CO2的捕集与封存技术
摘要：温室气体过量排放严重威胁着人类的生存和发展，CO2的减排措施迫在眉睫。近年来兴起的碳捕集与碳封存(CCS)技术被看做是最具发展前景的解决方案之一。本文从燃烧前、富氧燃烧、燃烧后捕集技术和封存技术介绍全球二氧化碳捕集与封存技术发展现状及示范项目实施情况。针对传统二氧化碳捕集与封存技术的不足，介绍了目前最具发展潜能的新兴的二氧化碳捕集与封存技术。
关键词：温室气体；CO2；碳捕集与封存
二氧化碳是温室气体的主要成分，对温室效应的贡献占60%以上，而人类活动中CO2的产生主要来自于工业排放。据调查显示：近几年CO2平均每年放量在300亿吨以上，其中40%来自电厂，23%来自运输行业，22%来自水泥厂[1]。CO2由于其生命期可长达200年，对气候变化影响最大，因此被认为是全球气候变暖的首要肇事者，成为全球减缓温室气体排放的首要目标。近年来兴起的CO2捕集封存技术则日趋得到人们关注，成为各个国家竞相研究的热点以及国际社会应对气候变化的重要策略。碳捕获和存储技术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，从而减少CO2的排
放。科学家预测到2050年，CCS技术可以减少全球20％的碳排放。
1 CCS技术的发展现状
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。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[2]。
目前按燃烧工艺划分二氧化碳捕集技术可以有燃烧前、富氧燃烧、燃烧后等三个主要发展方向。二氧化碳封存技术可分为陆上咸水层封存、海底咸水层封存、CO2 驱油、CO2驱煤层气、枯竭气田注入、天然气生产酸气回注等六个方向。现有二氧化碳捕集与封存技术各具特点同时也都有其发展的局限性，每个发展方向都有与之对应的大规模集成示范项目。目前全球很多地方都开展了二氧化碳捕集与封存的大规模集成示范项目，其中开展较早、较有代表性有3个分别是挪威Sleipner项目、加拿大Weyburn
项目和阿尔及利亚In Salah项目等。这些项目有些将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捕集和封存的主要机理
CO2捕集和封存技术主要由3个环节构成：
(1) CO2的捕集，指将CO2从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来，并将其压缩至一定压力，以超临界的状态有效地储存于地质结构层中。
(2) 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。
(3) CO2的封存，指将运抵封存地的CO2注入到诸如地下盐水层、废弃油气田、煤矿等地质结构层或者深海海底或海洋水柱或海床以下的地质结构中。封存场址必须有合适的地质环境容量和可注入性、有满意的密封盖岩、有足够稳定的地质环境[4]。
2.1 碳捕集技术
碳捕集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。针对电厂排放的CO2捕集分离系统主要有3类：燃烧前系统、富氧燃烧系统以及燃烧后系统[4]。
燃烧前捕集技术以煤气化联合循环(IGCC)技术为基础，先将煤炭气化成清洁气体 能源，从而把二氧化碳在燃烧前就分离出来，不进入燃烧过程。而且二氧化碳的浓度和压力会因此提高，分离起来较为方便，是目前运行成本最低廉的捕集技术，其前景为学术界所看好。问题在于，传统电厂无法应用这项技术，而是需要重新建造专门的IGCC 电站，其建造成本是现有传统发电厂的2倍以上。目前IGCC项目发展较为迅速，在中国就有5个示范项目在运作过程中[5]。包括有华能天津200MW IGCC电站示范工程、中科院连云港IGCC示范工程、华电杭州200MWIGCC(水煤浆四喷嘴气化)电站示范项目、广东东莞天明电厂120MW IGCC改造项目和太阳洲4×200MW IGCC新建项目，其中天津项目已经通过初步调试。目前国外已建成投运IGCC电站约50余座，总装机约2000万kW。这些电站主要分布在美国、欧洲、日本等发达国家，像澳大利亚、韩国、印度也在积极推动 IGCC 的发展。
富氧燃烧捕集技术(又被称为O2/CO2 燃烧技术或空气分离/烟气再循环技术) 是针对燃煤电厂特点所发展的CO2减排技术。该技术利用空气分离获得的高纯氧和部分再循环烟气混合物代替空气与燃料组织燃烧，从而提高了排烟中的CO2 浓度。通过循环烟气来调节燃烧温度，同时循环烟气又替代空气中的N2 来携带热量以保证锅炉的传热和锅炉热效率。富氧燃烧技术是一种既能直接获得高浓度CO2 ，又能综合控制燃煤污染物排放的新一代煤粉燃烧
技术。目前世界上建成的采用富氧燃烧技术的中试规模以上的电站已经超过10个[6]，日本石川岛播磨，法国阿尔斯通和英国巴布库克都已经建成了煤粉炉O2 / CO2 燃烧的示范电站。但是富氧燃烧技术的发展主要受空气分离氧气能耗大、燃烧后尾气污染物的产生和控制等一些技术问题的制约。
燃烧后捕集技术是针对燃料燃烧后烟气中CO2 的分离路线，该技术适用性强，发展相对成熟。但是燃烧后二氧化碳捕集技术由于处理气体量大，烟气CO2 浓度低等造成运行成本高、工艺流程复杂、项目投资大等方面的根本性问题尚未解决。燃烧后二氧化碳捕集技术主要包括化学吸收法、吸附分离法、膜分离法等。燃烧后二氧化碳捕集技术是针对燃料燃烧后烟气中CO2 的分离路线，该技术适用性强，发展相对成熟。但是燃烧后二氧化碳捕集技术由于处理气体量大，烟气CO2 浓度低等造成运行成本高、 工艺流程复杂、项目投资大等方面的根本性问题尚未解决。燃烧后二氧化碳捕集技术主要包括化学吸收法、吸附分离法、膜分离法等。
2.2 碳运输
二氧化碳的运输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。输送大量CO2最经济的方法是通过管道运输。管道运输的成本主要有3部分组成：基建费用、运行维护成本以及其它的如设计、保险等费用。特殊的地理条件，如人口稠密区等对成本很有影响，陆上管道要比同样规模的海上管道成本高出40％~70％，当运输距离较长时，船运将具有竞争力，船运的成本与运距的关系极大。
2.3 碳封存技术
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[7]。
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。但是我国缺少咸水层地质情况的数据资料，目前尚不能实施咸水层封存。而且这项技术的投资也较大。
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。要原因在于，目前对油气层的开采率只能达到30%~40%[7]，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。所以，世界上尚不存在真正意义上的废弃油气田。而利用现有油气田封存二氧化碳被认为是未来的主流方向，这项技术被称为二氧化碳强化 采油(CO2-EOR)技术，即将二氧化碳注入油气层，起到驱油作用，既可以提高采收率，又实现了碳封存，兼顾了经济效益和减排效益。这项技术起步较早，最近10 年发展很快，实际应用效果得到了肯定，也是我国优先发展的技术方向。
依据目前的采油技术，全球油田的采收率平均只有32%左右，如果采用CO2-EOR 技术，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，这个数值相当于2050 年全球累计排放量的45%。美国能源署发布的一份报告显示，目前美国剩余的石油可采储量200×108bbl，如果采用CO2-EOR技术提高 可采储量的话，其可采储量最多可增加至1600×108bbl。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。我国已经和加拿大合作开发了示范项目，投资高、
效果不错。问题在于二氧化碳进入煤气层后发生融胀反应，导致煤气层的空隙变小，注入二氧化碳会越来越难，逐渐再也无法注入。所以，该技术并不为研究人员看好。
3 CCS技术面临的问题
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[9]。此外，还有与二氧化碳管道运输相关联的局部突发的二氧化碳大量释放，若空气中二氧化碳浓度超过7%~10%，则会对人类生命和健康产生直接威胁。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。
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[10]，应用CCS技术使发电成本增 加约0.01~0.05美元/(kW·h)，但如果项目中包括EOR，会使CCS造成的额外发电成本下降约0.01~0.02美元/(kW·h)。在大多数CCS系统中，捕集(包括压缩)成本所占比例最大。由于地区差异，不同CCS系统的成本存在较大差异，主要因素包括应用CCS技术的电厂或工业设
施的设计、运行和投资，使用燃料的类型、成本和运输距离，二氧化碳的输送地形和输送量，以及封存二氧化碳的类型和特点等。此外，CCS技术的组成部 分和系统的绩效与成本的关系仍然存在不确定性。
4 总结
CCS技术被看作是解决全球气候变暖问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。
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，又可以提高油气 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。
虽然近几年CCS技术得到了长足发展，但还面临着很多问题。如二氧化碳泄漏问题、技术难点、建设和运行成本高昂、缺乏相应的政策法规支持等，离真正大规模实际应用仍需相当长的时间。
我国积极参与温室气体减排行动，密切关注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。
参考文献
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[3] European CO2 Capture and Storage Projects, European Commission. 2004
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