2收集與捕獲系統(tǒng):燃燒后分離(煙氣分離)、燃料前分離(富氫燃?xì)饴肪€)、富氧燃燒和工業(yè)分離(化學(xué)循環(huán)燃燒),每種捕獲技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)及其成熟度見下表。在選擇捕獲系統(tǒng)時(shí),燃?xì)饬髦蠧O2濃度、燃?xì)饬鲏毫σ约叭剂项愋?固體還是氣體)都是需要考慮的重要因素。 對(duì)于大量分散型的CO2排放源是難于實(shí)現(xiàn)碳的收集,因此碳捕獲的主要目標(biāo)是像化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合

42、成氨廠等CO2的集中排放源。針對(duì)排放的CO2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類:燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。燃燒后系統(tǒng)介紹燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離?；瘜W(xué)溶劑吸收法是當(dāng)前最好的燃燒后CO2收集法,具有較高的捕集效率和選擇性,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、O2和H2O,還含有SOx、NOx、塵埃、HCl、HF等污染物。雜質(zhì)的存在會(huì)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

43、理后,進(jìn)入吸收塔,吸收塔溫度保持在4060,CO2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(gè)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CO2離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運(yùn)回吸收塔。富氧燃燒系統(tǒng)介紹富氧燃燒系統(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

44、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(chǔ)。CO2在高密度超臨界下通過管道運(yùn)輸,其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2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、變壓吸附和低溫蒸餾。燃燒前捕獲系統(tǒng)介紹燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個(gè)階段的反應(yīng)。首先，化石燃料

45、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),其中與蒸汽的反應(yīng)稱為“蒸汽重整”,需在高溫下進(jìn)行;對(duì)于液體或氣體燃料與O2的反應(yīng)稱為“部分氧化”,而對(duì)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H2。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)15%60%,總壓力27MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲(chǔ),H2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(chǔ)的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離C

46、O2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CO2,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CO2類似)、物理吸收(常用于具有高的CO2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。6.3 碳運(yùn)輸技術(shù)簡(jiǎn)介在CO2運(yùn)輸方面,目前最可行的辦法是利用管道輸送。管道是一種已成熟的市場(chǎng)技術(shù),將氣態(tài)的CO2進(jìn)行壓縮可以提高密度,從而可降低運(yùn)輸成本。也可以利用絕緣罐將液態(tài)CO2裝在罐車中進(jìn)行運(yùn)輸。在某些情況下,使用船舶運(yùn)輸CO2從經(jīng)濟(jì)角度講更具有吸引力,尤其是需要長(zhǎng)途運(yùn)輸或需將CO2運(yùn)至海外時(shí),但由于這種情況需求有限,故而目前運(yùn)輸規(guī)模較小。在技術(shù)上,公路和鐵

47、路罐車也是切實(shí)可行的方案。然而,除小規(guī)模運(yùn)輸之外,這類運(yùn)輸系統(tǒng)與管道和船舶相比則不經(jīng)濟(jì),不大可能用于大規(guī)模運(yùn)輸。目前,美國(guó)等國(guó)家在管道運(yùn)輸技術(shù)方面已很成熟,需要解決的問題是如何降低運(yùn)輸成本。運(yùn)輸成本主要取決于管道長(zhǎng)度和管道直徑,而由于捕獲(包括壓縮)成本非常高,使得運(yùn)輸成本在整個(gè)成本中所占比例較低。因此只要捕獲和封存成本較低,或?yàn)榱双@得其他一些收益(如提高油田采收率),許多國(guó)家不惜長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)母叱杀具h(yuǎn)距離輸送CO2。例如美國(guó)為提高原油采收率,采用遠(yuǎn)距離輸送高壓液態(tài)CO2,最長(zhǎng)的輸送管是綿羊山脈(Sheep Mountain)運(yùn)輸管道,它將南科羅拉多州的CO2運(yùn)至得克薩斯的二疊紀(jì)盆地,距離為65

48、6km。6.4 碳封存技術(shù)簡(jiǎn)介碳封存是指將捕獲、壓縮后的CO2運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期封存的過程。目前,主要的封存方式有地質(zhì)封存、海洋封存和碳酸鹽礦石固存等等。另外,一些工業(yè)流程也可在生產(chǎn)過程中利用和存儲(chǔ)少量被捕獲的CO2。但是,從普通電廠排放、未經(jīng)處理的煙道氣僅含有大約3%16%的CO2,可壓縮性比純的CO2小得多,而從燃煤電廠出來經(jīng)過壓縮的煙道氣中CO2含量也僅為15%,在這樣的條件下儲(chǔ)存1t CO2大約需要68m3儲(chǔ)存空間。因此,只有把CO2從煙氣里分離出來,才能充分有效地對(duì)它進(jìn)行地下處理。在將CO2封存到地下之后,為了防止CO2泄漏和或遷移,需要密封整個(gè)存儲(chǔ)空間。因此,選擇一個(gè)合適的具有

49、良好封閉性能的封存蓋層也十分重要,它可以起到一個(gè)“蓋子”的作用,以確保能把CO2長(zhǎng)期地封存在地下。比較有效的辦法是利用常規(guī)的地質(zhì)圈閉構(gòu)造,它包括氣田、油田和含水層,對(duì)于前兩種,由于他們是人類能源系統(tǒng)基礎(chǔ)的一部分,人們已熟悉他們的構(gòu)造和地質(zhì)條件,所以利用它們來儲(chǔ)存CO2就比較便利和合算;而含水層由于其非常普遍,因此在儲(chǔ)存CO2方面具有非常大的潛力。根據(jù)碳封存地點(diǎn)和方式的不同,可將碳封存方式分為地質(zhì)封存,海洋封存、碳酸鹽礦石固存以及工業(yè)利用固存等。其中,每種封存方式又包括不同的具體技術(shù),他們的發(fā)展現(xiàn)狀見下表。6.5 碳的地質(zhì)封存技術(shù)碳的地質(zhì)封存技術(shù)是直接將CO2注入地下的地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)中,如油田、天然

50、氣儲(chǔ)層、含鹽地層和不可采煤層等都適合CO2的儲(chǔ)存。地質(zhì)封存取決這些構(gòu)造的物理和地球化學(xué)的俘獲機(jī)理。CO2注入后,儲(chǔ)層構(gòu)造上方的大頁巖和粘質(zhì)巖起到了阻擋CO2向上流動(dòng)的物理俘獲作用。這個(gè)不透水層稱為“蓋層”(caprock)。毛管力提供的其他物理俘獲作用可將CO2留在儲(chǔ)層構(gòu)造的孔隙中。然而,在許多情況下,儲(chǔ)層構(gòu)造的一側(cè)或多側(cè)保持開口,以便于CO2在蓋層下側(cè)向流動(dòng)。隨著CO2與現(xiàn)場(chǎng)流體和寄巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng),地質(zhì)化學(xué)俘獲機(jī)理開始發(fā)揮作用。如果CO2在現(xiàn)場(chǎng)水中溶解(一般是在幾百a乃至幾千a內(nèi)),充滿CO2的水的密度越來越高,因此會(huì)沉伏于儲(chǔ)層構(gòu)造中而不是浮向地表。此外,溶解的CO2與巖石中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)

51、反應(yīng)形成離子類物質(zhì)并轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物質(zhì)。與地質(zhì)封存關(guān)聯(lián)的另一種處理方式是CO2的再利用。即將CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。這種方案比較具有吸引力,因其能夠從額外開采的石油中部分補(bǔ)償CO的儲(chǔ)存成本,但缺點(diǎn)是這類油田的地理分布不均,且開采潛力有限。不可采煤層也可用以儲(chǔ)存CO2,因其可吸附于煤層表面,但是否可行則取決于煤床的滲透性。儲(chǔ)存過程中會(huì)產(chǎn)生甲烷氣體,并可加以開采利用,即煤層氣回收增強(qiáng)技術(shù)(ECBM)。含鹽地層中主要是高度礦化的鹽水,并無利用價(jià)值,有時(shí)用于存放化學(xué)廢棄物。鹽堿含水層的主要優(yōu)點(diǎn)是其巨大的儲(chǔ)存容量,且地理分布較廣,對(duì)CO2的運(yùn)輸而言較為方便。但不象油田或煤層,在含鹽地層

52、中儲(chǔ)存CO2并不能產(chǎn)生任何有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的副產(chǎn)品,無形中提高了儲(chǔ)存成本。而且人們一直對(duì)這種構(gòu)造中儲(chǔ)存的CO2是否會(huì)泄漏存有疑問,不過最近的研究表明有幾種吸附機(jī)理可使CO2固定在鹽層下。到2005年共有3個(gè)工業(yè)級(jí)的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存項(xiàng)目在運(yùn)行之中。其中挪威Statoil公司開發(fā)的Sleipner天然氣田CO2封存項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)。該氣田于1996年投產(chǎn),位于北海,建有世界上第1個(gè)工業(yè)級(jí)CO2捕獲設(shè)施,處理方法是用醇胺溶劑從天然氣中吸收二氧化碳并通過回注鉆孔儲(chǔ)存于深達(dá)1000m海床下的含鹽地層中,處理能力約為每天2,800t。加拿大的Weyburn項(xiàng)目開始于2000年,是將美國(guó)北達(dá)科他州Beulah的大型

53、煤氣化裝置中捕獲的CO2輸送到加拿大Saskatchewan省東南部的Weyburn油田,用于增強(qiáng)采油,目前每年注入的CO2約為150萬t。第3個(gè)是位于阿爾及利亞的In Salah項(xiàng)目,與Sleipner類似,也是將從天然氣中分離的CO2注入地下,年處理量約為120萬t。地質(zhì)封存是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方案,據(jù)估算全球貯量至少可以達(dá)到2000Gt。6.6 碳的海洋封存技術(shù)由于CO2可溶解于水,通過水體與大氣的自然交換作用,海洋一直以來都在“默默”吸納著人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2。海洋中封存CO2的潛力理論上說是無限的。但實(shí)際封存量仍取決于海洋與大氣的平衡狀況。模擬分析表明,注入海洋的CO2將與大氣隔絕至

54、少幾百a。注入越深,保留的數(shù)量和時(shí)間就越長(zhǎng)。目前CO2的海洋封存主要有2種方案:一種是通過船或管道將CO2輸送到封存地點(diǎn),并注入1000m以上深度的海中,使其自然溶解；另一種是將CO2注入3000m以上深度的海里,由于CO2的密度大于海水,因此會(huì)在海底形成固態(tài)的CO2水化物或液態(tài)的CO2“湖”,從而大大延緩了CO2分解到環(huán)境中的過程。海洋封存尚未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用,也沒有小規(guī)模的試點(diǎn)示范,仍然處在研究階段。但有一些小規(guī)模的外場(chǎng)試驗(yàn)并已開展了為期25a的CO2海洋封存的理論、實(shí)驗(yàn)室和模擬研究。對(duì)CO2海洋封存的最大擔(dān)憂來自于其可能產(chǎn)生的環(huán)境影響,主要是對(duì)海洋生物的影響。根據(jù)一項(xiàng)為期數(shù)月的針對(duì)CO2升高

55、對(duì)海洋表面生物影響的試驗(yàn)研究結(jié)果,隨著時(shí)間的推移,鈣化的速度、繁殖、生長(zhǎng)、周期性供氧及活動(dòng)性放緩和死亡率上升,一些生物對(duì)CO2的少量增加就會(huì)做出反應(yīng)。在接近注入點(diǎn)或CO2湖泊時(shí)預(yù)計(jì)會(huì)立刻死亡。CO2升高對(duì)深層帶、深淵帶、海底帶生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響還缺乏充分的了解。盡管這些區(qū)域的生物相對(duì)稀少,但作用于其上的能量和化學(xué)效應(yīng)還需要作更多的觀察以發(fā)現(xiàn)潛在的問題。由于CO2與水反應(yīng)生成碳酸(H2CO3)會(huì)提高海水的酸性。為了加強(qiáng)封存效果,可以在封存地點(diǎn)溶解堿性礦物質(zhì),如石灰石等,以中和酸性的CO2。溶解的碳酸鹽礦物質(zhì)可以將封存時(shí)間延長(zhǎng)到大約10,000a,同時(shí)將海洋的pH值和CO2分壓的變化降至最低。

56、然而,該方法需要大量石灰石和材料處理所需的能源。海洋封存的另一個(gè)問題是溶解的CO2最終仍將回到大氣中,因此這種方法看來也并非是一勞永逸的。6.7 碳的礦石碳化封存和工業(yè)利用礦石碳化封存礦石碳化是利用CO2與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的碳酸鹽從而將CO2永久性地固化起來。這些物質(zhì)包括堿性和堿土氧化物,如氧化鎂(MgO)和氧化鈣(CaO)等,一般存在于天然形成的硅酸鹽巖中,例如蛇紋巖和橄欖石。這些物質(zhì)與CO2化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生諸如碳酸鎂(MgCO3)和碳酸鈣(CaCO3,石灰石)。由于自然反應(yīng)過程比較緩慢,因此需要對(duì)礦物作增強(qiáng)性預(yù)處理,但這是非常耗能的,據(jù)推測(cè)采用這種方式封存CO2的發(fā)電廠要多消耗60

57、%180%的能源。并且由于受到技術(shù)上可開采的硅酸鹽儲(chǔ)量的限制,礦石碳化封存CO2的潛力可能并不樂觀。工業(yè)利用工業(yè)利用實(shí)質(zhì)上是將CO2作為反應(yīng)物生產(chǎn)含碳化工產(chǎn)品,從而達(dá)到封存的目的。這些含碳化工產(chǎn)品包括尿素、甲醇的生產(chǎn),也可應(yīng)用于園藝、冷藏冷凍、食品包裝、焊接、飲料和滅火材料等方面。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全球的CO2利用量是每年約120Mt(30Mtc/a),其中大多數(shù)是用于生產(chǎn)尿素。工業(yè)利用從技術(shù)上看并不是一種理想的封存方案,因?yàn)樵诓煌墓I(yè)流程當(dāng)中,CO2的封存時(shí)間只有幾d,最多幾個(gè)月,然后會(huì)被再次降解為CO2,并排入大氣。從總體來看這對(duì)減緩氣候變化的并沒有實(shí)質(zhì)上的貢獻(xiàn),而且在很多情況下反而會(huì)造成總體

58、排放量的凈增加。7. 地質(zhì)封存CO2技術(shù)的詳細(xì)介紹與資源化利用介紹地質(zhì)封存CO2技術(shù)的詳細(xì)介紹與資源化利用，包括：地質(zhì)封存CO2的空間類型與封存量分析利用C02封存提高石油采收率工藝?yán)肅02封存提高煤層氣采收率利用C02封存提高含水層熱量采收率地質(zhì)封存CO2的安全與監(jiān)測(cè)技術(shù)7.1 利用C02封存提高煤層氣采收率利用C02提高煤層氣采收率，即C02ECBMR。煤層因其表面微孔隙具有不飽和能，易與非極性分子之間產(chǎn)生范德華力，從而具有吸附氣體的能力，其天然狀態(tài)下所吸附的含甲烷(通常達(dá)90%)、少量較重?zé)N類、COZ和NZ的天然混合氣體成為煤層氣(CBM)。根據(jù)煤對(duì)C02和CBM吸附能力的差異，來實(shí)施C02一ECBMR(C02一Enhanced Coal Bed Methane Recovery)。由于CO2比甲烷對(duì)煤具有更大的親和力(一定溫度和壓力下，煤體表面吸附C02的能力大約是吸附甲烷能力的2倍)，將C02注入煤層，C02將吸附于煤層，而驅(qū)替出甲烷。除非溫度升高或壓力降低，C02將不會(huì)因解吸而重返大氣。工藝示意圖如下圖： 深部煤層對(duì)C02成功處置有4項(xiàng)基本條件，包括相對(duì)均質(zhì)的煤儲(chǔ)層，飽和氣煤層埋藏于適當(dāng)?shù)纳疃?500一2000m)，位于簡(jiǎn)單的構(gòu)造帶，且在此處有非常高的滲透性。為了防止封存后C0