碳捕獲與封存技術（CCS）
2010-01-18 11:21:51| 分類： 行業研究 閱讀315 評論1 字號：大中小 訂閱
目前二氧化碳在大氣中的含量水平為百萬分之三百八十五，而其正以每年3%的速度增長。按這個速度發展，到2100年，空氣中的二氧化碳的聚集量將達到百萬分之一千一百，整個地球的氣候條件將逐步接近史前年代：地球大氣層和金星的大氣層相類似，二氧化碳取代氮氣成為主要成分;溫室效應造成的高溫將不適合任何動物的生存，人類社會則將在這一進程中崩潰。
造成這一切的主要原因，就在于人類的工業化進程使得碳的排放量已經遠遠超過了自然體系捕獲碳的能力。如何阻止這一進程發展下去是個棘手的問題。作為補救措施之一，人類已經開始嘗試將碳捕獲與封存(CCS)作為一種產品推向前臺，并已經在部分地區進行試點。
自然碳捕獲
地球形成之初，大氣層的主要成分是二氧化碳和甲烷，是個不適宜居住的星球。但自然改變了這一切。經過數億年的時間，大部分二氧化碳都被“蓄碳池”體系所吸收。海水、綠色
植被都是蓄碳池體系的組成部分。現今地球的海水里充滿了遠古時代的碳，其總量大約有35萬億噸。而經過數千萬年的時間，地球上的原始森林也吸進了數萬億噸的二氧化碳。被植物所捕獲到的大多數二氧化碳經過數十億年的時間，都演變成更加固定的地質形態，包括石灰石、頁巖，也包括煤炭、石油和天然氣等碳氫化合物。
直到大約500年前，這種自然碳捕獲的過程都進行得十分順利。碳的循環在當時達到了一定的平衡：腐爛的植物或者火焰每排放一個二氧化碳分子，森林或海洋就會重新吸收一個同樣的分子。空氣中的二氧化碳濃度為百萬分之二百七十。
然而，從公元1500年開始，這種平衡被逐漸打亂。由于農業的發展和對木材的需要耗盡了森林，地球吸進碳的能力逐步下降。更為重要的是，對能源需求貪得無厭的工業革命引發了碳氫化合物燃燒量的驟增，從而扭轉了數億年來碳儲存的平衡。從18世紀末以來，人為的二氧化碳排放量已經從微不足道的每年1億噸上升到每年63億噸，大約比生物圈所能吸收的量多了一倍。由于每年進入大氣層中的碳量比被捕獲的碳量多出32億噸左右，所以大氣層中碳的聚集量開始上升，增加到了現在的每百萬分之三百八十以上。
皮尤全球氣候研究中心研究員本?普雷斯頓說：“即使人類今天停止了所有二氧化碳的排
放，那么我們還得等上兩三個世紀的時間，才能等到自然界的蓄碳池將已經在大氣層中多余的二氧化碳吸收掉，讓二氧化碳的聚集量恢復到工業化以前的水平。”
在這種背景下，人類開始了人為碳捕獲與封存技術的嘗試。
碳捕獲與封存
二氧化碳捕獲和封存技術在具體實踐中同樣分為“碳捕獲”和“碳封存”兩個步驟進行。對于碳捕獲而言，人們現在已經掌握了三種主要的技術路徑：燃燒后捕獲(post-combustion)、燃燒前捕獲(pre-combustion)和富氧燃燒捕獲(oxyfuel-combustion)。
燃燒后捕獲是指從化石燃料燃燒后產生的廢氣中采用液體溶劑和加熱的方式將二氧化碳分離出來，而燃燒前捕獲則是首先將化石燃料轉化為氫氣和二氧化碳的混合氣體，然后二氧化碳被液體溶劑或固體吸附劑吸收，再通過加熱或減壓得以釋放和集中。
與燃燒后捕獲相比，燃料前捕獲中碳的壓力和濃度均相對較高。這使得碳的分離更為容易，同時也提供了進一步應用新型碳捕獲技術的可能性。而如今正在實驗室或試點項目中小規模使用的富氧燃燒技術，同樣涉及燃料燃燒過程，但不同之處在于助燃劑是氧氣而
非空氣。其燃燒后的廢氣也主要由水蒸氣和高濃度的二氧化碳構成。
碳埋存技術的現實應用則需要首先尋找到適宜封存二氧化碳并使其與大氣完全隔絕的地質層。而從地質學角度看，實際上有三類地質層均能用來埋存二氧化碳，其中最具吸引力的當屬現有的油田和氣田。基于人們對產油層和產氣層的地質概況的深入了解，油田和氣田已被證實可以容納碳氫化合物。而更重要的是，將二氧化碳回注油田能顯著提高油田采收率多達5%至15%，并可相應地延長油井生產壽命——這種“化腐朽為神奇”之術實質上已成功地幫助了不少產量日減的油田得以增產延壽。
第二類地質層是不含碳氫化合物的圈閉(一種能阻止油氣繼續運移并能在其中聚集的場所)，但它具有和含油層、含氣層和煤層類似的結構。
第三種就是底水-深度蓄水鹽層，由于鹽層的分布面積廣大，因而被推舉為一種長久的碳埋存解決方案。
案例研究
盡管捕獲、運輸和存儲過程的每一個環節都經過了驗證和使用，但是，迄今為止，全
循環的系統還沒有試驗過。全世界范圍已有十多個碳捕獲計劃正在籌備中。2008年9月，世界上第一個完整的碳捕獲和存儲技術示范項目在德國一家燃煤發電廠開始運轉。該示范性試驗項目建于德國北部Schwarze Pumpe發電廠旁邊，每年將捕獲10萬噸二氧化碳，隨后將之壓縮，埋藏在枯竭的Altmark天然氣田表面以下3000米的地方。該氣田距離發電廠大約200公里。示范項目耗資7000萬歐元（5700萬英鎊），能夠輸出12兆瓦的電力和30兆瓦的熱能，足以供應1000多戶家庭。
美國西弗吉尼亞州登山者（Mountaineer）項目將于2009年啟動，有可能成為第一個把所有燃燒后捕獲技術綜合在一起的示范發電廠。這家發電廠只是一項更為雄心勃勃的計劃的試驗田。該計劃從俄克拉荷馬州一家燃煤發電廠捕獲和存儲二氧化碳，將于未來幾年內開始運轉，每年捕獲150萬噸二氧化碳，并掩埋于附近的油田。
中國在碳捕獲與封存方面積極與澳大利亞、英國等技術發達國家合作，積極發展碳捕獲與儲存的試點項目。2008年7月，中國華能集團與澳大利亞聯邦科學工業研究組織（CSIRO）正式宣布在北京成立的燃煤電廠二氧化碳捕集示范工程建成投產。這項由華能控股的西安熱工研究院設計完成的華能北京熱電廠二氧化碳捕集示范工程，坐落于北京郊
區，是中國首個燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集示范工程，預計其年回收二氧化碳能力可達為3000噸。2009年3月，神華集團表示其正在研究利用碳捕獲和封存技術減少煤制油項目的二氧化碳排放，目前正在進行示范項目的研究、開發和評估工作。這一為神華集團位于鄂爾多斯100萬噸直接煤制油示范項目配套的工程，將大大減少生產過程中二氧化碳的排放，以實現煤的清潔利用。研究表明，利用現代煤直接液化工藝，每生產一噸成品油，大概需要排放約3噸左右的二氧化碳，其中大部分純度很高，捕集的成本相對較低。
盡管科學家多年來一直認為，碳捕獲和儲存對于遏制氣候變化來說是一項至關重要的技術，但到目前為止，該技術建設和運營成本昂貴，再加上二氧化碳會否逸出等問題在技術上存在不確定性，這一技術的發展一直受到限制。而該技術到底是不是對抗全球變暖的好辦法，環保組織也意見不一。
跟蹤相關公司技術開展工作進程。
昂貴的技術
黃斌，這個研究二氧化碳捕捉的學者毫不避諱CCS技術存在的問題。在接受記者采訪前一天，他還到華能北京高碑店熱電廠看了一眼CCS裝置運行情況。
黃斌是華能西安熱工研究院二氧化碳控制與減排研究所所長。
華能北京高碑店熱電廠是我國目前惟一在熱電廠實現工業級應用碳捕集技術的項目。該項目于去年7月開始運行。黃斌所在的單位為此提供技術支持。
高碑店熱電廠每年約排放400萬噸二氧化碳，碳捕集系統能夠捕集其中的0.075%，約3000噸，而捕集能耗占電廠能耗則在30%以上。
顯然，其捕集的二氧化碳并不多，“幾乎不到1%”。之所以如此，因為二氧化碳捕集裝置的能耗一般都比較高，耗資比較大。
以30萬千瓦規模的電站，一年捕集100萬噸二氧化碳為例，以往的電站投資大致在每千瓦4000元，一旦加上CCS裝置，其成本將變成每千瓦8000到10000元。這意味著30萬千瓦的電站幾乎增加一倍以上的投資，達12億元之巨。
那么效益如何呢?目前火電廠發一度電大約排放一公斤二氧化碳，但是要對其進行捕捉，其中要耗費大量的能源、蒸汽甚至電，這樣發一度電幾乎要增加30%能耗，電價成本大概提高20%到30%。“誰來承擔成本，而且要長期承擔?”黃斌反問道。
綠色和平氣候與能源項目經理楊愛倫指出，目前在CCS技術尚未成型的階段，即使有為數不多幾個項目處于商業運行，其主要應用方向還是產油國公司將二氧化碳注入地下，以求擴大石油產量。
目前，業界有三種二氧化碳捕集方法，分別是燃燒前、燃燒后以及富氧燃燒。專家分析認為，燃燒前捕集適合于未來新建電廠，燃燒后捕集適用于現有電站改造。中國開展的燃燒前捕集的案例就是華能的綠色煤電計劃，燃燒后捕集的案例為華能北京熱電廠，而富氧燃燒現在還在清華大學試驗。
和中國相同的是，其他國家的CCS項目目前也處于試驗示范階段，只是他們開始投入“巨資”研發此項技術，比如歐洲委員會近期宣布投入14億美元在歐洲各國建立CCS示范工程。
當然，環保主義者擔心的不止是成本，他們還擔心人類并不能控制儲藏在地下的二氧化碳重新泄漏出來。所以當歐洲委員會公布方案之時，爭議聲一片。
對此，先期研發CCS技術的公司宣稱不會有這種事情產生。
以道達爾的CCS項目為例，從地理位置上，道達爾的Lacq氣田與居民區很近，可以說是“人
口相對而言比較稠密的區域”。開始CCS試驗之時，當地居民擔心濃縮的二氧化碳封存在地下是否安全。“我們的項目在提交官方批準前，公司就和地方當局、社區組織和居民個人進行廣泛溝通，詳細介紹項目情況和專家的評論，讓公眾了解當地地質條件適合封存二氧化碳。”道達爾CCS項目負責人NicolasAimard表示。
CCS背后的氣候政治
可以肯定的是，CCS技術對那些不愿意改變自身能源消費結構的政治家具有很大的吸引力。
長期參加各項氣候談判的楊愛倫的一個深切體會是，CCS技術本身的研究、談論是一個不帶偏見的討論，但是當西方國家一旦將CCS作為解決氣候變化的主要方案，則使討論具有了很大的政治意義。
“歐洲國家有很多應對氣候變化的方法，之所以本國投入巨資發展CCS技術，他們的理由是‘中國需要，中國有很多的煤電廠’。”楊愛倫說。
目前在中國的8億千瓦的電力裝機中，火電裝機的比例達到了四分之三。中國似乎是這項技
術的最大消費者。
聯合國氣候變化委員會已經意識到，到2050年,世界的主要的能源結構還是以煤炭為主的火力發電,因此CCS將成為溫室氣體減排的主要技術方向。 這將不可避免地成為發展中國家的壓力。當然，發達國家對此也會有很大的壓力,特別是以煤作為主要能源的國家,如美國和澳大利亞等。
據專家介紹，在氣候談判中，發展中國家特別是印度比中國更為抗拒CCS技術。在這些發展中國家看來，目前，發展中國家已經有很多技術成熟、發展空間非常大的減排技術，但是這些技術還未被大規模應用。如果發達國家確實想援助資金，這些才是最重要的領域。
