CO2的捕集與封存技術
摘要：溫室氣體過量排放嚴重威脅著人類的生存和發展，CO2的減排措施迫在眉睫。近年來興起的碳捕集與碳封存(CCS)技術被看做是最具發展前景的解決方案之一。本文從燃燒前、富氧燃燒、燃燒后捕集技術和封存技術介紹全球二氧化碳捕集與封存技術發展現狀及示范項目實施情況。針對傳統二氧化碳捕集與封存技術的不足，介紹了目前最具發展潛能的新興的二氧化碳捕集與封存技術。
關鍵詞：溫室氣體；CO2；碳捕集與封存
二氧化碳是溫室氣體的主要成分，對溫室效應的貢獻占60%以上，而人類活動中CO2的產生主要來自于工業排放。據調查顯示：近幾年CO2平均每年放量在300億噸以上，其中40%來自電廠，23%來自運輸行業，22%來自水泥廠[1]。CO2由于其生命期可長達200年，對氣候變化影響最大，因此被認為是全球氣候變暖的首要肇事者，成為全球減緩溫室氣體排放的首要目標。近年來興起的CO2捕集封存技術則日趨得到人們關注，成為各個國家競相研究的熱點以及國際社會應對氣候變化的重要策略。碳捕獲和存儲技術是一種將工業和能源排放源產生的CO2進行收集、運輸并安全存儲到某處使其長期與大氣隔離的過程，從而減少CO2的排
放。科學家預測到2050年，CCS技術可以減少全球20％的碳排放。
1 CCS技術的發展現狀
CCS技術是指將二氧化碳從相關排放燃燒源捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海 洋等地點進行長期(幾千年)封存，從而阻止或顯著減少溫室氣體排放，以減輕對地球氣 候的影響。目前，處于研究階段、工業試驗或工業化應用的封存場所主要有深度含鹽水層、枯竭或開采到后 期的油氣田、不可采的貧瘠煤層和海洋[2]。
目前按燃燒工藝劃分二氧化碳捕集技術可以有燃燒前、富氧燃燒、燃燒后等三個主要發展方向。二氧化碳封存技術可分為陸上咸水層封存、海底咸水層封存、CO2 驅油、CO2驅煤層氣、枯竭氣田注入、天然氣生產酸氣回注等六個方向。現有二氧化碳捕集與封存技術各具特點同時也都有其發展的局限性，每個發展方向都有與之對應的大規模集成示范項目。目前全球很多地方都開展了二氧化碳捕集與封存的大規模集成示范項目，其中開展較早、較有代表性有3個分別是挪威Sleipner項目、加拿大Weyburn
項目和阿爾及利亞In Salah項目等。這些項目有些將二氧化碳注入海底或地下，有些注入油田，以提高油田的采收率[3]。
2 CO2捕集和封存的主要機理
CO2捕集和封存技術主要由3個環節構成：
(1) CO2的捕集，指將CO2從化石燃料燃燒產生的煙氣中分離出來，并將其壓縮至一定壓力，以超臨界的狀態有效地儲存于地質結構層中。
(2) CO2的運輸，指將分離并壓縮后的CO2通過管道或運輸工具運至存儲地。
(3) CO2的封存，指將運抵封存地的CO2注入到諸如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤礦等地質結構層或者深海海底或海洋水柱或海床以下的地質結構中。封存場址必須有合適的地質環境容量和可注入性、有滿意的密封蓋巖、有足夠穩定的地質環境[4]。
2.1 碳捕集技術
碳捕集的主要目標是化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2的集中排放源。針對電廠排放的CO2捕集分離系統主要有3類：燃燒前系統、富氧燃燒系統以及燃燒后系統[4]。
燃燒前捕集技術以煤氣化聯合循環(IGCC)技術為基礎，先將煤炭氣化成清潔氣體 能源，從而把二氧化碳在燃燒前就分離出來，不進入燃燒過程。而且二氧化碳的濃度和壓力會因此提高，分離起來較為方便，是目前運行成本最低廉的捕集技術，其前景為學術界所看好。問題在于，傳統電廠無法應用這項技術，而是需要重新建造專門的IGCC 電站，其建造成本是現有傳統發電廠的2倍以上。目前IGCC項目發展較為迅速，在中國就有5個示范項目在運作過程中[5]。包括有華能天津200MW IGCC電站示范工程、中科院連云港IGCC示范工程、華電杭州200MWIGCC(水煤漿四噴嘴氣化)電站示范項目、廣東東莞天明電廠120MW IGCC改造項目和太陽洲4×200MW IGCC新建項目，其中天津項目已經通過初步調試。目前國外已建成投運IGCC電站約50余座，總裝機約2000萬kW。這些電站主要分布在美國、歐洲、日本等發達國家，像澳大利亞、韓國、印度也在積極推動 IGCC 的發展。
富氧燃燒捕集技術(又被稱為O2/CO2 燃燒技術或空氣分離/煙氣再循環技術) 是針對燃煤電廠特點所發展的CO2減排技術。該技術利用空氣分離獲得的高純氧和部分再循環煙氣混合物代替空氣與燃料組織燃燒，從而提高了排煙中的CO2 濃度。通過循環煙氣來調節燃燒溫度，同時循環煙氣又替代空氣中的N2 來攜帶熱量以保證鍋爐的傳熱和鍋爐熱效率。富氧燃燒技術是一種既能直接獲得高濃度CO2 ，又能綜合控制燃煤污染物排放的新一代煤粉燃燒
技術。目前世界上建成的采用富氧燃燒技術的中試規模以上的電站已經超過10個[6]，日本石川島播磨，法國阿爾斯通和英國巴布庫克都已經建成了煤粉爐O2 / CO2 燃燒的示范電站。但是富氧燃燒技術的發展主要受空氣分離氧氣能耗大、燃燒后尾氣污染物的產生和控制等一些技術問題的制約。
燃燒后捕集技術是針對燃料燃燒后煙氣中CO2 的分離路線，該技術適用性強，發展相對成熟。但是燃燒后二氧化碳捕集技術由于處理氣體量大，煙氣CO2 濃度低等造成運行成本高、工藝流程復雜、項目投資大等方面的根本性問題尚未解決。燃燒后二氧化碳捕集技術主要包括化學吸收法、吸附分離法、膜分離法等。燃燒后二氧化碳捕集技術是針對燃料燃燒后煙氣中CO2 的分離路線，該技術適用性強，發展相對成熟。但是燃燒后二氧化碳捕集技術由于處理氣體量大，煙氣CO2 濃度低等造成運行成本高、 工藝流程復雜、項目投資大等方面的根本性問題尚未解決。燃燒后二氧化碳捕集技術主要包括化學吸收法、吸附分離法、膜分離法等。
2.2 碳運輸
二氧化碳的運輸主要有管道運輸和罐裝運輸兩種方式，技術上問題不大。管道運輸是一種
成熟的技術，也是運輸二氧化碳最常用的方法，一次性投資較大，適宜運輸距離較遠、運輸量較大的情況。罐裝運輸主要通過鐵路或公路進行運輸，僅適合短途、小量的運輸，大規模使用不具有經濟性。輸送大量CO2最經濟的方法是通過管道運輸。管道運輸的成本主要有3部分組成：基建費用、運行維護成本以及其它的如設計、保險等費用。特殊的地理條件，如人口稠密區等對成本很有影響，陸上管道要比同樣規模的海上管道成本高出40％~70％，當運輸距離較長時，船運將具有競爭力，船運的成本與運距的關系極大。
2.3 碳封存技術
碳封存技術相對于碳捕集技術也更加成熟，主要有3種：含鹽咸水層封存、油氣層封存和煤氣層封存[7]。
咸水層封存是指將二氧化碳封存于距地表800m 以下的咸水層當中。通常咸水層空氣體積大，可封存相當多的二氧化碳。但是我國缺少咸水層地質情況的數據資料，目前尚不能實施咸水層封存。而且這項技術的投資也較大。
油氣層封存分為廢棄油氣層封存和現有油氣層封存。國際上有企業在研究利用廢棄油氣層
的可行性，但并不被看好。要原因在于，目前對油氣層的開采率只能達到30%~40%[7]，隨著技術的進步，存在著將剩余的60%~70%的油氣資源開采出來的可能性。所以，世界上尚不存在真正意義上的廢棄油氣田。而利用現有油氣田封存二氧化碳被認為是未來的主流方向，這項技術被稱為二氧化碳強化 采油(CO2-EOR)技術，即將二氧化碳注入油氣層，起到驅油作用，既可以提高采收率，又實現了碳封存，兼顧了經濟效益和減排效益。這項技術起步較早，最近10 年發展很快，實際應用效果得到了肯定，也是我國優先發展的技術方向。
依據目前的采油技術，全球油田的采收率平均只有32%左右，如果采用CO2-EOR 技術，那么采收率可提高至40%~45%[8]。全球大概有9300×108t以上的二氧化碳可以被封存到油藏中，這個數值相當于2050 年全球累計排放量的45%。美國能源署發布的一份報告顯示，目前美國剩余的石油可采儲量200×108bbl，如果采用CO2-EOR技術提高 可采儲量的話，其可采儲量最多可增加至1600×108bbl。煤氣層封存是指將二氧化碳注入比較深的煤層當中，置換出含有甲烷的煤層氣，所以這項技術也具有一定的經濟性。但必須選在較深的煤層中，以保證不會因開采而造成泄漏。我國已經和加拿大合作開發了示范項目，投資高、
效果不錯。問題在于二氧化碳進入煤氣層后發生融脹反應，導致煤氣層的空隙變小，注入二氧化碳會越來越難，逐漸再也無法注入。所以，該技術并不為研究人員看好。
3 CCS技術面臨的問題
CCS技術存在的最大風險是二氧化碳在地質儲層中可能發生泄漏。 考慮到未來二氧化碳封存的規模可能在億噸級，如果封存的二氧化碳泄漏到大氣中，可能會引發顯著的氣候變化[9]。此外，還有與二氧化碳管道運輸相關聯的局部突發的二氧化碳大量釋放，若空氣中二氧化碳濃度超過7%~10%，則會對人類生命和健康產生直接威脅。地下淺層二氧化碳濃度升高會對植物及土層動物造成致命的影響和地下水污染。
CCS技術成本包括捕集、輸送與封存3部分，都要消耗大量的能源，成本高昂。 IPCC在2005年對發電廠的CCS技術投資進行過估算[10]，應用CCS技術使發電成本增 加約0.01~0.05美元/(kW·h)，但如果項目中包括EOR，會使CCS造成的額外發電成本下降約0.01~0.02美元/(kW·h)。在大多數CCS系統中，捕集(包括壓縮)成本所占比例最大。由于地區差異，不同CCS系統的成本存在較大差異，主要因素包括應用CCS技術的電廠或工業設
施的設計、運行和投資，使用燃料的類型、成本和運輸距離，二氧化碳的輸送地形和輸送量，以及封存二氧化碳的類型和特點等。此外，CCS技術的組成部 分和系統的績效與成本的關系仍然存在不確定性。
4 總結
CCS技術被看作是解決全球氣候變暖問題的最具發展前景的解決方案之一 ，世界上許多國家都開展了相關的研究工作。 隨著研究的不斷深入，CCS 技術成本將進一步降低，應用前景廣闊。
CCS技術的兩大步驟是碳捕集和碳封存，此外還有二氧化碳運輸等。碳捕集工藝中最具發展前景的是富氧燃料捕集，但制氧成本的降低還需要制氧技術的進一步發展。通過將二氧化碳封存入油氣田，既可以減少二氧化碳排放，又可以提高油氣 田采收率，實際應用效果得到了肯定，也是我國優先發展的技術方向。
雖然近幾年CCS技術得到了長足發展，但還面臨著很多問題。如二氧化碳泄漏問題、技術難點、建設和運行成本高昂、缺乏相應的政策法規支持等，離真正大規模實際應用仍需相當長的時間。
我國積極參與溫室氣體減排行動，密切關注CCS技術進展，同時開展了相關的研究工作，并已著手建立大型的CCS示范工程，相信今后在全球CCS 活動中將會發揮更大的作用。
參考文獻
[1] 張衛東, 張 棟, 田克忠. 碳捕集與封存技術的現狀與未來[J]. 中外能源, 2009, 11(15):7-14.
[2] 陳曉進. 國外二氧化碳減排研究及對我國的啟示[J]. 國際技術經濟研究, 2006,9(3):21-25.
[3] European CO2 Capture and Storage Projects, European Commission. 2004
[4] 黃紹蘭, 童華等. CO2捕集回收技術研究[J]. 環境污染與防治.2008,10(8):215-219
[5] 孫浩, 宋振龍. 整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電技術研究及應用[J]. 電力技術, 2010, 10 (43):39-43
[6] 王俊, 李延兵, 廖海燕等. 淺談國外煤粉富氧燃燒技術發展[J]. 華北電力技術,2014,8:56 -61
[7] 王建秀, 吳遠斌, 于海鵬. 二氧化碳封存技術研究進展[J]. 地下空間與工程學報. 2013,10(11):56-62
