存儲二氧化碳的選項

1、在海洋中儲存二氧化碳的選項1引言世界海洋中含有約39000 gt-C （143000gt-CO2, 1g=109），是比大氣庫存的50倍，并估 計過去兩個世紀中，人為的二氧化碳排放量在1300gt的38%左右（500gt的CO2）。如本章所描述的通過增加海洋庫存來儲存碳的選項已被研究，包括生物（施肥），化學 （海洋的酸度降低，加速石灰?guī)r風化），和物理CO2溶解，在深海中的超臨界CO2池）方 法。2.物理基礎(chǔ)2.1二氧化碳在海水中的物理性能直接釋放CO2到海水主要取決于它被釋放的海水的壓力（即，深度）和水的溫度。關(guān) 鍵特性如下：1、給定溫度下的液化壓力：在該點的壓力值增加，CO2氣體將液化；2、

2、液體CO2密度隨壓力的變化，這決定了其相對于海水的浮力；3、CO2水合物形成的深度和溫度。2.2飽和壓力在0-10 C的溫度，在4 -5MPa壓力下二氧化碳將液化，相應的水深400 - 500m，在10 C時液體密度為860kg/m3和0 C時為920kg/m3,在這個深度的液體CO2會會有正 浮力，在壓力低于飽和壓力時自由液滴會上升蒸發(fā)成氣泡。2.3浮力圖1顯示了 CO2和海水密度與海洋的深度范圍關(guān)系。在深度2500-3000m，液體二氧化 碳是比水更可壓縮并成為中性浮力。在這個深度范圍內(nèi)，釋放的液滴會沉到海底。密度kg/m30.00.20.40.60.01.01.21.4密度危險區(qū)-液體上

3、升過渡區(qū)11液體C&下降圖1 CO2和海水的密度與深度關(guān)系2.3水合物的形成CO2水合物可以在所有的海水下面400m處形式，只要有足夠的二氧化碳，在水的溫度 接近0 C的極地區(qū)域只需在150m以下。二氧化碳氣泡或液滴在水合物穩(wěn)定深度將迅速形 成結(jié)晶水合物皮膚，這會限制CO2向周圍海水溶解的速率。在沖繩中部槽1500米的深度處， 已觀察到在富CO2氣泡周圍形成的天然水合物從水熱液口處排出。固體二氧化碳水合物的密度為1.11x103kg/m3，并因此將沉在海水中，其中下沉的密度 為1.03x103kg/m3。然而，一個從氣泡或液滴形成的裹在水合物皮膚上的天然氣水合物的密 度將取決于氣體或液體的密度

4、，以及皮膚的厚度和液滴大小。3.直接注入CO2吸收進入海洋的人為CO2的比例已超過過去200年的CO2分壓的增加，目前每年發(fā)生 率為2.4 gt的CO2。在海洋中長期存儲CO2依賴于深的水域，且水域有幾個世紀的通氣時間，加上CO2分 為海水和大氣的自然傾向。兩個基本的概念和一系列的技術(shù)方案已經(jīng)被提出，如表1。表1 CO2海洋封存選項物理概念技術(shù)方案直接溶解CO2上升流中性浮力傳播下沉羽液態(tài)CO2分離海底管道飼料湖加固體CO2泥漿的下沉冷卻液3.1直接溶解CO2深海水域具有更高的溶解碳負載潛力，在水深從1000至3000米深度的，體現(xiàn)在在庫存 大于80 g C碳庫存增加，這相當于14年的全球人為

5、二氧化碳排放量在2000年的水平。在溫躍層以下直接溶解是一個選擇以利用這種存儲容量達到長期封存二氧化碳效果。在 水深500m釋放，將會以液態(tài)形式存在，同時會伴隨著單個液滴直接形成水合物殼。在深度 低于2500米，取決于液滴的大小和水合物皮膚厚度，由此產(chǎn)生的羽狀滴會有正浮力并上升， 而單個液滴慢慢溶解。在3000m以下的深度釋放，類似的行為將被視為一個下沉羽，而在 中間深度的有中性浮力的羽流會發(fā)生垂直的蔓延。CO2溶解的實驗結(jié)果及現(xiàn)場試驗結(jié)果實驗室、現(xiàn)場試驗和數(shù)學建模的研究以及小規(guī)模的現(xiàn)場試驗已調(diào)查了將CO2釋放到海 水的特性，行為和其產(chǎn)生的生態(tài)影響，對象一般為液滴，較大的液團，或液體-水合物-

6、水 的混合物。在蒙特雷灣水族館研究所進行的現(xiàn)場實驗，通常涉及的通過遠程操作車輛（ROV）來 釋放和觀察液滴，已經(jīng)了解到封閉水合物滴的溶解速率及其上升或下沉率取決于釋放深度。 上升的液滴被發(fā)現(xiàn)擁有一個滿足斯托克斯法律行為的剛性球的線終端速度，這與剛性水合物 殼相符。并發(fā)現(xiàn)封閉水合物液滴的溶解速率與非水合物液滴的預期速率相比減少的原因是由 3-4個因素引起的。其他的現(xiàn)象也有被觀察到，如液滴的漂流和一個氣相液滴穿過液化壓力 深度。相對較大的液體CO2釋放量的實驗也調(diào)查了用聲納來跟蹤上升羽流的方法。這種技術(shù) 對監(jiān)測海底含水層CO2存儲或枯竭氣領(lǐng)域或監(jiān)測CO2熱液從噴口射出具有重要意義。封閉 式的水合物

7、CO2液滴容易被高頻聲納（38和675khz）檢測到，是由于它具有不同于液態(tài) CO2和海水的高聲波速度。進一步的實驗中將采用使用較低聲波頻率的設(shè)想，這可以監(jiān)測 到由CO2溶解造成的海水密度的變化，以及羽流可能的生物反應。其他小型釋放實驗研究了由注射、海水混合成的液態(tài)二氧化碳流形成的液體CO2水合 物與海水混合物的行為。它不同于封閉的液體CO2水合物液滴，這種液滴在2500 - 3000m 時成為負浮力，該混合物含有較高比例的水合物，在1000m成為負浮力。這種混合物被擠 壓成直徑為6.5mm、長度范圍為5mm到85mm的圓柱狀顆粒，密度依賴于液體CO2轉(zhuǎn)換 成水合物的程度。更完全的轉(zhuǎn)換為水合物

8、是可取的，因為它形成了一個密集的顆粒，從而最 大化了處理的有效深度。監(jiān)測液體CO2滴的顆粒運動和溶解，并從中得到了溶解速率的估計值。單個顆粒在完 全溶解之前會在10m到70m的深度下沉。這些小規(guī)模的實驗已經(jīng)洞察到單個的液滴和小水合物團的命運，卻無法解決較大規(guī)模實 驗的影響，即確定一個大的羽流的動態(tài)行為。數(shù)學仿真表明，如果大量的擠壓水合物顆粒被 釋放，產(chǎn)生的負浮力流會使下沉速度明顯快于單個顆粒，這是由于羽流中夾帶水及二氧化碳 溶解為羽流時夾帶水導致密度增加引起的。一些擁有100kg CO2每秒流量的顆粒被預計在 完全溶解前會下降500m。自由海洋CO2富集實驗通過與自由空氣CO2富集（FACE）

9、類比的實驗，已經(jīng)測試了在陸地生態(tài)系統(tǒng)中CO2 升高的影響，已在蒙特里杰克海灣水族館研究所（MBARI）進行的自由海洋CO2富集（FOCE） 實驗，是研究海洋生態(tài)系統(tǒng)中海水中的CO2升高的影響。目前的系統(tǒng)是，海底水流攜帶包裹富CO2海水通過一系列在矩形水槽中的擋板。富CO2 的海水與周圍的海水混合、反應，同時系統(tǒng)被有效控制以達到在水槽中間1平方米的試驗區(qū) 的海底CO2的水平一致升高。FOCE系統(tǒng)被設(shè)計為為期在數(shù)周或數(shù)月，可以調(diào)查CO2升高 對試驗區(qū)內(nèi)的海底動物的影響。3.2液態(tài)CO2分離未水合的CO2液體在3000m以下的負浮力，開辟了使封存CO2作為海底凹陷或深槽 中的液體湖的可能性，這樣就有

10、相當比例的釋放液體團在完全溶解前到達底部。自然產(chǎn)生的海底CO2湖泊已經(jīng)在海底熱液噴口附近被發(fā)現(xiàn)，是由于液化和富含CO2的 氣體從這些通風口釋放。這些自然產(chǎn)生的CO2湖太淺而不能達到重力穩(wěn)定，在這里會發(fā)生 沉積物、形成水合物殼或沉積物的膠結(jié)物上覆。一些小規(guī)模的實驗結(jié)果表明，在海底CO2湖附近將發(fā)生pH值顯著減少的情況，造成 高死亡率并影響海洋生態(tài)系統(tǒng)。鑒于這些結(jié)果，試圖執(zhí)行中尺度試驗將會考慮環(huán)保人士的 反對。在靜態(tài)條件下和海底電流的影響下，數(shù)值研究也對液體CO2湖的分解速率進行了評估。 這些研究表明，上述湖垂直混合的減少是由于這種高密度（1.5kg/m3）的邊界層的形成造 成的。并得出結(jié)論，由于

11、這種高密度的水團造成的重力流，將成為未來實驗研究的一個重要 考慮因素。在一個不被海底電流擾動的環(huán)境中，湖的溶解率將減少，這是由在湖的表面形成的水合 層以及密集的分層引起的，富含CO2水將在湖的表面填充上述凹陷。3.3大型現(xiàn)場試驗的前景唯一達到先進的規(guī)劃階段的中尺度直接噴射試驗，是所謂的CO2海洋封存現(xiàn)場試驗。 第一組實驗設(shè)計的目標：1、通過定性（視頻）和定量（pH值和速度的測量）的方法研究羽狀CO2液滴的動力學；2、通過類似的測量闡明水合物對CO2液滴溶解的作用；3、通過速度的三維映射、pH值，和DIC （密度指示控制器）來表明富含CO2的海水的 微量演變；4、通過量化在水柱和海底的細菌的生物

12、量，生產(chǎn)和生長效率變化來評估海水?日值變化的潛在的生物影響。最終設(shè)計方案的設(shè)想是：為期1-2周釋放，使用4厘米直徑的螺旋鋼管將20 - 40噸的 CO2從船上注入800m的深度。CO2滴浮羽流以每秒1kg的速度注入海底擴散器裝備，預 計這些浮羽流在溶解前將上升100m。進一步實地實驗重點將放在急性和慢性的環(huán)境影響和隨后的恢復上，并計劃至少一年的 觀察，來比較受影響的生物的壽命。該試驗計劃由夏威夷當局的自然能源實驗室主持（nelha）。2001年夏天在海洋研究走 廊進行，由凱阿霍萊角的nelha在夏威夷西海岸的科納操作。然而，由于公眾強烈反對，該 實驗項目無法獲得所有必要的許可證而不得不放棄夏威夷實驗。隨后制定了