浅谈二氧化碳捕集和封存

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摘要:二氧化碳捕集与封存是应对全球气候变化的决定性方案之一。二氧化碳捕集方式主要有三种:燃烧后、燃烧前和富氧燃烧。地质封存、海洋封存以及矿石碳化是二氧化碳封存的主要方式。

Abstract: Carbon dioxide capture and

storage is a decisive scheme to reply the global climate change. There are three ways to capture carbon dioxide: Post-combustion, Pre-combustion, and Oxy-fuel combustion. Geological storage, ocean storage and mineral carbonation are main styles.

前言

化石燃料占当今全球能源使用量的75-80%,人类二氧化碳总排放量的3/4来源于化石燃料的使用。如果不采取特殊的措施将我们对气候的影响降到最小,化石燃料使用排放的二氧化碳将对我们生存的环境造成严重的危害:全球温度上升1.4-5.8℃、季节更替改变和无法预知的事件,给我们的子孙后代带来灾难。因此,二氧化碳减排势在必行。同时,在找到新能源替代化石燃料以前,对排放的二氧化碳合理处置也是我们亟待研究和解决的重点。

1碳捕集和封存

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,简称CCS)是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。

2二氧化碳捕集

二氧化碳捕集的目的是产生能运输到储存地点的二氧化碳高压浓缩液[1]。目前比较大的二氧化碳固定点源有:化石燃料的燃烧(电力、水泥生产、炼油厂、钢铁工业、化石工业以及石油和天然气加工等)和生物质(生物乙醇和生物能)等。

二氧化碳的捕集方式主要有四种:燃烧后捕集(Post-combustion)、燃烧前捕集(Pre-combustion)、富氧燃烧(Oxy-fuel combustion)以及工业分离(Industrial Separation)。工业分离从技术原理上,可以归入前三种。

在燃烧后捕集二氧化碳技术中,二氧化碳在化石燃料燃烧后通过化学或物理吸附法被分离出来。燃烧后捕集技术通常应用于常规发电站。此技术可从发电站的烟道气或者其它大的点源捕集二氧化碳。但是,由于烟道气中含有二氧化碳和氮气,且二氧化碳含量低,捕集规模庞大,耗费大量的能源,发电站要求具有一定商业规模。

目前燃烧前捕集二氧化碳技术广泛应用于化学肥料、化学药品、气体燃料(H2、CH4)和动力生产。燃烧前捕集技术是化石燃料高压富氧气化生成CO和H2混合气体,再将混合气体通过水蒸气,CO再与蒸汽反应生成二氧化碳并得到更多的H2。在燃烧前从排除的气流中分离出相对较纯的二氧化碳和H2。分离出的H2可作为无碳燃料。

在富氧燃烧中,氧气代替空气与燃料燃烧,产生以二氧化碳和水蒸汽为主的烟道气。水蒸汽可通过冷却凝析出。该技术捕集的几乎纯净的二氧化碳可直接运输到储存场所并储存。

燃烧后脱碳的技术核心是氨吸收脱除二氧化碳,难点在于分子水平吸附剂的开发。燃烧前脱碳的关键技术是转化制氢,涉及高温下氢的膜分离技术,包括模式转化装置、膜材料等方面的技术开发。富氧燃烧技术的关键是氧气供应及高技术涡轮机的开发。

3二氧化碳运输

捕集到的二氧化碳必须运输到合适的地点进行封存,为减小体积,需要将二氧化碳压缩至超临界状态,提高运输效率。管道运输是最经济有效的运输方式。2008年,美国约有5800千米的二氧化碳管道,这些管道大都用以将二氧化碳运输到油田,注入地下油层以提高石油采收率(Enhanced Oil Recovery,EOR)。

4二氧化碳封存

二氧化碳封存是指将从各种点源中捕集的二氧化碳,运输至埋存地,并注入地质结构中封存起来。二氧化碳封存方式众多,主要有地质封存、海洋封存和矿石碳化。

地质封存

地质封存一般是将超临界状态(气态及液态的混合体)的二氧化碳注入地质结构中,这些地质结构可以是石油和天然气储层、咸水层、无法开采的煤层等。IPCC的研究表明,二氧化碳性质稳定,可以在相当长的时间内被封存。若地质封存点是经过谨慎选择、设计与管理的,注入其中的二氧化碳的99%都可封存1000年以上。

把二氧化碳注入油田或气田用以驱油或驱气可以提高采收率(CO2-EOR或CO2-EGR技术),使用EOR技术可提高30%~60%的石油产量。在CO2-EOR项目中,50-67%二氧化碳气体会随着原油采出并将其分离、压缩后循环注入油藏以降低成本;在CO2-EGR技术实施过程中还要考虑储层盖层完整性、二氧化碳纯度、注入时间、注入速率等因素。

将二氧化碳注入煤层,封存的同时,也可有效的替换甲烷,提高煤层气采收率(CO2-ECBM技术)。常规的减压法开采煤层采收率仅为50%,而将二氧化碳注入煤层,甲烷采收率可达到90%,同时二氧化碳被吸附以达到封存目的。

二氧化碳注入深部含盐水层,溶解在水中,部分与矿物质缓慢发生反应,形成碳酸盐,达到永久封存目的。咸水层一般在地下深处,富含不适合农业或饮用的咸水,这类地质结构较为常见,同时拥有巨大的封存潜力。不过与油气田相比,目前人们对这类地质结构的认识还较为有限。

也有研究提出玄武岩、油气富集的页岩、盐洞和废弃矿井等也存在适合二氧化碳储存的场所。

海洋封存

海洋封存是指将二氧化碳通过轮船或管道运输到深海海底进行封存。海洋封存二氧化碳潜力巨大,同时也对海洋环境造成负面的影响,海洋封存二氧化碳使海水表面二氧化碳浓度增加,改变了海洋的化学特征,造成了表层海洋酸化等,此外,封存在海底的二氧化碳也有可能会逃逸到大气当中。因此,二氧化碳海洋封存需要关注渗漏可能造成沉积环境的改变及局部海洋酸化的风险。

矿石碳化

矿石碳化是利用碱性和碱土氧化物,如氧化镁(MgO)和氧化钙(CaO)将二氧化碳固化,这些氧化物与二氧化碳反应后生成碳酸镁(MgCO3)和碳酸钙(CaCO3),达到永久封存目的。如天然形成的含硅酸盐矿物质,蛇形岩,在世界各地分布众多,将燃煤产生的二氧化碳萃取物注入岩石,会生成稳定的碳酸盐。

5前景

全球应对气候变暖和环境改变的举措正如火如荼的进行着:2009年,全球发电设备巨头阿尔斯通和全球化工业领先企业陶氏化学公司合建的碳捕集试验电厂成功运行;英国RWE npower投资的Aberthaw电厂2010年投入使用;欧盟第六框架计划的中国-欧盟二氧化碳捕集与封存合作项目,旨在提供技术指导,并于2010年之前在中国设计一座燃煤电厂,进行二氧化碳捕集与封存;澳大利亚温室气体技术合作研究中心(CO2CRC)的Otway项目,将通过天然气井向地下岩层灌注10万吨二氧化碳;北达科塔大学能源与环境中心负责管理的平原CO2减排合作伙伴方,将在加拿大阿尔伯塔和威利斯盆地进行二氧化碳封存,将二氧化碳灌注到一个主要的咸水层结构等等。

二十一世纪为天然气世纪,世界能源发展总趋势是向低碳化以至无碳化方向发展。二氧化碳捕集与封存势必是应对全球气候变化的决定性方案之一。

参考文献:

[1] Bert Metz,Ogunlade Davidson,et al. IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage[M]. UK:Cambridge University Press,2005.

[2] " UNEP CCS-guide Can carbon dioxide storage help cut greenhouse emissions"? 2006.4

[3] "NETL 2007 Carbon Sequestration Atlas",2007

[4] en.省略/wiki/Carbon_capture_and_storage

[5] www.省略/