二氧化碳排放的ccs技术进展

二氧化碳排放的ccs技术进展

1碳排放污染物治理的技术方案现在，世界气候发生了显著变化，极端气候现象频繁发生，极端气候导致的自然灾害也显著增加。舟曲八谷泥石流沉陷是极端天气带来的典型自然灾害。温室气体对全球气候的影响已成为共识,而CO2作为最重要的温室气体也越来越受到人们的关注。CCS(CarbonDioxideCaptureandStorage)技术是目前唯一可以大规模减少在原料转化、工厂和电力行业中因使用化石原料而产生温室气体排放的技术措施,它在碳减排方面有着十分重大的意义,可以降低70%~82%的碳排放量。IEA(InternationalEnergyAgency)在2010年发布的CCS技术路线图中指出如果没有CCS技术,那么到2050年要达到CO2排放量减半目标的总体成本将上升70%。根据IEA2010年发布的CCS技术路线图,CCS技术是一个集CO2捕获、运输和封存为一体的系统技术工程(如图1)。在CCS项目中,CO2的安全封存是整个项目能否成功实施的关键。目前技术上可行的方案有(1)地质封存,把CO2直接注入深部咸水层、枯竭油气田或玄武岩含水层;(2)CO2-EOR(CO2EnhancedOilRecovery)技术;(3)CO2-ECBM(CO2EnhancedCoalBedMethane)技术(4)海洋封存。由于海洋封存技术目前还不成熟,且涉及海底生态、法律等诸多方面的问题,在研究和实践中存在一定问题,因此,本文重点介绍地质封存CO2-EOR技术和CO2-ECBM技术。2ccs项目已处于试验探索阶段,主要有20u2005目前世界各国都在大力发展CCS技术。据CO2CRC(TheCooperativeResearchCentreforGreenhouseGasTechnologies)的统计资料,世界上正在运行的CCS项目有53项。在这53个项目中大型项目(CO2储量>500kt)有17项,中型项目(20kt<CO2储量<500kt)有10项,小型项目(CO2储量<20kt)有24项,另外,规模不详的项目有2项。其中、中小型项目占64%,这说明CCS项目目前还处于试验摸索阶段。此外,83%的项目都位于北美洲或欧洲,这主要是因为该地区国家一般对煤炭及其他化石燃料的依赖性很大,碳减排压力大,从而在很大程度上推动了CCS技术的发展。美国能源部在2009年公布的《美国复苏与再投资法案》中计划用24亿美元来扩大和加速商业CCS项目的部署力度;欧盟计划在2015年前建成10~12个大规模CCS示范项目。加拿大、澳大利亚、日本等也都在加紧CCS项目的部署。据相关资料统计,目前全球在CCS项目中的投资总额已达24亿美元。根据NETL(NationalEnergyTechnologyLibrary)的统计资料,世界上正在运行和计划建设的CCS项目(包括单纯的碳捕获项目)已有247项,而到2020年,全球范围内运行的CCS项目将达到100个,2050年将超过3000个。3ccs技术的起步和发展王雪梅等通过对碳捕获与封存技术的DII专利文献进行分析,认为CCS技术可以划分为三个阶段:20世纪80年代以前,CCS技术处于起步阶段;20世纪80至90年代,相关技术呈波动增长;进入21世纪以来,CCS技术发展活跃,专利数量也随之迅速增加。以下对地质封存、CO2-EOR、CO2-ECBM技术分别进行详细介绍。3.1深部地下水co封装地质封存技术是直接把CO2注入地下适当地质构造并使其永久封存的技术。目前,适于注入CO2的地质构造包括深部咸水层构造、枯竭油气田、玄武岩含水层。其封存机理为储层的物理和地球化学俘获机理,具体包括物理隔离作用、水力学机理、化学捕获机制等三个方面。根据CO2CRC的统计资料,世界上正在运行或建设的CCS地质封存代表性项目见表1。深部咸水层构造为富含高浓度盐水的沉积岩,由于其地下水矿化度较大,不适合作为饮用水,却是封存CO2的有利场所。一般来说,CO2在深部咸水层构造的封存深度至少应在800m以下,以确保CO2处于超临界状态(其密度大约为500~800kg/m3),这种状态既有效利用了地下封存空间,又改善了封存的安全性。当把CO2以超临界或液体状态注入地下深部盐水层或枯竭油(气)储层时,CO2通过部分置换现场流体来挤占并充满岩石中的孔隙,同时在上部冠岩的作用下确保CO2长期留在储层中。随着时间的增长(百万年),CO2与现场流体和寄岩发生化学反应生成碳酸盐矿物质,实现永久封存。据CO2CRC的统计资料,目前世界上在枯竭油(气)田中封存CO2的项目只有5项(枯竭油田封存项目仅1项),而深部咸水层封存项目数量远大于枯竭油(气)田的,达到22项。虽然枯竭油(气)田是CO2的理想封存场地,但是咸水层沉积盆地的封存潜力大,分布广,受埋存量、埋存地点和埋存时间的限制较小,因此深部咸水层封存技术应用范围更广泛。玄武岩是地球上最活跃的岩石类型之一,富含Ca、Fe、Mg等二价金属离子,易与CO2的反应生成稳定的碳酸盐矿物。当把CO2注入玄武岩含水层时,CO2溶解在地下水中,地下水pH值下降,大量的化学耦合反应随之发生,玄武岩开始溶解。而玄武岩的溶解过程不仅使地下水的酸性得到中和,同时生成稳定的碳酸盐矿物沉淀,从而实现永久封存CO2。玄武岩的封存机理使得CO2封存工程潜在的健康、安全以及环境风险降到最低。目前,只有冰岛和美国有小型示范项目。3.2co-ecbm地质封装CO2-EOR(CO2EnhancedOilRecovery)技术的原理是用高压将CO2注入油田与原油形成混合物,把原油驱入生产油井中,同时又把CO2封存在地下的技术。原油的增产率取决于储层特性和二次采油阶段的回收效率,一般在5%~15%之间。美国的CO2-EOR技术已有30余年的工程实践历史并且已经形成一定的市场规模,但将CO2埋存作为首要目的,却是近10年发展起来的新技术。在漫长的地质历史时期,油气田已经安全地储存烃类液(气)体千百万年了,因此,一般来说,CO2的理想封存地质构造是油(气)储层。CO2-ECBM(EnhancedCoalBedMethane)技术是把CO2注入深部不可采煤层的技术。其机理为竞争吸附,煤层对二氧化碳的吸附能力比对甲烷的更强,煤层在吸附CO2的同时解吸CH4,解吸出来的这部分CH4的价值可以抵消部分CO2注入费用。目前世界上正在运行的和计划进行建设的CO2-EOR、CO2-ECBM项目共有24项(分别为13和11项),其中较有代表性的项目见表2。在IPCC特别报告(2005)中,把CO2-EOR、CO2-ECBM技术都归类于地质封存,但CO2EOR技术与地质封存存在巨大差异。驱油是一个短期过程,而封存的目的是为了永久封存。驱油项目所使用的CO2在驱油过程中大约有50%~60%会回到地表,而封存项目要求将100%的CO2永久地封存在地下。最后,驱油的盈利模式决定了它的目标是用最少的CO2来获得最多的原油,这也就决定了EOR技术不能大规模用于碳减排。当前经济技术条件下的不可采煤层不代表以后也没有开采价值,也就是说CO2-ECBM技术有可能造成煤炭资源的浪费。尽管如此,实施CO2-EOR、CO2-ECBM项目的意义仍然很重大,因为它对地质封存技术有一定的参考与借鉴意义。CO2-EOR、CO2-ECBM技术过程分别见图2和图3。此外,CO2-EOR和CO2-ECBM技术的实施说明往地层中注入CO2不但可以减少CO2的排放,而且是一种有效提高采收率的方法,尤其是在当前油价上涨的背景下,CO2-EOR技术更具吸引力。4ccs的关键技术4.1油气储层的二通插装技术目前二氧化碳封存技术方案主要有五种,见表3。IPCC特别报告(2005)指出深部咸水层是最有前景的长期封存CO2的选择,尤其是在缺少直接经济刺激的前提下,咸水层在靠近CO2捕获地方面具有潜在的地理优势,此外,咸水层的CO2预计封存能力也要远大于油气田储层的封存能力。CO2-EOR、CO2-ECBM技术由于自身各方面的原因都无法实现大规模减排,但其经济价值较高,工程实践经验丰富,对以后的大规模封存技术有一定的借鉴意义。一般来说,枯竭的油气田是最理想的CO2封存场地,其场地地质资料丰富,设施完善,但缺点是废弃的油气井可能成为潜在的泄露源。另外,中国天然气工业起步晚,产量低,因此,很长一段时间内不会出现大规模气田枯竭。与沉积岩相比,玄武岩独特的性质会对注入的CO2产生化学俘获作用,将其转化为固体的矿物形式,从而高效安全永久地封存CO2。尽管玄武岩含水层固碳技术目前仍处于试验阶段,但却受到学术界越来越多的关注。4.2co注入对冠岩完整性的影响安全问题是二氧化碳封存工程的关键,虽然目前各CCS工程运行状态良好,尚未见到CO2泄露的实例报道。但大量的CO2泄露将会产生严重的环境危害,如1986年发生在喀麦隆尼奥斯湖湖底的火山喷发,使得大量堆积在湖底的CO2被突然释放出来,导致方圆25km范围内的1700多人和大量的动物窒息死亡。CO2泄露与冠岩的岩石力学性质有关,其涉及的岩石力学问题主要包括封存地层的长期力学稳定性问题及CO2-水-岩的化学耦合作用对岩体的力学性质及水力学性质的影响。目前对渗漏途径的研究较多,主要集中在冠岩裂隙、断层稳定性以及井完整性等领域。当把大量超临界状态CO2注入储层中时,会发生复杂的物理、化学以及应力场、渗流场变化,包括pH值变小,CO2-水-岩的化学反应,有效应力减小,渗流变化等等。初始地应力对冠岩完整性的影响很大,VictorVilarrasa等的研究发现场地的初始地应力决定了塑性应变的传播模式,当σh<σv时,塑性应变在整个冠岩层中传播,从而促进CO2迁移;而当σh>σv时,塑性应变集中在冠岩和储层的接触界面上,这就有可能破坏冠岩的毛细屏障作用。J.Rutqvist等认为初始地应力在很大程度上决定了破坏概率、破坏类型及位置。冠岩完整性评价的重点在于现存断层在CO2注入过程中是否可能复活。大量SC-CO2(SupercriticalCO2)的注入引起孔隙压力急剧上升,有效应力下降,从而影响断层的稳定性。ArianeDucellier等通过大型二维流体力学耦合模拟发现CO2的注入一般不会引起断层复活,只有当断层胶结物的内摩擦角小于某值或CO2注入压力持续上升到一定值时,断层才有可能复活。VictorVilarrasa等发现CO2注入初期(4d后)由于孔隙水压力的急剧增大,莫尔圆左移,断层稳定性最差,但随后由于水平应变受到限制,水平应力σ3增加,莫尔圆变小,偏应力减小,断层稳定性增加(如图4)。此外,研究还发现冠岩对CO2有比较明显的吸附作用,虽然吸附有利于CO2的固定,但是当冠岩为页岩时,粘土矿物在吸附CO2后可能发生膨胀,对冠岩的稳定性产生影响,但其影响具体是什么及其如何影响目前还不清楚。4.3储层可注入性研究目前阻碍CO2地质封存技术顺利实施的因素很多,其中就包括对潜在CO2封存区的区域地质特征和封存能力评估上的认识不足。封存能力的大小取决于封存容量和储层CO2的可注入性这两个关键因素。通常,场地封存CO2的容量与储层的孔隙率、厚度和区域面积成正比关系。渗透系数是评估可注入性的重要参数之一,可通过对沉积物和岩石的渗流试验研究和数值模拟参数反演获得[41~45]。Ambrose等通过在德克萨斯州Gulf海岸地区油气田试验认为相变异和相应的渗透系数不均匀性研究在工程实践中非常重要。4.4地质模型材料研究目前国内所做的工作还只是停留在封存场地评价及容量评价等方面,对封存过程中的力学问题进行室内试验或数值模拟的研究较少[47~49],专利注册方面仅李小春发明了一种基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法。CO2封存工程庞大,时间跨度长,封存场地地质条件具不确定性和复杂性,CO2注入后冠岩、储层物理、化学特性变化规律及其温度场、化学场、渗流场、应力场的变化规律,都亟需开展室内试验、现场试验及数值模拟研究。目前对含水层封存过程中的力学问题研究还存在诸多问题,尽管室内试验在试验温度、压力、咸水矿物组分等方面越来越接近现场条件,但是其试验时间尺度有限[51~53]。数值模拟虽然可以弥补这方面的不足,但其假定和简化条件太多,流固耦合模拟目前也仅限于两相模拟,CO2-水-岩石之间的化学动力学模拟和THM(Thermo-Hydro-Mechanical)模拟还不尽人意。因此,结合室内试验与数值模拟进行多孔介质渗流力学,热力学,岩体力学,流体力学,化学反应动力学等多学科之间的跨学科研究将是今后的一个重点研究方向。4.5co地质积极保护、开发和重建地质条件Gibson-Poole提出了封存场地选址时需考虑的几点条件:(1)具备完整的地质结构,以阻止气体在垂直方向上的位移;(2)储层岩石不易与CO2发生化学反应,且封存容量大;(3)良好的封盖层,且下面具有较长的气体运移路径。并对位于南澳大利亚Gippsland盆地的场地进行了封存能力评估,认为该场地达到要求。Aarnes等则认为合格的CO2地质封存场地至少满足四个主要条件:存储能力,风险最小化要求,环保要求以及经济和社会效益。刁玉杰等指出CO2地质封存场地地质条件需满足盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件等四个方面,并强调盖层适宜性是CO2安全储存的最关键因素。场地除了要满足CO2封存容量的要求外,还必须要求CO2在地下封存的时间要足够长,因此场地筛选时必须考虑封存期间存在的风险。CO2封存工程中,存在的风险主要包括:(1)封存场地是否有发生大规模地震导致地质构造被破坏并引发CO2泄漏的可能,或者由于CO2的注入而诱发区域小规模地震的可能;(2)封存区域,尤其是封盖层中是否存在断层带或岩石破碎带,场区是否存在滑坡等不利地质条件;(3)废弃矿井和油气井直接联通着地面与储层,其封闭性同样也是需要考虑的重要因素;(4)需综合考虑的社会和经济风险因素,如地区城市人口密度,工业化程度等。Chiaramonte等对位于美国怀俄明州的一个试验场地进行了地质力学描述和封盖层完整性评价,并对储层边界处断层可能出现的渗漏风险进行了预测。研究指出,CO2的注入导致地层中的孔隙压力增大,有效应力减小,从而可能引发封盖层产生破裂、断层复活。许志刚等以加拿大Weyburn油田为例,深入分析CO2地质封存中可能存在的渗漏风险和途径,建立了CO2渗漏风险评估机制,并对具体的渗漏事件提出了相应的补救对策。Doughty等提出在一般选址原则基础上,进一步考虑CO2在储层中受到的浮力、多相综合效应和地质不均匀性影响,并对早期注入储层中的CO2羽进行筛选,把得到的数据作为选址的重要评价依据。5发展co-eor技术中国以煤炭为主的能源结构将导致中国未来面临着强大的碳减排压力,在此对中国CCS技术的发展有以下几点认识:(1)加强CCS技术领域的国际合作,