碳捕捉和储存技术CCS

碳捕捉和储存技术CCS12月7日，联合国气候变化大会如期在哥本哈根拉开帷幕，来自192个国家和地区的代表出席了这次峰会。几日下来，大会火药味十足，俨然成吵架大会。虽然各国的“减排目标”还处于拉锯战中，如何达到这些减排目标将是接下来各国关注的问题，于是，“碳捕捉技术”再次成为媒体关注焦点。相对于人造火山或是太空反光镜这类不靠谱的科技狂想，二氧化碳捕集封存技术（CCS技术）被认为更能拯救地球。众所周知，人类为防止气候变暖需要节能减排，特别是减少二氧化碳的排放。减排路径有许多，但对于以燃煤为主要能源的国家，减少燃煤使用代价高昂，因此CCS成为重要替代选择，因此对那些不愿改变能源消费结构的国家来说，这有极大吸引力。国人也许对碳捕获技术稍感陌生，殊不知它“正是当今世界上国际最热门的气候变化领域最前沿、最重大的话题之一，国际政治领袖们无不投以巨大关注”。早在去年年底，央行行长周小川就曾畅谈过“碳捕获”的深意，并认为金融业在这方面大有可为。而根据浙大相关专家的看法，国外许多科研机构早已经从中嗅到了巨大的利益诱惑，并悄悄把目标瞄准了国内碳排技术市场。原始大气中二氧化碳的浓度非常高，并不适宜人类生存，地球是通过把二氧化碳固化后埋在地下（即成煤成油的过程），从而降低了大气中二氧化碳的浓度，变得适宜人类生存了。现在的情况，正好相反，人类通过开采煤、油，把埋在地下的二氧化碳挖了出来，再排放到大气中，大气的二氧化碳浓度就增加了，随之而来的就是温室效应带来的一系列影响。这实际是对工业革命，化石能源疯狂利用的一种嘲讽和报复。后工业时代注定要解决工业革命的麻烦。1850年全球CO2排放量仅为2亿吨，到2005年则增加到259亿吨。这其中，全球化石燃料的消费主要集中在工业、电力和交通运输部门，其CO2排放量约占全球CO2排放总量的63.09%〜72.96%。现在，全球各国首脑希望人类在2050年时，把气温控制在不超过1850年时多2摄氏度。如何减少大气中的二氧化碳排放量，科学家们已经想了各种办法。第一步是“碳捕获”。据方梦祥教授介绍，目前国际上比较成熟的是化学吸收法，简单来说就是利用CO2和某种吸收剂之间的化学反应，将CO2气体从烟道气中分离出来，目前科学家已经找到了多种性能优良而环保的吸收剂。还有一种方法叫“膜”分离法，化石燃料燃烧后的烟气在通过膜时被分类处理了，有的会溶解并通过，有的却通不过被“拦截”了。为了提高二氧化碳的减排效率，科学家还发明了一种富氧燃烧法，用纯氧燃烧使得排放的CO2纯度更高。据悉，目前国际上像美、英、挪威包括中国都有一些碳捕捉试验项目，其中碳的捕捉效率可以高达90%。“捕碳”还不是最难的，而且，“就算是把捕捉到的CO2再利用，拿去生产碳酸饮料，最后CO2还是排到了大气中”，科学家需要把CO2安全而永久地“封存”起来，这种碳捕捉与储存技术被称为CCS（即CarbonCaptureandStorage的缩写）技术。科学家目前主要的思路是“封到地下”，包括深海存储和地质储存。先说“深海存储”，要知道，海洋是全球最大的CO2贮库，其总贮量是大气的50多倍，在全球碳循环中扮演了重要角色。将CO2进行海洋储存的方式，主要是通过管道或船舶将CO2运送到海洋储存地点，然后将CO2注入海底，在海底的CO2水最后会碳化并保存下来。这个方法也有一定隐患：“CO2是通过船舶用高压打入海底的，万一CO2发生泄漏后果不堪设想，特别是海震时常发生。”目前科学家认为相对可行的是地质储存，把CO2打入地下1〜2千米的盐水层，在这样的深度，压力会将二氧化碳转换成所谓的“超临界流体”，并缓慢固化，就像地下的煤炭石油一样。在这样的状态下，二氧化碳才不容易泄漏。“另外，这片岩体的结构要好，有足够多的空间来容纳二氧化碳，而且具有连续性，面积够大。据预测全球盐水层的储量达到10万亿吨，可以储存1000年。到现在为止，全球共有三个成功的CCS项目在进行中。美国Weyburn-Midale项目填埋的是北达科他萨斯喀彻温省一座废弃油田的煤炭气化厂产生的二氧化碳。英国石油公司经营的阿尔及利亚萨拉油田项目把从当地生产的天然气中提取的二氧化碳输入地下。挪威大型石油天然气公司国家石油公司也在北海有两处类似的项目。另外，全球有上百个CCS项目正在建设中。在国内，继北京的华能高碑店项目后，华能石洞口第二电厂碳捕获项目7月份在上海开工，该项目总投资1.5亿元，今年年底将建成，预计年捕获二氧化碳10万吨，并号称是全球最大的燃煤电厂碳捕获项目。虽然目前CCS技术仍在实验阶段，其技术能否收到预期效果还有待证实，但成本之高已经叫人咋舌。根据麻省理工大学去年发表的一份报告，捕捉每吨二氧化碳并将其加压处理为超临界流体要花费30-50美元，将一吨二氧化碳运送至填埋点埋藏需要花费10-20美元。这也就是说，发电厂每向大气中排放一吨二氧化碳就要支付40-70美元，欧盟现行的碳价格则为8-10欧/吨，这一数字也接近联合国政府间气候变化专门委员会建议的碳价格的中间值。方梦祥教授也给记者简单算了一笔账：比如，燃烧1吨煤要排放出2吨的CO2,现在的煤价按600元/吨计，加上碳排放增加的600多元，成本增加了一倍，而燃烧1吨煤可以发电300度，摊到每度电上，就是电价增加70%-90%，而如果把生产、运输、销售中增加的碳价格核算到每件商品上，最后就能算出该商品的碳排放价。“如果征收起碳税来，这个数字将是很可观的。”无怪乎，有专家称石油交易之后碳排放交易最具潜力，全球碳排放市场将成为未来最大的市场。与此同时，各国资本已经开始觊觎这个产业，欧盟委员会已明确表示，欧盟计划直接投资80亿欧元用于CCS领域的技术研发。“这对我们来说，既是挑战也是机遇，现在，国外许多机构早已经瞄准了国内碳排技术市场，像我们浙江大学已经跟欧盟、美国能源部、英国等建立起技术合作关系，其实，我们国内的碳捕捉技术成本相比国外要低廉很多，如果可以抢占一些市场份额还是大有可为的，可惜，目前国内企业很少能有这样的眼光。”方梦祥教授说。（青年时报）碳捕获技术简介目前，主要有四种不同类型的CO2收集与捕获系统：燃烧后分离（烟气分离）、燃料前分离（富氢燃气路线）、富氧燃烧和工业分离（化学循环燃烧），每种捕获技术的技术特点及其成熟度见下表。在选择捕获系统时，燃气流中CO2浓度、燃气流压力以及燃料类型（固体还是气体）都是需要考虑的重要因素。表1碳捕获技术特点和现状CCW捕获技术技术特点发展现状工业分离利用工业材料分离同碳，技术成熟、但应用有限成熟市场燃烧后分离过程简单.但coz浓度低，化学吸收剂较昂贵技术可.行燃烧前分离COw浓度高，分离容易，但过程复杂，成本较高技木M行富氧燃烧co2浓度高，但压力较小"步骤较多，供氧成本高示范阶段对于大量分散型的CO2排放源是难于实现碳的收集，因此碳捕获的主要目标是像化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂、合成氨厂等CO2的集中排放源。针对排放的CO2的捕获分离系统主要有3类:燃烧后系统、富氧燃烧系统以及燃烧前系统。燃烧后系统介绍燃烧后捕获与分离主要是烟气中CO2与N2的分离。化学溶剂吸收法是当前最好的燃烧后CO2收集法，具有较高的捕集效率和选择性,而能源消耗和收集成本较低。除了化学溶剂吸收法，还有吸附法、膜分离等方法。化学吸收法是利用碱性溶液与酸性气体之间的可逆化学反应。由于燃煤烟气中不仅含有CO2、N2、O2和H2O,还含有SOx、NOx、尘埃、HCl、HF等污染物。杂质的存在会增加捕获与分离的成本，因此烟气进入吸收塔之前,需要进行预处理,包括水洗冷却、除水、静电除尘、脱硫与脱硝等。烟气在预处理后，进入吸收塔，吸收塔温度保持在40〜60°C,C02被吸收剂吸收，通常用的溶剂是胺吸收剂（如一乙醇胺MEA）。然后烟气进入一个水洗容器以平衡系统中的水分并除去气体中的溶剂液滴与溶剂蒸汽，之后离开吸收塔。吸收了CO2的富溶剂经由热交换器被抽到再生塔的顶端。吸收剂在温度100~140C和比大气压略高的压力下得到再生。水蒸汽经过凝结器返回再生塔，而CO2离开再生塔。再生碱溶剂通过热交换器和冷却器后被抽运回吸收塔。富氧燃烧系统介绍富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的介质。燃烧产物主要是CO2和水蒸气，另外还有多余的氧气以保证燃烧完全，以及燃料中所有组成成分的氧化产物、燃料或泄漏进入系统的空气中的惰性成分等。经过冷却水蒸汽冷凝后,烟气中CO2含量在80%〜98%之间。这样高浓度的CO2经过压缩、干燥和进一步的净化可进入管道进行存储。CO2在高密度超临界下通过管道运输，其中的惰性气体含量需要降低至较低值以避免增加CO2的临界压力而可能造成管道中的两相流，其中的酸性气体成分也需要去除。此外CO2需要经过干燥以防止在管道中出现水凝结和腐蚀，并允许使用常规的炭钢材料。在富氧燃烧系统中，由于CO2浓度较高，因此捕获分离的成本较低，但是供给的富氧成本较高。目前氧气的生产主要通过空气分离方法，包括使用聚合膜、变压吸附和低温蒸馏。燃烧前捕获系统介绍燃烧前捕获系统主要有2个阶段的反应。首先，化石燃料先同氧气或者蒸汽反应,产生以CO和H2为主的混合气体（称为合成气），其中与蒸汽的反应称为“蒸汽重整”，需在高温下进行;对于液体或气体燃料与O2的反应称为“部分氧化”，而对于固体燃料与氧的反应称为“气化”。待合成气冷却后，再经过蒸汽转化反应,使合成气中的CO转化为CO2,并产生更多的H2。最后，将H2从CO2与H2的混合气中分离,干燥的混合气中CO2的含量可达15%~60%,总压力2~7MPa°CO2从混合气体中分离并捕获和存储,H2被用作燃气联合循环的燃料送入燃气轮机,进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电。这一过程也即考虑碳的捕获和存储的煤气化联合循环发电（IGCC）。从CO2和H2的混合气中分离CO2的方法包括:变压吸附、化学吸收（通过化学反应从混合气中去除CO2,并在减压与加热情况下发生可逆反应，同从燃烧后烟道气中分离CO2类似）、物理吸收（常用于具有高的CO2分压或高的总压的混合气的分离）、膜分离（聚合物膜、陶瓷膜）等。碳捕捉与封存技术碳捕获和封存（以下简称CCS）是一种将工业和能源排放源产生的CO2进行收集、运输并安全存储到某处使其长期与大气隔离的过程。CCS主要由捕获、运输、封存三个环节组成。碳捕获CO2的捕获，指将CO2从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来，并将其压缩的过程。对于大量分散型的CO2排放源是难于实现碳的收集，碳捕获的主要目标是化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂、合成氨厂等CO2的集中排放源。目前针对化石燃料电厂的捕获分离系统主要有三种，即燃烧后捕获系统、燃烧前捕获系统和氧化燃料捕获系统。CO2捕获已经在一些工业应用中采用，马来西亚一家工厂采用化学吸附工艺,每年从燃气电厂的烟道气流中分离出0・2X106t的CO2,用于尿素生产。美国北达科他州煤气化工厂采用物理溶剂工艺,每年从气流中分离出3・3X106t的CO2,用于生产合成天然气，捕获的一部分CO2用于加拿大的强化采油项目。碳运输CO2的运输，指将分离并压缩后的CO2通过管道或运输工具运至存储地。第一条长距离的CO2输送管道于20世纪70年代初投入运行。在美国,有超过2,500公里的CO2输送管道,通过这些管道，每年有大约40X106t的CO2被运输到德克萨斯州用于强化采油。碳封存CO2的存储，指将运抵存储地的CO2注入到如地下盐水层、废弃油气田、煤矿等地质结构层或者深海海底或海床以下的地质结构中。这个过程涉及许多在石油和天然气开采和制造业中研发和普遍应用的技术，如用泵向井下注入CO2,并通过在井底部的凿孔或筛子使CO2进入岩层。此外CO2回注油田可以提高采油率，在煤层中注入CO2,可以回收煤层气，这个过程也就是通常所说的强化采油（EOR）和强化采煤层气（ECBM）。目前有三个工业规模(大于1X108tCO2/a)的项目在采用这种技术:北海的斯莱普内尔(Sleipner)项目、加拿大的韦本(Weyburn)项目和阿尔及利亚的萨拉赫(Salah)项目。碳运输技术简介在CO2运输方面，目前最可行的办法是利用管道输送。管道是一种已成熟的市场技术，将气态的CO2进行压缩可以提高密度，从而可降低运输成本。也可以利用绝缘罐将液态CO2装在罐车中进行运输。在某些情况下,使用船舶运输CO2从经济角度讲更具有吸引力，尤其是需要长途运输或需将CO2运至海外时，但由于这种情况需求有限，故而目前运输规模较小。在技术上,公路和铁路罐车也是切实可行的方案。然而，除小规模运输之外，这类运输系统与管道和船舶相比则不经济,不大可能用于大规模运输。目前,美国等国家在管道运输技术方面已很成熟，需要解决的问题是如何降低运输成本。运输成本主要取决于管道长度和管道直径，而由于捕获(包括压缩)成本非常高,使得运输成本在整个成本中所占比例较低。因此只要捕获和封存成本较低，或为了获得其他一些收益(如提高油田采收率)，许多国家不惜长距离运输的高成本远距离输送CO2。例如美国为提高原油采收率，采用远距离输送高压液态CO2,最长的输送管是绵羊山脉(SheepMountain)运输管道,它将南科罗拉多州的CO2运至得克萨斯的二叠纪盆地，距离为656km。碳封存技术简介碳封存是指将捕获、压缩后的CO2运输到指定地点进行长期封存的过程。目前，主要的封存方式有地质封存、海洋封存和碳酸盐矿石固存等等。另外，一些工业流程也可在生产过程中利用和存储少量被捕获的CO2。但是，从普通电厂排放、未经处理的烟道气仅含有大约3%〜16%的CO2,可压缩性比纯的CO2小得多，而从燃煤电厂出来经过压缩的烟道气中CO2含量也仅为15%,在这样的条件下储存1tCO2大约需要68m3储存空间。因此，只有把CO2从烟气里分离出来，才能充分有效地对它进行地下处理。在将CO2封存到地下之后，为了防止CO2泄漏和或迁移，需要密封整个存储空间。因此，选择一个合适的具有良好封闭性能的封存盖层也十分重要，它可以起到一个“盖子”的作用，以确保能把CO2长期地封存在地下。比较有效的办法是利用常规的地质圈闭构造，它包括气田、油田和含水层，对于前两种，由于他们是人类能源系统基础的一部分，人们已熟悉他们的构造和地质条件,所以利用它们来储存CO2就比较便利和合算；

而含水层由于其非常普遍，因此在储存CO2方面具有非常大的潜力。根据碳封存地点和方式的不同，可将碳封存方式分为地质封存，海洋封存、碳酸盐矿石固存以及工业利用固存等。其中，每种封存方式又包括不同的具体技术,他们的发展现状见下表。”式技术研究阶段示范阶段一定条件卜经济可行成熟化市场地质封存强化采油（EOK）V天然气或石油层V盐沼池构造提高煤层『ECUM）V’海洋封存直接注入（溶解型）直接注入（湖泊型）碳酸盐矿石封存犬然硅酸盐矿石废弃物料V工业利用碳捕捉与封存技术的发展现状现在，CCS技术已受到国际科技和产业界的密切关注。由于其与现有能源系统基础构造的一致性，受能源资源条件限制较小，该技术尤其受到工业化国家的广泛关注与密切重视,美国、欧盟和加拿大等都制定了相应的技术研究规划，开展CCS技术的理论、试验、示范及应用研究。根据国际能源署的统计，截至到目前，全世界共有碳捕获商业项目131个，捕获研发项目42个，地质埋存示范项目20个，地质埋存研发项目61个。其中，比较知名的有挪威Sleipner项目、加拿大Weyburn项目和阿尔及利亚InSalah项目等。近年来，欧美国家又开始把火力发电厂排放的CO2作为主要储存对象，开始进行地下储存的实验。2002年11月开始，美国能源部在西维吉尼亚新港口美国电力能源公司（AEP）的山顶电厂开展利用地质学方法存储CO2的研究项目；2003

年2月，欧盟委员会资助的“二氧化碳储存”研究项目在丹麦、德国、挪威与英国开展储存发电厂排放的CO2储层性质的研究；目前，在示范项目方面，全球范围内已有几个250MW规模的IGCC燃煤电厂建成。在CCS实验项目方面，2004年9月14日在澳大利亚墨尔本召开的世界碳固存领导人论坛上，国际合作推动的10个实验改进技术项目得到确认,与会的国家对碳固存的国际合作均表示出浓厚的兴趣。以上述已经进行的项目和实验说明，CCS技术是一项极具潜力的减少CO2排放的前沿技术，该技术有可能在经济发展与环境保护两个方面实现双赢局面。因此，我国也应密切关注CCS技术的研究现状和最新进展，及早开展相关技术研究规划和理论与试验的示范与应用。案例：以美国为例，美国于2000年开始由美国能源部主持正式开展CO2封存研究和发展项目，其中将地质封存和海洋封存列为主要研究领域，同时研究陆地生态系统(森林、土壤、植被等)对二氧化碳的隔离作用，并制订了详细的技术路线图，详情见下表表1地顶封存技术路线图「「份川一废弃油「UI1油气田(EOR)2001废弃油「UI1油气田(EOR)200120042006200S2001200420062010盐水沅积区200320042006200t)200820102012200220042006200K20122015完成废存袖气田丸化碳作的实地测试II监测完成环境可接受性分析和废弃油气田监测模式完成经选杵的废弃油气国贮存■氧化碳的工程模型弟成废弃油气田贮存二'氧化碳的环境可接受性实地测试和评愉启动EOR■VI化戚存的实地测试和监测完成EOR-*1化碳优化吧存实验完成EOR二氧化碳毗存项目的筛选模型寿成大规模EOR二氧化碳贮存环境实地测试、监测验源和环境可接受性砰价建M煤炭：筮化碳吸附伽技术基础完康适宜泠［化碳『:存煤层选择的T：程的选模型优化二说化碳贮存燥席叩烷生产完成环境可接受性分析并发展相应监测模式蟋此大规摸探度不开来煤层二塑化碳贮存的环境可接受性完康大规模测试的工程设计模型完城不河采燥层¥•.〔化跛壬存实地测试碰定适宜的盐水泥枳区址立抹水系统拘二叙化碳分髀机制完成环境可接受性分析并发展相应监测模式完成小规模赋监驶证大规模盐水沉租区二氧化碳贮存的环境可接受性完或实弛测试表2海洋碳封存技术路线图年份，年 村标2。。1完成深海-一机化碳灌注初始实噩2003完成用于评价森海灌注生态影响和全系列生物标记鳖定2004指导第2袂深海灌注系列实验2006研究深海港湾和监刑的技术可和性2007研究海洋吧存：氧化碳的美您性生态因素200S大规模营养物应用实地刑试和第3次深海灌注系列实验2012完成海洋碳戡存的性能利坏兢检删数据分析2005年美国已开展了25个CO2地下构造注入、储存与监测的外场试验,并已进入验证阶段。我国碳捕集与封存技术发展前景及行动中国的国情、发展阶段和能源结构决定了碳捕集与封存技术（CCS）是中国应对气候变化的一项重要战略选择，也是全球碳捕集与封存最具潜力的市场；虽然该技术仍处于研发和示范阶段，但国内高校、科研机构和企业已积极行动，取得进展，中国CCS中心筹建的可行性研究也在进行之中；全面认识CCS技术本身及发展中存在的问题，对于中国提高技术研发能力、应对气候变化能力和综合竞争力具有重要意义。中国应对气候变化的重要选择：碳捕集与封存《京都议定书》的生效为人类共同应对气候变化提供增添了希望，但通过提高能效、使用可再生能源等来减少二氧化碳排放的技术手段仍比较单一，而以能源驱动的现代社会，化石燃料仍将继续是主要的能源供给，二氧化碳等温室气体的减排面临巨大压力。要实现温室气体浓度稳定在一定水平，还需要采用综合的减排措施，在这样的背景下，IPCC特别推荐碳捕集与封存技术，以期来共同灵活应对温室气体到减排。所谓二氧化碳的收集与储存，及时收集化石燃料燃烧产生的二氧化碳，并在天然地下储层中长期储存，以减少二氧化碳向大气排放。这项技术手段不但是全球温室气体减排的重要选择，而且是减少大气中二氧化碳浓度的根本措施，能够真正实现能源利用的近零排放。近年来，中国快速的经济增长对能源的需求日益增加，温室气体排放量已位居世界前列，而中国又是一个深受气候变化影响的发展中国家，极端天气事件频发。目前以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源结构，使碳捕集与封存在中国应用前景极其广阔，也必将成为中国碳减排和应对气候变化的重要技术选择。中国CCS：仍处于研发阶段从20世纪70年代起，我国开始注意二氧化碳提高石油采收率的研究工作。但与国际先进的做法相比，中国的CCS研究与开发还处于前期。二氧化碳捕集只适用于一些二氧化碳纯度高、比较容易捕集的炼油、合成氨、制氢、天然气净化等工业过程。整体看，目前我国的二氧化碳捕集与封存仍处于实验室阶段，而且大都采用燃烧后捕集的方式，工业上的应用也主要是提高采油率。但是近年来中国在CCS的研究上作了很多工作，从2003年开始中国政府就参加了碳捕集领导人论坛。“973计划”、“863计划”在内的国家重大课题都对CCS进行了研究。此外，华能和神华等大型公司也对CCS进行规划、研究和示范。2008年7月16日，我国首个燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程一一华能北京热电厂二氧化碳捕集示范工程正式建成投产，标志着二氧化碳气体减排技术首次在我国燃煤发电领域得到应用。作为发展中国家第一个CCS中心，煤炭信息研究院将与国际能源署合作开展筹建“中国CCS中心”的工作。它将积极推动中国CCS技术的研发与示范、技术转移和信息共享。CCS面临的现实挑战虽然CCS作为一种消除温室气体的根本技术途径，具有很大的发展潜力，但它的应用将极大地改变传统的能源生产方式，影响经济成本；对地质结构、海洋生态、人体健康和地球循环系统具有极大不确定性，影响人类生存环境；它的应用还将改变人们现有认知、现存法律法规及政策，影响社会承受度。所以，CCS面临一下问题：成本太高。目前估计CCS的应用将使发电成