《综合自然地理学》
课程论文
学 院 地理科学学院
专 业 地理科学（师范）
年 级 2011级
学 号 ***************
姓 名 吕信博
指 导 教 师 刘子琦
应对全球变暖的碳封存技术
摘要 随着全球变暖，人类生存的自然环境恶化。如何应对全球变暖的成为科研的重要主题。二氧化碳封存是近来正在发展中的前沿技术, 被认为是本世纪末和下世纪减少温室气体排放的有效途径。对碳封存技术的不同方案及技术原理进行讨论, 并简要介绍该技术的国际研究现状。
关键词： 二氧化碳 地质封存 海洋封存
正文
二氧化碳(CO2)是导致全球气候变化的最主要因素。《京都议定书》中将其列为温室气体之首, 其次为甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs) 和六氟化硫(SF6)。一般认为, 人类活动尤其是化石能源的过度利用是 CO2排放主要来源。目前仅煤和石油的燃烧每年就约有50 亿 t CO2气体进入大气, 并且大多集中在 20km 以下的大气层中。近 1 个世纪以来, 全球大气中 CO2含量增加了近150mg/m3。现在仍以每年 3.24mg/m3的平均速度上升。为了尽可能减少以 CO2为主的温室气体排放, 缓解全球气候
变化趋势, 人类正在通过持续不断的研究以及国家之间的合作, 从技术、经济、政策、法律等层面探寻长期有效的解决途径。《京都议定书》第 2 条中指出, 为促进可持续发展, 应该“研究、促进、开发和增加使用新能源和可再生能源、二氧化碳固碳技术和有益于环境的创新技术”。近年来兴起的CO2封存技术则日趋得到人们关注,成为发达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。
CO2封存是指将大型排放源产生的 CO2捕获、压缩后运输到选定地点长期封存, 而不是释放到大气中。现已发展出多种封存方式, 包括注入到一定深度的地质构造、注入深海,或者通过工业流程将其凝固在无机碳酸盐之中。某些工业流程也可在生产过程中利用和存储少量被捕获的 CO2。下面就碳封存技术的不同方案及技术原理进行讨论。
1 地质封存
这种方法是直接将 CO2注入地下的地质构造当中, 如油田、天然气储层、含盐地层和不可采煤层等都适合 CO2的储存。地质封存取决这些构造的物理和地球化学的俘获机理。CO2注入后, 储层构造上方的大页岩和粘质岩起到了阻挡CO2向上流动的物理俘获作用。这个不透水层称为 “盖层”。毛管力提供的其他物理俘获作用可将 CO2留在储层构造的孔隙中。然
而, 在许多情况下, 储层构造的一侧或多侧保持开口, 以便于 CO2在盖层下侧向流动。随着 CO2与现场流体和寄岩发生化学反应, 地质化学俘获机理开始发挥作用。如果 CO2在现场水中溶解( 一般是在几百年乃至几千年内), 充满 CO2的水的密度越来越高, 因此会沉伏于储层构造中而不是浮向地表。此外, 溶解的 CO2与岩石中的矿物质发生化学反应形成离子类物质并转化为碳酸盐矿物质。与地质封存关联的另一种处理方式是 CO2的再利用。即将 CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。这种方案比较具有吸引力, 因其能够从额外开采的石油中部分补偿 CO2的储存成本, 但缺点是这类油田的地理分布不均, 且开采潜力有限。不可采煤层也可用以储存 CO2, 因其可吸附于煤层表面, 但是否可行则取决于煤床的渗透性。储存过程中会产生甲烷气体, 并可加以开采利用, 即煤层气回收增强技术。含盐地层中主要是高度矿化的盐水, 并无利用价值, 有时用于存放化学废弃物。盐碱含水层的主要优点是其巨大的储存容量, 且地理分布较广, 对 CO2的运输而言较为方便。但不象油田或煤层, 在含盐地层中储存 CO2并不能产生任何有经济价值的副产品, 无形中提高了储存成本。而且人们一直对这种构造中储存的 CO2是否会泄漏存有疑问, 不过最近的研究表明有几种吸附机理可使 CO2固定在盐层下。冰岛工程师们有了新的发现，让二氧化碳气体与钙发生反应，变成固体碳酸钙存储于地下深处。他们希望用这种方法每年处理掉3万吨二氧化碳，
为解决全球变暖提供一种有效手段。 工程师们将使用冰岛一个地热能工厂产生的二氧化碳，通过高压将二氧化碳溶解于水，然后将溶液泵入位于地下约400米到700米的玄武岩层，并观察发生的反应。研究团队在实验室中进行的实验表明，溶解的二氧化碳将同玄武石中的钙发生反应形成固体碳酸钙。
2 海洋封存
由于 CO2可溶解于水, 通过水体与大气的自然交换作用, 海洋一直以来都在“默默”吸纳着人类活动产生的 CO2。海洋中封存 CO2的潜力理论上说是无限的。但实际封存量仍取决于海洋与大气的平衡状况。模拟分析表明, 注入海洋的CO2将与大气隔绝至少几百 a。注入越深, 保留的数量和时间就越长。目前 CO2的海洋封存主要有 2 种方案: 一种是通过船或管道将 CO2输送到封存地点, 并注入 1000m 以上深度的海中, 使其自然溶解: 另一种是将 CO2注入 3000m 以上深度的海里, 由于 CO2的密度大于海水, 因此会在海底形成固态的CO2水化物或液态的 CO2“湖”, 从而大大延缓了 CO2分解到环境中的过程。海洋封存尚未进入实际应用, 也没有小规模的试点示范, 仍然处在研究阶段。但有一些小规模的外场试验并已开展了为期 25a 的 CO2海洋封存的理论、实验室和模拟研究。对 CO2海洋封存的最大担忧
来自于其可能产生的环境影响, 主要是对海洋生物的影响。根据一项为期数月的针对CO2升高对海洋表面生物影响的试验研究结果, 随着时间的推移, 钙化的速度、繁殖、生长、周期性供氧及活动性放缓和死亡率上升, 一些生物对 CO2的少量增加就会做出反应。在接近注入点或 CO2湖泊时预计会立刻死亡。CO2升高对深层带、深渊带、海底带生态系统可能产生的影响还缺乏充分的了解。尽管这些区域的生物相对稀少, 但作用于其上的能量和化学效应还需要作更多的观察以发现潜在的问题。由于 CO2与水反应生成碳酸(H2CO3) 会提高海水的酸性。为了加强封存效果, 可以在封存地点溶解碱性矿物质, 如石灰石等, 以中和酸性的 CO2。溶解的碳酸盐矿物质可以将封存时间延长到大约 10, 000a, 同时将海洋的 pH 值和 CO2分压的变化降至最低。然而, 该方法需要大量石灰石和材料处理所需的能源。海洋封存的另一个问题是溶解的 CO2最终仍将回到大气中, 因此这种方法看来也并非是一劳永逸的。
3 矿石碳化
矿石碳化是利用 CO2与金属氧化物发生反应生成稳定的碳酸盐从而将 CO2永久性地固化起来。这些物质包括碱性和碱土氧化物, 如氧化镁(MgO) 和氧化钙(CaO) 等, 一般存在于天
然形成的硅酸盐岩中, 例如蛇纹岩和橄榄石。这些物质与 CO2化学反应后产生诸如碳酸镁(MgCO3)和碳酸钙(CaCO3, 石灰石)。由于自然反应过程比较缓慢, 因此需要对矿物作增强性预处理, 但这是非常耗能的,据推测采用这种方式封存 CO2的发电厂要多消耗 60%～180%的能源。并且由于受到技术上可开采的硅酸盐储量的限制, 矿石碳化封存 CO2的潜力可能并不乐观。
4 工业利用
工业利用实质上是将 CO2作为反应物生产含碳化工产品, 从而达到封存的目的。这些含碳化工产品包括尿素、甲醇的生产, 也可应用于园艺、冷藏冷冻、食品包装、焊接、饮料和灭火材料等方面。据统计, 目前全球的 CO2利用量是每年约120Mt(30Mtc/a), 其中大多数是用于生产尿素。工业利用从技术上看并不是一种理想的封存方案, 因为在不同的工业流程当中, CO2的封存时间只有几天, 最多几个月, 然后会被再次降解为 CO2, 并排入大气。从总体来看这对减缓气候变化的并没有实质上的贡献, 而且在很多情况下反而会造成总体排放量的净增加。
5 生物碳封存
生物碳封存主要是利用绿色植物的固碳作用,使大气中的CO2首先加入生态系统的碳循环,将碳封存在植物的不同组织、器官中,进入不同的生物地化循环。生物碳封存是一种自然的生物现象,需要的成本较低,同时有其他相应的生态、经济和社会效益的发挥,但由于CO2的吸收过程是生物反应,可能较工业方法缓慢。陆地生态系统的生物碳封存主要包括了森林生态系统、草原生态系统与农田生态系统。森林生态系统是陆地生态系统中最大的生物碳库,其封存量约占陆地生态系统碳封存量的一半。据有关研究表明,陆地植被通过光合作用,每年吸收的CO2约为100 PgC。虽然草原与农田的碳封存能力不及森林,但大面积的草原与农田的碳固定能力也不容忽视,草原约占到陆地面积的20%,净初级生产力约占陆地生态系统净初级生产力的1/3。草地生态系统的碳蓄积量约占陆地生态系统碳蓄积量的25%,其中土壤生态系统的碳蓄积占了较大比例。随着陆地生态系统碳源/汇问题的提出与相关研究,发现中高纬度地区的草地生态系统在全球碳循环中有着相当重要的地位。全球耕地面积约占陆地植被面积的17%左右,而对于人类干预最大的农田生态系统,合理、科学的作物耕种和配置有利于农田生态系统土壤碳的固定。
5.1微生物固碳制造新物质能源技术的特性
微生物固定CO2的方式有三种： 异养固定、自养固定与兼养固定。 异养微生物以有机化合物作为碳源和能源，在自身代谢过程中固定少量的CO2。自养微生物利用光能或无机物氧化时产生的化学能同化CO2，构成细胞物质。兼养固定是微生物在利用光能吸收转化CO2的同时，以有机碳作为补充碳源和能源的联合固定方式。这两种微生物固定CO2有原则上的区别：异养微生物固定CO2是把CO2固定在受体分子上，该受体不是由CO2合成的；自养生物固定 CO2，受体是由CO2合成的，且过程可循环。自养微生物固定 CO2的能力远远超过异养微生物。 因此目前世界上的相关研究都是围绕自养微生物进行。 自养微生物主要分为两类： 光能自养型微生物和化能自养型微生物。 前者以光为能源、后者以 H2，H2S，S2O32-，S，NH4+，NO2-，Fe2+等还原性化合物为能源。微生物固碳制造新物质能源实际上是自养微生物通过摄取光能或化能吸收转化CO2从而生成可以为我们所加以利用的新的物质能源， 变废为宝， 从而构成一条制取可再生资源的良性循环路线。
5.2藻类固碳
地球上的光合作用90％是由海洋藻类完成的。海藻能够有效地利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机碳溶解转化为有机碳，并且在其初级生产过程中，还需从海水中吸
收溶解的营养盐，如硝酸盐、磷酸盐，这使得表层水的碱度升高，将进一步降低水体中二氧化碳的分压。这两个过程促使海洋与空气界面两侧的二氧化碳分压差加大，促进大气二氧化碳向海水中扩散，使海水吸收更多的二氧化碳。目前，大规模人工养殖的海藻已成为浅海生态系统的重要初级生产力。研究表明，海洋大型藻类养殖水域面积的净固碳能力分别是森林和草原的10倍和20倍。据计算，每生产一吨海藻，可固定二氧化碳1.1吨。近几年，我国大型海藻养殖产量每年在120万吨～150万吨左右（干重），换算为固碳量为36万吨～45万吨/年。 另外，有些微藻如小球藻、绿球藻等所产生的油脂通过酯化后可转变为生物柴油（脂肪酸甲酯等），藻渣可以综合利用，生产动物饲料、有机肥料和甲烷。同时，烟气中的NOx、SOx等大气污染成分可以成为微藻生长的肥料，微藻生长所需的其它营养也可以用营养废水提供，达到净化废水的目的，从而形成循环经济的生产模式。因此，微藻养殖不但可以有效减排CO2，还可望形成新的能源供应链，缓解甚至部分替代化石能源，成为解决环境和能源问题的最具可持续和绿色的途径，已受到美国、日本、西欧、印度、南非等国政府和企业的重视。
