二氧化碳捕獲新材料

1、尋找碳捕獲材料新方法 加拿大卡爾加里大學和渥太華大學科學家成功利用X射線晶體成像儀和計算機模擬手段，對被稱為“棒球手套”的 捕碳材料如何捕捉二氧化碳分子進行了觀察和分析?？茖W家認為，該項成果為設計定制一種高效率、低能耗的捕碳 新材料指明了研究方向。相關文章發(fā)表在最新出版的科學矣ie些雜志上。目前采用的二氧化碳捕獲方法是將二氧化碳氣體注入氨溶液中。該項技術(shù)的弱點在于氨溶液吸收二氧化碳后，還需 要釋放二氧化碳以便進行儲存，在釋放二氧化碳時，溶液需要加熱到100攝氏度，這要耗去大量的能源和水資源。 據(jù)估算，燃煤發(fā)電廠如果使用該項技術(shù)捕獲儲存二氧化碳，需要消耗其四分之一的發(fā)電量。因此，找到一種既可輕松

2、捕獲二氧化碳，還可在低能耗和節(jié)水條件下輕松釋放出二氧化碳的新型材料，對于捕獲二 氧化碳技術(shù)的實際應用意義非常重大。加拿大科學家的研究發(fā)現(xiàn)正是為找到這種新型材料指明了方向，并提供了實 驗方法和計算機模擬方法。參與研究工作的科學家將捕捉二氧化碳形象地比作棒球手套與棒球之間的關系，在此將球比作二氧化碳，而 將手套比作可捕獲二氧化碳的材料。對于不同大小的球，需要不同尺寸的手套，才能更好地匹配，以便球手能夠更 加容易接到來球?？柤永锎髮W化學教授喬治斯密祖介紹說，他們使用X射線結(jié)晶成像儀直接實驗成像，并通過 計算機模型計算，確定了二氧化碳分子的確切位置，并可以清晰觀察到“手套”材料的各個“手指”如何合力

3、將二 氧化碳分子固定在其位置上。渥太華大學負責計算機模擬研究的科學家表示，該項發(fā)現(xiàn)的另一個特別之處在于，實驗結(jié)果和計算機模擬結(jié) 果之間表現(xiàn)出非常好的一致性。因此，其計算機模擬方法現(xiàn)在就可以更令人放心地應用于發(fā)現(xiàn)和預知材料的捕碳性 能，特別是在實驗室制作某種捕碳材料之前，可先在計算機上進行模擬。研究人員認為，該項研究成果最終可得到多方面的應用，既可幫助燃煤發(fā)電廠降低二氧化碳排放，還可幫助 去除非常規(guī)天然氣資源中的二氧化碳成分。（生物谷B）二氧化碳捕獲技術(shù)獲得重大進展二氧化碳的排放不斷助長著全球變暖、海平面上升及增加海洋的酸度。美國科學家在近期出版的美國科學雜 志上發(fā)表的一項最新研究稱，他們已開發(fā)

4、出一種能夠隔離并捕獲二氧化碳分子的新型材料，對減少二氧化碳等溫室 氣體排放技術(shù)有重要作用，也能使發(fā)電廠在無需使用有毒材料的情況下，提高二氧化碳的捕獲效率。該材料是由加州大學洛杉磯分校奧馬爾雅希率領的研究團隊研制的。雅希是研究使用復雜微觀結(jié)構(gòu)制作材料 的知名化學家。新材料屬于“沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料”（ZIFs），由金屬原子橋聯(lián)多個咪唑類環(huán)型有機分子組成。這種材料具有多孔和化學穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使得其擁有更大的表面積來吸收二氧化碳，而且在高溫下加熱也不會分解， 甚至在水或有機溶液中煮一個星期仍能保持穩(wěn)定。在1克重的該材料中包含的表面積最多可達2000平方米ZIF材 料的內(nèi)部可以存儲氣體分子，在化學結(jié)構(gòu)上

5、，它有一個類似于旋轉(zhuǎn)門的薄蓋，能夠讓大小合適的分子進入并將其存 儲，而將較大或者形狀不同的分子阻擋在外。研究人員在實驗中共合成了25個ZIFs晶體結(jié)構(gòu)，并證實其中3個（ZIF-68、ZIF-69、ZIF-70）對捕獲二氧化 碳具有高選擇性。雅希稱，ZIFs對二氧化碳的選擇性是其他一些材料不可比擬的。實驗證明了新材料能吸收大量二 氧化碳，但并不吸收其他氣體。研究表明，在0C和常壓下，1升這樣的材料可儲存82.6升的二氧化碳。從發(fā)電廠煙囪中捕捉二氧化碳的技術(shù)已經(jīng)存在已久，但要消耗大量的能源（約占到電廠總發(fā)電量的15%至20%）。 這是因為現(xiàn)有材料，如胺，必須經(jīng)過加熱才能釋放出吸收的二氧化碳。美國國

6、家能源技術(shù)實驗室項目經(jīng)理托馬斯費 雷表示，煤電廠利用現(xiàn)有方法捕捉和壓縮二氧化碳，生產(chǎn)成本可增加80%至90%。研究人員稱，二氧化碳的捕獲和封存，對減少溫室氣體的排放量將是必不可少的，特別是對像美國這樣嚴重依 賴于煤發(fā)電的國家。這種新材料的研制成功，為減少來自發(fā)電廠的二氧化碳排放量提供了一個潛在的廉價方式。由 于新材料可使用較少的能源，因此在降低成本方面，可媲美目前正在研制中的其他吸收二氧化碳的實驗材料。（記 者馮衛(wèi)東）上天為害，入地為寶淺議CO2捕獲技術(shù)與資源化利用趙連峰張永高李馨內(nèi)容摘要：全世界每年向大氣中排放的CO2總量接近300億噸，地球仿佛捂在一口鍋里，溫度逐漸升高，就形成“溫室效應”

7、。CO2是 氣候變化乃至造成嚴重自然災害的“罪魁禍首”，上天為害；但CO2具有兩面性，用于油田開發(fā)上則“入地為寶”。如何趨利避害，充分 發(fā)揮CO2的有利作用。美國在80年代就嘗試用CO2驅(qū)油，近年來大慶油田、勝利油田，濮陽油田在應用CO2驅(qū)油方面取得了重 大突破，初步實現(xiàn)了規(guī)?；瘧谩ｋS著CO2驅(qū)油技術(shù)被越來越多的科技工作者和石油工程技術(shù)人員認同。CO2捕獲技術(shù)日臻成熟， 捕獲成本不斷下降，從發(fā)展趨勢看，碳封存極有可能成為未來跨國石油公司獲取利潤的重要手段。關鍵詞：CO2捕獲技術(shù) 地質(zhì)封存 資源化利用。正文：眾所周知，在6種溫室氣體中，CO2對溫室效應的“貢獻率”最高，全世界每年向大氣中排放的

8、CO2總量接近300億噸。CO2 含量過高，就會使地球仿佛捂在一口鍋里，溫度逐漸升高，就形成“溫室效應”。在人們的印象里，CO2是氣候變化乃至造成嚴重自然 災害的“罪魁禍首”。但就是這“罪魁禍首”，在油田開發(fā)上則“上天為害，入地為寶”。因為CO2具有兩面性，利用得好則是利，否則是害， 關鍵在于如何趨利避害，充分發(fā)揮CO2的有利作用。幾年來，勝利油田、大慶油田等國內(nèi)外許多油田應用CO2驅(qū)油取得了重大突破，初步實現(xiàn)了規(guī)模化應用，成功地使其“上天為害” 轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭氲貫閷殹薄Ｈ济喊l(fā)電廠產(chǎn)生的上天為害的CO2, 2010年將在勝利油田入地為寶。油田煙氣CO2捕獲純化技術(shù)日前取得重大 突破，工業(yè)生產(chǎn)中試裝

9、置巳在勝利發(fā)電廠開工建設，工程建成投產(chǎn)后，被“捕獲”的CO2將被注入地下，成為驅(qū)油利器，同時，每年預 計可減少二氧化碳排放3萬多噸。一、CO2捕獲技術(shù)日臻成熟，工業(yè)化成本隨技術(shù)進步呈下降趨勢國內(nèi)外CO2捕獲技術(shù)巳日臻成熟無色無味的CO2,原本是空氣中常見的化合物，如今卻作為溫室氣體的主組成部分，成為全球 環(huán)境惡化的罪魁禍首之一，這著實讓CO2很委屈。如何變廢為寶，還被“妖魔化”的CO2以本來面目？在低碳經(jīng)濟熱遍全球的當下， CO2的減排、回收、封存及資源化利用技術(shù)巳成為全球關注的熱點。CO2除了惡化環(huán)境還能干什么？國內(nèi)外很多機構(gòu)在CO2封存及資源化利用方面開展了大量研究工作，其中捕獲CO2用于

10、三次 采油的模式(CCS+EOR)，由于實現(xiàn)了減排和利用雙贏而受到廣泛關注。怎樣實現(xiàn)由“殺手”到“英雄”的轉(zhuǎn)變？ CO2驅(qū)油技術(shù)是國際上三次采油中最先進的驅(qū)油技術(shù)，不但實現(xiàn)了 CO2封存，同時能夠有 效提高石油采收率，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。然而，CO2的來源問題成為了該項技術(shù)大規(guī)模推廣應用的“瓶頸”。與此同時， 大量CO2隨著各種幾乎隨處可見的工業(yè)廢氣源源不斷地排入大氣，破壞人類賴以生存的環(huán)境。如果能將工業(yè)氣中的CO2經(jīng)濟捕獲出 來用于CO2驅(qū)采油，將其變廢為寶，不但能夠?qū)ⅰ捌款i”消除，還能實現(xiàn)CO2減排封存，為國家減排分憂。通過科技工作者多年的攻關，國內(nèi)化工工業(yè)CO2捕獲技術(shù)巳日趨成

11、熟，并在多個工程上得到成功應用。但是作為CO2最集中、 同時也是排放量最大的排放源燃煤電廠煙氣，卻由于具有流量大、CO2分壓低、煙氣成分復雜等特點，使得常規(guī)捕獲工藝難以應 用，成為煙氣捕獲領域中的一塊硬骨頭。即便在國外，燃煤電廠煙氣CO2捕獲技術(shù)也仍處于小規(guī)模試驗階段，存在能耗高、設備龐大、 生產(chǎn)成本居高不下等問題。中國華能集團建設的國內(nèi)首個燃煤發(fā)電廠CO2捕獲示范項目一北京東郊的高碑店熱電廠，運行了一年有余，該項目年產(chǎn)3000 噸CO2目前巳經(jīng)累計捕獲CO2接近4000噸。該項目設備投資2100萬元，CO2回收率大于85%，目前巳經(jīng)形成日產(chǎn)12噸的規(guī)模， 項目的運營成本為300元/噸。資料顯

12、示，華能北京熱電所生產(chǎn)的CO2純度達到99.997%，高于食品級的純度要求。2009年7月，華 能集團在上海建成了燃煤電廠碳捕獲10萬噸/年高純度CO2。該項目總投入1.5億元人民幣，現(xiàn)進入試運行階段，“碳捕獲與封存”(CCS) 在中國發(fā)展驚人。中國石化南化研究院的科研人員近年來也開始對燃煤電廠煙道氣CO2捕獲技術(shù)進行探索。為燃煤電廠煙氣CO2的捕獲開出了“良 方,以乙醇胺溶液(MEA)為吸收液的化學吸收工藝。這種方法具有吸收速度快、吸收能力大、捕集后CO2純度高等特點，但是 用于燃煤電廠煙氣CO2時，MEA的缺點是再生能耗高，熱量消耗量大；吸收劑損耗，藥劑成本高；再者，腐蝕性強，造成設備建設

13、 成本高、維護費用高。針對這些問題，科研人員以降低能耗、降低腐蝕速率為最終目標，通過大量室內(nèi)實驗和模擬計算，從煙氣預處 理技術(shù)研究、新型吸收劑開發(fā)、熱能綜合利用等多個方面同時開展技術(shù)攻關，最終形成了一套燃煤電廠煙氣CO2捕集技術(shù)，對設備的 腐蝕速率小，同時能耗與傳統(tǒng)工藝相比減少了 20%，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、安全捕集。2010年勝利油田在發(fā)電廠，高高的煙囪旁邊安裝了幾個并不起眼的裝置，捕集煙囪中排放的CO2并進行相應的純化處理。據(jù)了 解，燃煤發(fā)電廠煙氣CO2捕獲純化技術(shù)，是在中國石化“低滲透油藏CO2驅(qū)油提高采收率,先導試驗研究成果的基礎上，利用化學吸 收法，將勝利發(fā)電廠燃煤煙氣中的CO2進行捕獲

14、、提純、液化裝置投入運行后，每天生產(chǎn)液態(tài)CO2100余噸，全年能夠捕獲、液化 CO2 3-4萬噸，成為目前國內(nèi)最大的燃煤電廠煙氣CO2捕獲純化裝置。捕獲處理后的CO2純度達99.5%以上，全部應用于勝利油田 的“低滲透油藏CO2驅(qū)油”重大先導試驗。所有技術(shù)和藥劑均為中國石化專用技術(shù)，達到了國際先進水平。據(jù)了解，火電廠脫硫、脫酸 后的煙道氣進入吸收塔后，煙道氣中的CO2將和MEA藥劑融合，形成氨鹽并溶于水中，之后注入再生塔，隨著溫度的提升使二氧化 碳純度達到99.5%。隨后通過制冷使之變成液體后送到注氣站中注入油層。為加快該技術(shù)的推廣，中國石化集團南化研究院目前正開展勝利電廠100萬噸/年煙道氣

15、CO2捕集純化工藝技術(shù)研究，預計2010 年底可完成工藝包設計。項目建成后，將成為全球最大的火電廠CO2捕獲、利用封存項目。經(jīng)過初步測算，該裝置投資約2億元，投 產(chǎn)后每年從煙道氣中捕集純化CO2100萬噸，成本約230元/噸，能滿足8000萬噸儲量規(guī)模油藏CO2驅(qū)油開發(fā)需要。復旦大學李溪教授研發(fā)團隊在對CO2吸附材料和封存方法研究的基礎上，開發(fā)出一種新型高效CO2高溫捕獲劑和相應的回收 利用及地質(zhì)封存技術(shù)。解決目前捕獲材料和技術(shù)的不足，填補該領域的空白?？梢詰糜趯嶋H工業(yè)生產(chǎn)，對然煤電廠的CO2大規(guī)模捕 獲和地質(zhì)封存具有重要的應用價值。在CO2捕獲方面：李溪教授研發(fā)團隊具有自主知識產(chǎn)權(quán)：即高效

16、CO2高溫吸收材料及制備方法以及燃煤電廠煙氣CO2捕獲裝 置。在國內(nèi)外研究者對CO2吸附材料研究的基礎上，開發(fā)出一種新型高效CO2捕獲劑-石墨化的多孔碳骨架含鋰復合材料。用于燃煤 電廠CO2的捕獲，反應機理是含鋰復合材料中含有易與CO2反應的氧化鋰(Li2O)，不同氧化物分子進出氧化鋰，從而反復產(chǎn)生CO2 的吸收或放出。將這類含鋰復合材料做成多孔體，在550左右同含有CO2的氣體接觸而發(fā)生化學反應，CO2以碳酸鋰的形態(tài)存在 于多孔體的微孔中。當反應溫度達到750以上時逆反應開始，碳酸鋰分解放出CO2氣體。該材料在CO2的高溫吸附和富集中表現(xiàn) 出良好的吸附性能并具有良好的再生循環(huán)性能。采用固相合

17、成高效CO2高溫吸附劑-含鋰復合材料，工藝方法簡單、生產(chǎn)成本相對較低。CO2捕獲成本在130-150元/噸。李溪教授通過對河西走廊清潔能源基地的調(diào)研，決定在酒泉地區(qū)范圍內(nèi)的燃煤電廠、水泥廠實施CO2捕獲和資源化及儲能一體 化的示范工程，進而與中國石油集團的青海油田等同力協(xié)作實施CO2 “變害為寶”的資源化利用計劃。二、CO2 “入地為寶”可有效提高驅(qū)油效率CO2有著獨特的性能，原油溶有CO2時，流動性、流變性及油藏性質(zhì)會得到改善。國內(nèi)外巳積累了許多成功的經(jīng)驗，可明顯提 高油田驅(qū)油效率，提高原油采收率。為什么選擇CO2驅(qū)油？這是由于CO2有著獨特的性能，易于達到超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)時，其性

18、質(zhì)會發(fā)生變化，其密 度近于液體，黏度近于氣體，擴散系數(shù)為液體的100倍，具有較大的溶解能力?，F(xiàn)在通常采用的補充采油后地層能量遞減的方法為水 驅(qū)油和化學驅(qū)油，就是把水或化學成分注入油田中，補充地層能量損失。但是，目前很大一部分油藏田為低滲透油藏，這種油藏很難 開發(fā)，油田沉睡在細密的巖石里，水很難流入，被稱為注不進水、采不出油。CO2的特殊性質(zhì)非常適合于低滲透油藏開發(fā)。在勝利油田純梁注氣站里，龐大的CO2罐連接著復雜的管道。這里每天都有100噸CO2注入4 口注入井中。據(jù)資料顯示， 2008年1月這里開始CO2單井試注，2009年7月開始，4 口注入井全部開始試注，現(xiàn)巳累計注氣4.1萬噸。2007

19、年中國石化確定 在高89-1塊進行CO2驅(qū)油的先導試驗，這里屬于勝利油田大型特低滲透油田之一，無法進行注水開發(fā)。CO2的注入使對應的5 口 生產(chǎn)井產(chǎn)量上升，井組日產(chǎn)油由31.6噸上升至42.1噸，累計增油7500噸。其中高89-9井產(chǎn)量由CO2注入前的每日4.5噸，上升 到目前的9噸，上升了 1倍。CO2被注入油層后，約有50%至60%被永久封存于地下，剩余的40%至50%則隨著油田伴生氣返回地面，通過原油伴生氣 CO2捕獲純化，可將伴生氣中的CO2回收，就地回注驅(qū)油，進一步降低了 CO2驅(qū)油成本。在傳統(tǒng)意義下，很多低滲透油氣藏是難動 用儲量，但如果采用CO2驅(qū)油的方法，可能將成為優(yōu)質(zhì)儲量。我

20、國煤電占整個發(fā)電裝機的70%以上，提供了我國80%的發(fā)電量。不容忽視的是，以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)帶來了相當大的環(huán)保 壓力。相關測算表明，燃燒一噸標煤將平均排放2.6噸CO2?；鹆Πl(fā)電廠是CO2排放大戶，排放量占總量相當大的比例。因此，將煙 道氣中的CO2捕獲純化后注入地下用于油田驅(qū)油，既能降低CO2排放，又能提高了原油采收率，經(jīng)濟效益和社會效益都非常顯著。 研究與實踐表明，二氧化碳驅(qū)油可以提高油田采收率10%至20%。隨著陸上油田勘探開發(fā)力度的加大，低滲透油藏巳成為我國油田的 重要增儲陣地。數(shù)據(jù)顯示，我國低滲透油氣藏約63.2億噸，尚有50%左右未動用。而巳動用的低滲透資源，由于技術(shù)水平的制約，

21、 平均采收率僅為23.3%。對于中高滲水驅(qū)油藏，也可通過注CO2進一步提高采收率。中原油田濮城水驅(qū)廢棄油藏就通過試驗CO2驅(qū) 油再獲新生。據(jù)了解，中原油田濮城水驅(qū)廢棄油藏巳連續(xù)14年綜合含水達到98%以上，水驅(qū)開發(fā)巳無經(jīng)濟價值。2008年6月開始進 行CO2驅(qū)油試驗，井組日產(chǎn)油由0.6噸最高上升到15.9噸。截至2010年3月，累計注入二氧化碳1.23萬噸，累計增油3272.7噸， 預計實施CO2驅(qū)油后井組采收率可提高7.9%。如CO2驅(qū)油在中原油田高含水油藏中推廣應用的話，將覆蓋地質(zhì)儲量3億噸，預計 可增加可采儲量2000萬至3000萬噸。利用火電廠煙道氣捕獲純化驅(qū)油技術(shù)屬于CO2捕獲、利用

22、和封存技術(shù)（CCUS），與二氧化 碳捕獲和封存技術(shù)（CCS）相比，可以將CO2資源化，能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，且更具有現(xiàn)實操作性。三、從發(fā)展趨勢看，碳封存極有可能成為未來跨國石油公司獲取利潤的重要手段。毫無疑問，新的碳排放減排目標的提出將催生系列制度的變遷，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生變化，其中碳捕獲和碳封存將成為重 要產(chǎn)業(yè)而得以發(fā)展。該技術(shù)的基本原理是捕獲煤炭發(fā)電和煉油等行業(yè)排放的CO2將其安全封存在地下。全球發(fā)達國家巳普遍將CO2 捕獲和封存確定為最重要的發(fā)展技術(shù)之一，并積極加以推廣實施。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界正在實施的CO2驅(qū)油項目近80個。美 國是CO2驅(qū)油項目開展最多的國家，每年注

23、入油藏的CO2量為2000萬3000萬噸。長期以來，煤炭在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)較高比例，導致大量的CO2排放。從能源消費結(jié)構(gòu)看，我國煤炭消費 的主要領域是電力工業(yè)，全國40%50%的CO2排放量來自于燃煤發(fā)電。由于今后相當長時期內(nèi)煤炭在我國能源消費結(jié)構(gòu)中將依然 占據(jù)主要地位，因此大力發(fā)展碳捕獲和碳封存技術(shù)迫在眉睫。近年來，歐美國家的能源公司一直致力于研究CO2的地質(zhì)封存技術(shù)，殼牌、BP、?？松梨诘瓤鐕凸靖且获R當 先。BP在英國建設了相關裝置，將天然氣中的CO2再注入地下，以用于提高石油采收率。西方石油公司和BP研究捕獲發(fā)電裝置的 CO2用于提高加州油田的采收率項目。殼牌和挪

24、威石油公司建設世界上第一個由燃氣發(fā)電廠產(chǎn)生的CO2捕獲項目，以便用于提高海 洋油田石油生產(chǎn)量。殼牌建設一體化煤炭氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目，并捕獲CO2。從發(fā)展趨勢看，碳封存極有可能成為未來跨國石油公司獲取利潤的重要手段。從技術(shù)路徑看，目前的碳封存技術(shù)主要有海洋 封存、油氣層封存和煤氣層封存三種形式。這些技術(shù)的應用均與油氣勘探行業(yè)有著或多或少的聯(lián)系。正因為如此，油田企業(yè)發(fā)展上述 業(yè)務便具備了得天獨厚的優(yōu)勢。因此，新的節(jié)能減排目標出臺后，我國石油公司發(fā)展碳封存技術(shù)的時機巳經(jīng)來臨。CO2驅(qū)油技術(shù)是石油公司發(fā)展碳封存的重要技術(shù)路徑，是實現(xiàn)CO2資源化利用和封存的最佳結(jié)合點之一。大規(guī)模的CO2曾一 直用于增產(chǎn)石油和煤層氣開發(fā)，CO2驅(qū)油技術(shù)的推廣和應用不僅能夠變廢為寶，而且具有大規(guī)模封存二CO2的潛力，該項技術(shù)被公 認為近中期CO2最重要的封存方式。國外巳經(jīng)在該領域開展了多年的示范，獲得了良好的效果。例如，美國上世紀8