技术
浅析碳捕集与封存技术
黄丹 20090390105
(郑州大学09级化工与能源学院热能与动力工程一班)
1.摘要 [Abstract]
全球气候变暖问题已经越来越严重，碳捕集与封存(CCS)技术被看作是最具发展前景的解决方案之一，随着研究的不断深入，CCS技术成本将进一步降低。碳捕集工艺按操作时间可分为燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集，其中最有发展前景的是富氧燃烧捕集。我国在CCS技术的研究上进行了大量工作，CCS技术已被列入“973计划”和“863计划”，但仍面临着很多问题，如二氧化碳泄 漏问题、技术难点、建设和运行成本高昂等。好在种种迹象表明，随着全球气候问题的加剧，各国政府越来越重视CCS技术的研发和利用。
【关键词】 CCS技术 二氧化碳 碳捕集 封存
Carbon Capture and Sequestration Technology
[Abstract] Carbon capture and sequestration (CCS) technology is seen as one of the most promising solutions to deteriorating climate changes. As research progresses，the cost of CCS is set to decline. By operational time，carbon capture technology can be categorized into pre-combustion capture，enriched oxygen combustion capture and post-combustion capture technologies，of which the enriched oxygen combustion capture technology is the most promising. China has done a lot of work on the research of CCS technology. The development of this technology has been listed in the country′s 973 Plan and 863 Plan. Although substantial advance has been made in CCS technology ，many challenges remain，such as the leakage of CO2，technical bottlenecks and high facility construction and operational costs. The good news is that as global climate problems worsen，governments across the globe are putting increasing emphasis on the research，development and utilization of CCS technology.
[Keywords] CCS technology; carbon dioxide;carbon capture;carbon sequestration
2引言
全球气候变暖问题已经越来越严重，目前二氧化碳在大气中的含量水平为百万分之三百八十五，而其正以每年3%的速度增长。按这个速度发展，到2100年，空气中的二氧化碳的聚集量将达到百万分之一千一百，温室效应造成的高温将不适合任何动物的生存，人类社会则将在这一进程中崩溃。然而，时至今日，全球有80%的能源来自煤炭、石油和天然气等化石能源。水电和核能虽然成本并不高，但环境条件限制了其发展规模。至于风能、太阳能和生物质能等新能源，虽然环保前景喜人，但受高成本和技术不成熟等客观因素制约，这些新能源完全取代传统的化石能源仍处于探索阶段，真正做到大规模商业化开发还需很长时间 。因此，发展可靠技术、减少化石燃料的温室气体排放是一个明智的“缓兵之计 ”。
3.正文
3.1 CCS技术
CCS技术是指将二氧化碳从相关排放燃烧源捕获并分离出来，输送到油气田、海洋等地点进行长期(几千年)封存，从而阻止或显著减少温室气体排放，以减轻对地球气候的影响[1]。这是一项新兴的、具有大规模减排潜力的技术，有望实现化石能源的二氧化碳近零排放。该技术将工业生产过程中产生的二氧化碳捕集并安全地储存于特定的地质结构中。目前，处于研究阶段、工业试验或工业化应用的封存场所主要有深度含盐水层、枯竭或开采到后期的油气田、不可采的贫瘠煤层和海洋。
根据联合国政府间气候变化委员会(IPCC)的调查，CCS技术的应用，能将全球二氧化碳排放量减少20%~40%，将对减缓气候变化产生积极的影响。2007年7月18日，美国国家石油委员会(NPC)组织
多种知识背景和机构的350多名专家，历经两年研究完成了《直面严峻的能源现实》的报告，报告中对CCS技术进行了介绍和展望。
实现CCS主要有两大步骤——“碳捕集”和“碳封存”，另外还有“二氧化碳运输”等.
3.1.1碳捕集
目前全球每年排放的二氧化碳在300×108t以上，其中约有40%来自发电厂，23%来自运输行业，22%来自水泥厂、钢厂和炼油厂。碳捕集技术最早应用于炼油、化工等行业，这些行业排放的二氧化碳浓度高、压力大，捕集成本并不高。而燃煤电厂排放的二氧化碳则恰好相反，捕集能耗和成本较高，现阶段的碳捕集技术尚无法完全解决这一问题.目前主流的碳捕集工艺按操作时间可分为3类——燃烧前捕集、富氧燃烧捕集(燃烧中捕集)和燃烧后捕集。三者各有优势，却又各有技术难题尚待解决，目前呈并行发展之势。
燃烧前捕集实现起来最为复杂，而燃烧后只能捕集到排出二氧化碳的10%，既不经济，也不节能。最有发展前景的是燃烧中捕集.
燃烧后捕集可以直接应用于传统电厂，这一技术路线对传统电厂烟气中的二氧化碳进行捕集，投入相对较少。这项技术分支较多，可以分为化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等等。其中，化学吸收法被认为市场前景最好，受厂商重视程度也最高，但设备运行的能耗和成本较高。事实上，由于传统电厂排放的二氧化碳浓度低、压力小，无论采用哪种捕集技术，能耗和成本都难以降低。如果说燃烧前捕集技术的建设成本高、运行成本低，那么燃烧后捕集技术则是建设成本低、运行成本高。
富氧燃烧捕集技术试图综合前两种技术的优点，做到既可以在传统电厂中应用，排出的二氧化碳的浓度和压力也较高。由于该技术主要着力在燃烧过程中，也被看作是燃烧中捕集技术。与传统电厂直接用空气助燃的燃烧技术不同，富氧燃烧是用纯度非常高的氧气助燃，同时在锅炉内加压，使排出的二氧化碳在浓度和压力上与IGCC差不多，再用燃烧后捕集技术进行捕集，从而降低前期投入和捕集成本。但看似完美无缺的解决方案，却有一个巨大的技术难题——制氧成本太高，这也使得富氧燃烧捕集技术在经济性上并没有太大优势
3.1.2碳封存
若把CCS作为一个系统来看，碳捕集的成本要占到2/3，碳封存的成本占1/3。碳封存技术相对于碳捕集技术也更加成熟，主要有3种：含盐咸水层封存、油气层封存和煤气层封存。
咸水层封存是指将二氧化碳封存于距地表800m以下的咸水层当中。通常咸水层空气体积大，可封存相当多的二氧化碳。
油气层封存分为废弃油气层封存和现有油气层封存。国际上有企业在研究利用废弃油气层的可行性，但并不被看好。主要原因在于，目前对油气层的开采率只能达到30%~40%，随着技术的进步，存在着将剩余的60%~70%的油气资源开采出来的可能性。。
煤气层封存是指将二氧化碳注入比较深的煤层当中，置换出含有甲烷的煤层气，所以这项技术也具有一定的经济性。但必须选在较深的煤层中以保证不会因开采而造成泄漏。
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。
3.1.3二氧化碳运输
运输成本在CCS技术系统中所占比重相当小，主要有管道运输和罐装运输两种方式，技术上问题不大。管道运输是一种成熟的技术，也是运输二氧化碳最常用的方法，一次性投资较大，适宜运输距
离较远、运输量较大的情况。罐装运输主要通过铁路或公路进行运输，仅适合短途、小量的运输，大规模使用不具有经济性。
3.2案例研究
3.2.1国际形势
当前，国际上CCS技术研发所关注的主要问题包括：二氧化碳在地质封存系统中吸附和迁移的机理与规律，在地层中的相态及其变化规律、化学反应及固化条件;注二氧化碳采油过程中的物理化学理论问题、复杂渗流力学原理、各类二氧化碳提高采收率数值模拟基础模型;长距离管道运输二氧化碳的化学腐蚀机理与规律等。
世界上第一个完整的碳捕获和存储技术示范项目在德国一家燃煤发电厂开始运转。该示范性试验项目建于德国北部(Schwarze Pumpe )发电厂旁边，每年将捕获10万吨二氧化碳，随后将之压缩，埋藏在枯竭的(Altmark )天然气田表面以下3000米的地方。该气田距离发电厂大约200公里。示范项目耗资7000万欧元(5700万英镑)，能够输出12兆瓦的电力和30兆瓦的热能，足以供应1000多户家庭。
美国西弗吉尼亚州登山者(Mountaineer)项目将于2009年启动，有可能成为第一个把所有燃烧后捕获技术综合在一起的示范发电厂。这家发电厂只是一项更为雄心勃勃的计划的试验田。该计划从俄克拉荷马州一家燃煤发电厂捕获和存储二氧化碳，将于未来几年内开始运转，每年捕获150万吨二氧化碳，并掩埋于附近的油田。
3.2 .2国内形势
与国际较为先进的CCS技术相比，中国还处于起步阶段，而且大都采用燃烧后捕集方式，工业上的应用也主要是提高石油采收率。目前我国只是在二氧化碳浓度高、比较容易捕集的炼油、合成氨、制氢、天然气净化等工业过程中应用二氧化碳捕集。
中国在碳捕获与封存方面积极与澳大利亚、英国等技术发达国家合作，积极发展碳捕获与储存的试点项目。2008年7月，中国华能集团与澳大利亚联邦科学工业研究组织(CSIRO)正式宣布在北京成立的燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程建成投产。这项由华能控股的西安热工研究院设计完成的华能北京热电厂二氧化碳捕集示范工程，坐落于北京郊区，是中国首个燃煤电厂烟气二氧化碳捕集示范工程，预计其年回收二氧化碳能力可达为3000吨。2009年3月，神华集团表示其正在研究利用碳捕获和封存技术减少煤制油项目的二氧化碳排放，目前正在进行示范项目的研究、开发和评估工作。这一为神华集团位于鄂尔多斯100万吨直接煤制油示范项目配套的工程，将大大减少生产过程中二氧化碳的排放，以实现煤的清洁利用。研究表明，利用现代煤直接液化工艺，每生产一吨成品油，大概需要排放约3吨左右的二氧化碳，其中大部分纯度很高，捕集的成本相对较低。
尽管科学家多年来一直认为，碳捕获和储存对于遏制气候变化来说是一项至关重要的技术，但到目前为止，该技术建设和运营成本昂贵，再加上二氧化碳会否逸出等问题在技术上存在不确定性，这一技术的发展一直受到限制。不过，近年来中国在CCS的研究上进行了很多工作，从2003年开始政府就参加了相关的领导人论坛。这几年，包括“973计划”、“863计划”在内的国家重大课题都对CCS的研究进行了立项，并取得了重大进展2005年，国家开始对 CCS 技术进行全面规划部署，CCS技术 被编入《国家中长期科技发展规划纲要(2006~2020)》。
3.4存在的问题
(1 )二氧化碳泄漏
CCS技术存在的最大风险是二氧化碳在地质储层中可能发生泄漏考虑到未来二氧化碳封存的规模可能在亿吨级，如果封存的二氧化碳泄漏到大气中，可能会引发显著的气候变化。地下浅层二氧化碳浓度 升高会对植物及土层动物造成致命的影响和地下水污染
(2 )技术工艺难点
技术成本较高封存和利用相结合在经上是可行的技术途径。实现工业废气中二氧化碳的捕集 、封存与利用存在以下技术难点 。
(3 )防腐防垢
二氧化碳在运输和储存过程中对金属材质有强腐蚀性，在注入过程 中气体岩层发生化学反应极易形成水垢堵塞通道所以必须研究出适合的防腐防垢技术
(4 )封存地点的选择
国内多数油田原油组成的突出特点是蜡 、沥青质和胶质含量高 ，因
此在注二氧化碳采油过程中有机固相沉积以及由此引起的油藏伤害 ， 要比国外许多油田严重得多 。必须深入研究地质构造 、岩石性质以及地理分布并进行系统实验。
(5 )建设和运行成本高昂
CCS技术成本包括捕集、输送与封存3部分都要消耗大量的能源，成本高昂 。IPCC 在2005年对发电厂的CCS技术投资进行过估算，应用 CCS技术使发电成本增加约0.01～0.05美元.如果项目中包括 EOR，会使CCS造成的额外发电成本下降约0.01～0.02 美元,但可以肯定，随着技术的持续进步，CCS技术的成本将逐渐下降。
(6 )公众认知度低
据研究表明，公众对CCS 技术的认知度不够，CCS技术还没有像其 他 减缓气候变化方案那样得到普遍认可。实际上，当前应用CCS技术的电厂比没有使用CCS技术的电厂要多消耗 25%～50% 的能源。进一步发展 CCS 技术，除了要逐步减少能耗，还必须获得政策法规和财税支持因此广泛的公众认可基础必不可少。
(7 ) 政府政策
实际上，过去 CSS难以施展拳脚并不是因为技术问题，而是政府的配套政策不到位.在技术相对领先的欧洲，目前碳捕集成本约为 70 欧元/t。面对动辄上万吨、甚至百万吨的减排需求，其综合成本是相当惊人的。如果政府不能出台鼓励政策，与企业共担风险，CSS的未 来令人堪忧。正因为如此，在得不到政府支持的前提下，几乎没有一 家企业愿意单方面投资 CCS。但是，随着全球气候问题愈加严重，近 年来各国政府在继续加大新能源投入的同时，也逐渐开始重视CCS .
3.5 CCS技术的前景
CCS技术被看作是解决全球气候变暖题的最具发展前景的解决方案之一，世界上许多国家都开展了相关的研究工作。随着研究的不断深入 ，CCS 技术成本将进一步降低，应用前景广阔
欧洲各国已经付诸行动并且在加速赛跑 ，要在 CCS项目上争当第一。至2015年，欧洲将开展多个示范性先导项目并在10年间将该技术实现商业化。表3CCS 技术应用的未来预测。
3.6结论与建议
(1) CCS在中国发展的前景广阔.目前中国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,以及适宜的地质储存条件使 CCS 在中国的应用前景极为广阔。
(2 ) CCS技术的两大步骤是“碳捕集”和 “碳封存”，此外还有“二氧化碳运输”等。碳捕集工艺中最具发展前景的是富氧燃料捕集，但制氧成本的降低还需要制氧技术的进一步发展。通过将二氧化碳封存入油气田既可以减少二氧化碳排放高油气田采收率实际应用效果得到了肯定,也是我国优先发展的技术方向 。
(3)CCS信息缺乏是影响公众可接受的关键因素.一些研究指出, 关于CCS 的信息缺乏影响了公众对其的接受程度 ,使 CCS相对于其他低碳技术面临着更为不确定的境地。本次调查的结果表明,即使是从事或长期关注能源、环保领域的人员,对 CCS 也很少有全面和深入的理解 ,更何况一般公众;加强 CCS 相关的知识普及和教育,是正确树立公众对 CCS 风险认识和对 CCS 接受态度的关键 ,也是政策制定和实施的保障。
(4 )CCS 的实施仍任重道远。CCS 的实施可能造成环境、生态、人体健康等多方面的影响，所以在技术推广之前,要进行最大可能的模拟试验和试运行，同时还要有相应的配套政策及实施细则的 中国洁净煤战略，国际能源署配合。此外, CCS 的实施还应充分考虑具体项目和实施单位的特点,采用积极和有弹性的激励机制 , 重视前期成功案例的推广 ,加大 CCS 建设的资金补助和 CCS 的研发支持。事实上 ,任何一项气候和环境先进技术的实施 ,都必须基于生态和环境的综合效益 ,持续进行审慎评估和考量 ,逐步推动其发展, CCS 技术也是如此。CCS 的实施仍任重道远。
(5)我国积极参与温室气体减排行动，密切关CCS技术进展，同时开展了相关的研究工作，并已着手建立大型的CCS示范工程 ，相信今后在全球CCS 活动中将会发挥更大的作用
总体来看,CCS 在中国的发展虽有一些障碍 ,但前景广阔,应该是中国应对气候变化的根本性技术选择。近期在中国开展 CCS 相关活动的深度和广度将主要取决于全球环境态势和国内政府政策的支持;同时,建立促进 CCS 技术开发与示范的国际协作机制 ,也将对推动中国CCS 的进程发挥重要作用。
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