二氧化碳捕获新材料

1、寻找碳捕获材料新方法 加拿大卡尔加里大学和渥太华大学科学家成功利用X射线晶体成像仪和计算机模拟手段，对被称为“棒球手套”的 捕碳材料如何捕捉二氧化碳分子进行了观察和分析。科学家认为，该项成果为设计定制一种高效率、低能耗的捕碳 新材料指明了研究方向。相关文章发表在最新出版的科学矣ie些杂志上。目前采用的二氧化碳捕获方法是将二氧化碳气体注入氨溶液中。该项技术的弱点在于氨溶液吸收二氧化碳后，还需 要释放二氧化碳以便进行储存，在释放二氧化碳时，溶液需要加热到100摄氏度，这要耗去大量的能源和水资源。 据估算，燃煤发电厂如果使用该项技术捕获储存二氧化碳，需要消耗其四分之一的发电量。因此，找到一种既可轻松

2、捕获二氧化碳，还可在低能耗和节水条件下轻松释放出二氧化碳的新型材料，对于捕获二 氧化碳技术的实际应用意义非常重大。加拿大科学家的研究发现正是为找到这种新型材料指明了方向，并提供了实 验方法和计算机模拟方法。参与研究工作的科学家将捕捉二氧化碳形象地比作棒球手套与棒球之间的关系，在此将球比作二氧化碳，而 将手套比作可捕获二氧化碳的材料。对于不同大小的球，需要不同尺寸的手套，才能更好地匹配，以便球手能够更 加容易接到来球。卡尔加里大学化学教授乔治斯密祖介绍说，他们使用X射线结晶成像仪直接实验成像，并通过 计算机模型计算，确定了二氧化碳分子的确切位置，并可以清晰观察到“手套”材料的各个“手指”如何合力

3、将二 氧化碳分子固定在其位置上。渥太华大学负责计算机模拟研究的科学家表示，该项发现的另一个特别之处在于，实验结果和计算机模拟结 果之间表现出非常好的一致性。因此，其计算机模拟方法现在就可以更令人放心地应用于发现和预知材料的捕碳性 能，特别是在实验室制作某种捕碳材料之前，可先在计算机上进行模拟。研究人员认为，该项研究成果最终可得到多方面的应用，既可帮助燃煤发电厂降低二氧化碳排放，还可帮助 去除非常规天然气资源中的二氧化碳成分。（生物谷B）二氧化碳捕获技术获得重大进展二氧化碳的排放不断助长着全球变暖、海平面上升及增加海洋的酸度。美国科学家在近期出版的美国科学杂 志上发表的一项最新研究称，他们已开发

4、出一种能够隔离并捕获二氧化碳分子的新型材料，对减少二氧化碳等温室 气体排放技术有重要作用，也能使发电厂在无需使用有毒材料的情况下，提高二氧化碳的捕获效率。该材料是由加州大学洛杉矶分校奥马尔雅希率领的研究团队研制的。雅希是研究使用复杂微观结构制作材料 的知名化学家。新材料属于“沸石咪唑酯骨架结构材料”（ZIFs），由金属原子桥联多个咪唑类环型有机分子组成。这种材料具有多孔和化学稳定结构，使得其拥有更大的表面积来吸收二氧化碳，而且在高温下加热也不会分解， 甚至在水或有机溶液中煮一个星期仍能保持稳定。在1克重的该材料中包含的表面积最多可达2000平方米ZIF材 料的内部可以存储气体分子，在化学结构上

5、，它有一个类似于旋转门的薄盖，能够让大小合适的分子进入并将其存 储，而将较大或者形状不同的分子阻挡在外。研究人员在实验中共合成了25个ZIFs晶体结构，并证实其中3个（ZIF-68、ZIF-69、ZIF-70）对捕获二氧化 碳具有高选择性。雅希称，ZIFs对二氧化碳的选择性是其他一些材料不可比拟的。实验证明了新材料能吸收大量二 氧化碳，但并不吸收其他气体。研究表明，在0C和常压下，1升这样的材料可储存82.6升的二氧化碳。从发电厂烟囱中捕捉二氧化碳的技术已经存在已久，但要消耗大量的能源（约占到电厂总发电量的15%至20%）。 这是因为现有材料，如胺，必须经过加热才能释放出吸收的二氧化碳。美国国

6、家能源技术实验室项目经理托马斯费 雷表示，煤电厂利用现有方法捕捉和压缩二氧化碳，生产成本可增加80%至90%。研究人员称，二氧化碳的捕获和封存，对减少温室气体的排放量将是必不可少的，特别是对像美国这样严重依 赖于煤发电的国家。这种新材料的研制成功，为减少来自发电厂的二氧化碳排放量提供了一个潜在的廉价方式。由 于新材料可使用较少的能源，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实验材料。（记 者冯卫东）上天为害，入地为宝浅议CO2捕获技术与资源化利用赵连峰张永高李馨内容摘要：全世界每年向大气中排放的CO2总量接近300亿吨，地球仿佛捂在一口锅里，温度逐渐升高，就形成“温室效应”

7、。CO2是 气候变化乃至造成严重自然灾害的“罪魁祸首”，上天为害；但CO2具有两面性，用于油田开发上则“入地为宝”。如何趋利避害，充分 发挥CO2的有利作用。美国在80年代就尝试用CO2驱油，近年来大庆油田、胜利油田，濮阳油田在应用CO2驱油方面取得了重 大突破，初步实现了规模化应用。随着CO2驱油技术被越来越多的科技工作者和石油工程技术人员认同。CO2捕获技术日臻成熟， 捕获成本不断下降，从发展趋势看，碳封存极有可能成为未来跨国石油公司获取利润的重要手段。关键词：CO2捕获技术 地质封存 资源化利用。正文：众所周知，在6种温室气体中，CO2对温室效应的“贡献率”最高，全世界每年向大气中排放的

8、CO2总量接近300亿吨。CO2 含量过高，就会使地球仿佛捂在一口锅里，温度逐渐升高，就形成“温室效应”。在人们的印象里，CO2是气候变化乃至造成严重自然 灾害的“罪魁祸首”。但就是这“罪魁祸首”，在油田开发上则“上天为害，入地为宝”。因为CO2具有两面性，利用得好则是利，否则是害， 关键在于如何趋利避害，充分发挥CO2的有利作用。几年来，胜利油田、大庆油田等国内外许多油田应用CO2驱油取得了重大突破，初步实现了规模化应用，成功地使其“上天为害” 转变为“入地为宝”。燃煤发电厂产生的上天为害的CO2, 2010年将在胜利油田入地为宝。油田烟气CO2捕获纯化技术日前取得重大 突破，工业生产中试装

9、置巳在胜利发电厂开工建设，工程建成投产后，被“捕获”的CO2将被注入地下，成为驱油利器，同时，每年预 计可减少二氧化碳排放3万多吨。一、CO2捕获技术日臻成熟，工业化成本随技术进步呈下降趋势国内外CO2捕获技术巳日臻成熟无色无味的CO2,原本是空气中常见的化合物，如今却作为温室气体的主组成部分，成为全球 环境恶化的罪魁祸首之一，这着实让CO2很委屈。如何变废为宝，还被“妖魔化”的CO2以本来面目？在低碳经济热遍全球的当下， CO2的减排、回收、封存及资源化利用技术巳成为全球关注的热点。CO2除了恶化环境还能干什么？国内外很多机构在CO2封存及资源化利用方面开展了大量研究工作，其中捕获CO2用于

10、三次 采油的模式(CCS+EOR)，由于实现了减排和利用双赢而受到广泛关注。怎样实现由“杀手”到“英雄”的转变？ CO2驱油技术是国际上三次采油中最先进的驱油技术，不但实现了 CO2封存，同时能够有 效提高石油采收率，具有很好的经济效益和环境效益。然而，CO2的来源问题成为了该项技术大规模推广应用的“瓶颈”。与此同时， 大量CO2随着各种几乎随处可见的工业废气源源不断地排入大气，破坏人类赖以生存的环境。如果能将工业气中的CO2经济捕获出 来用于CO2驱采油，将其变废为宝，不但能够将“瓶颈”消除，还能实现CO2减排封存，为国家减排分忧。通过科技工作者多年的攻关，国内化工工业CO2捕获技术巳日趋成

11、熟，并在多个工程上得到成功应用。但是作为CO2最集中、 同时也是排放量最大的排放源燃煤电厂烟气，却由于具有流量大、CO2分压低、烟气成分复杂等特点，使得常规捕获工艺难以应 用，成为烟气捕获领域中的一块硬骨头。即便在国外，燃煤电厂烟气CO2捕获技术也仍处于小规模试验阶段，存在能耗高、设备庞大、 生产成本居高不下等问题。中国华能集团建设的国内首个燃煤发电厂CO2捕获示范项目一北京东郊的高碑店热电厂，运行了一年有余，该项目年产3000 吨CO2目前巳经累计捕获CO2接近4000吨。该项目设备投资2100万元，CO2回收率大于85%，目前巳经形成日产12吨的规模， 项目的运营成本为300元/吨。资料显

12、示，华能北京热电所生产的CO2纯度达到99.997%，高于食品级的纯度要求。2009年7月，华 能集团在上海建成了燃煤电厂碳捕获10万吨/年高纯度CO2。该项目总投入1.5亿元人民币，现进入试运行阶段，“碳捕获与封存”(CCS) 在中国发展惊人。中国石化南化研究院的科研人员近年来也开始对燃煤电厂烟道气CO2捕获技术进行探索。为燃煤电厂烟气CO2的捕获开出了“良 方,以乙醇胺溶液(MEA)为吸收液的化学吸收工艺。这种方法具有吸收速度快、吸收能力大、捕集后CO2纯度高等特点，但是 用于燃煤电厂烟气CO2时，MEA的缺点是再生能耗高，热量消耗量大；吸收剂损耗，药剂成本高；再者，腐蚀性强，造成设备建设

13、 成本高、维护费用高。针对这些问题，科研人员以降低能耗、降低腐蚀速率为最终目标，通过大量室内实验和模拟计算，从烟气预处 理技术研究、新型吸收剂开发、热能综合利用等多个方面同时开展技术攻关，最终形成了一套燃煤电厂烟气CO2捕集技术，对设备的 腐蚀速率小，同时能耗与传统工艺相比减少了 20%，实现高效、经济、安全捕集。2010年胜利油田在发电厂，高高的烟囱旁边安装了几个并不起眼的装置，捕集烟囱中排放的CO2并进行相应的纯化处理。据了 解，燃煤发电厂烟气CO2捕获纯化技术，是在中国石化“低渗透油藏CO2驱油提高采收率,先导试验研究成果的基础上，利用化学吸 收法，将胜利发电厂燃煤烟气中的CO2进行捕获

14、、提纯、液化装置投入运行后，每天生产液态CO2100余吨，全年能够捕获、液化 CO2 3-4万吨，成为目前国内最大的燃煤电厂烟气CO2捕获纯化装置。捕获处理后的CO2纯度达99.5%以上，全部应用于胜利油田 的“低渗透油藏CO2驱油”重大先导试验。所有技术和药剂均为中国石化专用技术，达到了国际先进水平。据了解，火电厂脱硫、脱酸 后的烟道气进入吸收塔后，烟道气中的CO2将和MEA药剂融合，形成氨盐并溶于水中，之后注入再生塔，随着温度的提升使二氧化 碳纯度达到99.5%。随后通过制冷使之变成液体后送到注气站中注入油层。为加快该技术的推广，中国石化集团南化研究院目前正开展胜利电厂100万吨/年烟道气

15、CO2捕集纯化工艺技术研究，预计2010 年底可完成工艺包设计。项目建成后，将成为全球最大的火电厂CO2捕获、利用封存项目。经过初步测算，该装置投资约2亿元，投 产后每年从烟道气中捕集纯化CO2100万吨，成本约230元/吨，能满足8000万吨储量规模油藏CO2驱油开发需要。复旦大学李溪教授研发团队在对CO2吸附材料和封存方法研究的基础上，开发出一种新型高效CO2高温捕获剂和相应的回收 利用及地质封存技术。解决目前捕获材料和技术的不足，填补该领域的空白。可以应用于实际工业生产，对然煤电厂的CO2大规模捕 获和地质封存具有重要的应用价值。在CO2捕获方面：李溪教授研发团队具有自主知识产权：即高效

16、CO2高温吸收材料及制备方法以及燃煤电厂烟气CO2捕获装 置。在国内外研究者对CO2吸附材料研究的基础上，开发出一种新型高效CO2捕获剂-石墨化的多孔碳骨架含锂复合材料。用于燃煤 电厂CO2的捕获，反应机理是含锂复合材料中含有易与CO2反应的氧化锂(Li2O)，不同氧化物分子进出氧化锂，从而反复产生CO2 的吸收或放出。将这类含锂复合材料做成多孔体，在550左右同含有CO2的气体接触而发生化学反应，CO2以碳酸锂的形态存在 于多孔体的微孔中。当反应温度达到750以上时逆反应开始，碳酸锂分解放出CO2气体。该材料在CO2的高温吸附和富集中表现 出良好的吸附性能并具有良好的再生循环性能。采用固相合

17、成高效CO2高温吸附剂-含锂复合材料，工艺方法简单、生产成本相对较低。CO2捕获成本在130-150元/吨。李溪教授通过对河西走廊清洁能源基地的调研，决定在酒泉地区范围内的燃煤电厂、水泥厂实施CO2捕获和资源化及储能一体 化的示范工程，进而与中国石油集团的青海油田等同力协作实施CO2 “变害为宝”的资源化利用计划。二、CO2 “入地为宝”可有效提高驱油效率CO2有着独特的性能，原油溶有CO2时，流动性、流变性及油藏性质会得到改善。国内外巳积累了许多成功的经验，可明显提 高油田驱油效率，提高原油采收率。为什么选择CO2驱油？这是由于CO2有着独特的性能，易于达到超临界状态。处于超临界状态时，其性

18、质会发生变化，其密 度近于液体，黏度近于气体，扩散系数为液体的100倍，具有较大的溶解能力。现在通常采用的补充采油后地层能量递减的方法为水 驱油和化学驱油，就是把水或化学成分注入油田中，补充地层能量损失。但是，目前很大一部分油藏田为低渗透油藏，这种油藏很难 开发，油田沉睡在细密的岩石里，水很难流入，被称为注不进水、采不出油。CO2的特殊性质非常适合于低渗透油藏开发。在胜利油田纯梁注气站里，庞大的CO2罐连接着复杂的管道。这里每天都有100吨CO2注入4 口注入井中。据资料显示， 2008年1月这里开始CO2单井试注，2009年7月开始，4 口注入井全部开始试注，现巳累计注气4.1万吨。2007

19、年中国石化确定 在高89-1块进行CO2驱油的先导试验，这里属于胜利油田大型特低渗透油田之一，无法进行注水开发。CO2的注入使对应的5 口 生产井产量上升，井组日产油由31.6吨上升至42.1吨，累计增油7500吨。其中高89-9井产量由CO2注入前的每日4.5吨，上升 到目前的9吨，上升了 1倍。CO2被注入油层后，约有50%至60%被永久封存于地下，剩余的40%至50%则随着油田伴生气返回地面，通过原油伴生气 CO2捕获纯化，可将伴生气中的CO2回收，就地回注驱油，进一步降低了 CO2驱油成本。在传统意义下，很多低渗透油气藏是难动 用储量，但如果采用CO2驱油的方法，可能将成为优质储量。我

20、国煤电占整个发电装机的70%以上，提供了我国80%的发电量。不容忽视的是，以煤电为主的电力结构带来了相当大的环保 压力。相关测算表明，燃烧一吨标煤将平均排放2.6吨CO2。火力发电厂是CO2排放大户，排放量占总量相当大的比例。因此，将烟 道气中的CO2捕获纯化后注入地下用于油田驱油，既能降低CO2排放，又能提高了原油采收率，经济效益和社会效益都非常显著。 研究与实践表明，二氧化碳驱油可以提高油田采收率10%至20%。随着陆上油田勘探开发力度的加大，低渗透油藏巳成为我国油田的 重要增储阵地。数据显示，我国低渗透油气藏约63.2亿吨，尚有50%左右未动用。而巳动用的低渗透资源，由于技术水平的制约，

21、 平均采收率仅为23.3%。对于中高渗水驱油藏，也可通过注CO2进一步提高采收率。中原油田濮城水驱废弃油藏就通过试验CO2驱 油再获新生。据了解，中原油田濮城水驱废弃油藏巳连续14年综合含水达到98%以上，水驱开发巳无经济价值。2008年6月开始进 行CO2驱油试验，井组日产油由0.6吨最高上升到15.9吨。截至2010年3月，累计注入二氧化碳1.23万吨，累计增油3272.7吨， 预计实施CO2驱油后井组采收率可提高7.9%。如CO2驱油在中原油田高含水油藏中推广应用的话，将覆盖地质储量3亿吨，预计 可增加可采储量2000万至3000万吨。利用火电厂烟道气捕获纯化驱油技术属于CO2捕获、利用

22、和封存技术（CCUS），与二氧化 碳捕获和封存技术（CCS）相比，可以将CO2资源化，能产生可观的经济效益和社会效益，且更具有现实操作性。三、从发展趋势看，碳封存极有可能成为未来跨国石油公司获取利润的重要手段。毫无疑问，新的碳排放减排目标的提出将催生系列制度的变迁，经济结构也将随之发生变化，其中碳捕获和碳封存将成为重 要产业而得以发展。该技术的基本原理是捕获煤炭发电和炼油等行业排放的CO2将其安全封存在地下。全球发达国家巳普遍将CO2 捕获和封存确定为最重要的发展技术之一，并积极加以推广实施。据不完全统计，目前全世界正在实施的CO2驱油项目近80个。美 国是CO2驱油项目开展最多的国家，每年注

23、入油藏的CO2量为2000万3000万吨。长期以来，煤炭在我国一次能源消费结构中一直占据较高比例，导致大量的CO2排放。从能源消费结构看，我国煤炭消费 的主要领域是电力工业，全国40%50%的CO2排放量来自于燃煤发电。由于今后相当长时期内煤炭在我国能源消费结构中将依然 占据主要地位，因此大力发展碳捕获和碳封存技术迫在眉睫。近年来，欧美国家的能源公司一直致力于研究CO2的地质封存技术，壳牌、BP、埃克森美孚等跨国石油公司更是一马当 先。BP在英国建设了相关装置，将天然气中的CO2再注入地下，以用于提高石油采收率。西方石油公司和BP研究捕获发电装置的 CO2用于提高加州油田的采收率项目。壳牌和挪

24、威石油公司建设世界上第一个由燃气发电厂产生的CO2捕获项目，以便用于提高海 洋油田石油生产量。壳牌建设一体化煤炭气化联合循环发电项目，并捕获CO2。从发展趋势看，碳封存极有可能成为未来跨国石油公司获取利润的重要手段。从技术路径看，目前的碳封存技术主要有海洋 封存、油气层封存和煤气层封存三种形式。这些技术的应用均与油气勘探行业有着或多或少的联系。正因为如此，油田企业发展上述 业务便具备了得天独厚的优势。因此，新的节能减排目标出台后，我国石油公司发展碳封存技术的时机巳经来临。CO2驱油技术是石油公司发展碳封存的重要技术路径，是实现CO2资源化利用和封存的最佳结合点之一。大规模的CO2曾一 直用于增产石油和煤层气开发，CO2驱油技术的推广和应用不仅能够变废为宝，而且具有大规模封存二CO2的潜力，该项技术被公 认为近中期CO2最重要的封存方式。国外巳经在该领域开展了多年的示范，获得了良好的效果。例如，美国上世纪8