碳捕集和封存技术发展现状研究
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【摘要】近年来，随着大气中二氧化碳含量的增加、温室效应的加剧，碳捕集和封存技术逐渐走进了人们的视野。它主要分为二氧化碳的捕集、运输和储存三个环节，将工业生产中的二氧化碳永久地封存在地下，对于减少大气中的二氧化碳含量具有巨大的潜力。不过由于目前各项政策的不稳定以及社会的接受程度不足，碳捕集和封存技术仍面临着巨大的挑战。本文就当前碳捕集和封存技术的背景和发展现状，提出了相应的解决思路。
【关键词】碳捕集和封存 二氧化碳 温室效应 发展现状
随着工业化进程的加快，各种因素导致大气中的二氧化碳含量大幅度增加，引起温室效应。如何减少碳排放量成为当今科学研究的一个重要课题。碳捕集和封存（Carbon Capture and Storage，以下简称CCS）就是基于目前的时代背景产生的，用来解决碳排放量问题的一项技术。尽管CCS技术能有效地封存过多的二氧化碳，对于缓解温室效应具有很好的前景，但是由于各种经济、政策以及其他的一些原因，CCS技术目前乃至将来几十年都面临着巨大的挑战。
1 推广CCS技术的必要性
二氧化碳对于人类的生活和生产至关重要。它能够阻挡太阳的热量逸散进太空，使地球温度基本恒定，让动植物得以生存。然而近几年来，人类的工业化进程显著地提高了大气中二氧化碳中的含量。从碳排放的角度来看，工业生产如炼油、制钢、发电等，每天都向大气层释放出大量的二氧化碳。人们在日常生活中的碳排量也是罪魁祸首之一。小汽车、船舶、航天飞机以及家用设备等排放出的二氧化碳也显著增加。从碳吸收的角度来看，全球植被面积有减无增，地球吸收和调节大气中二氧化碳含量的能力也有所下降。种种因素都导致全球大气层中二氧化碳含量持续攀升，从而引发温室效应。温室效应将使大气升温，大气和海洋循环发生改变，影响人们的正常生活[1]。
据统计，在2010年碳排放量达到了历史性的最高值。国际能源机构IEA（International Energy Agency）最近报告说按照这种趋势下去，到2100年的时候全球温度将升高超过3.5℃[2]。解决或者说缓和这个问题的方法大概可以分为两种：一是找到清洁的能源，二是让生产出的二氧化碳更少地进入大气层中。
对于前者，相比于目前大量、廉价而且易于获得的化石燃料，清洁能源的市场占有率仍旧十分有限，化石燃料的主导地位在未来几十年不会有太大的变化。按照全球碳捕集与封存研究所（Global CCS Institute）提供的数据，全球能源需求在未来20年将增长40%，石油、天然气等化石燃料的燃烧将继续向大气排放出大量的二氧化碳，温室效应将愈发严重。
对于后者，许多地区和国家已经采取了一些地方政策来减少工业中的碳排放，有的是自愿性、义务性的，也有的是通过商业贸易的形式来执行。近年来人们推出了新的思路，那就是CCS技术。它是一种将工业生产中的二氧化碳捕获、集中起来，再通过管道或者其他设备运移到一个适合封存的地质场所，把二氧化碳长期储存起来的一项新技术。尽管二氧化碳早在几十年前就因为各种原因被注入地下（如石油工业中通过向储层注入二氧化碳来提高原油的采收率等），长期地将二氧化碳封存起来还是一个新概念。据估计，到2050年，在工业生产中CCS每年可以减少40亿吨的二氧化碳，约为2050年所需减少的二氧化碳的9%，数量相当可观。但是为实现这个目标，20%到40%的生产设备需要配有CCS技术[3]。由此我们可以预见CCS技术必须得到充分的重视和推广。
2 CCS技术的基本原理
一般来说，CCS技术主要包括三个环节：捕集，运输和储存。具体来说，首先是将动力工厂或者各种来源的二氧化碳通过某种方法捕获起来，然后将其压缩、运输到某个地点，注入地下，利于该处的上覆岩层来封隔二氧化碳，阻止二氧化碳向上逸散。随后，再利用一些监测设备以确保二氧化碳被安全、永久地封存起来。在一个适宜的地质场所，如较深的咸水层、报废的油气藏或者是不再开采的煤层等，二氧化碳可以被安全封存达百万年之久[4]。据美国能源部估计，大概有36000亿吨的二氧化碳可以被储存在地下（指美国和加拿大境内）。相比于世界上每年排放大约130亿吨的二氧化碳，CCS技术对于减少二氧化碳具有很广阔的应用前景。
在捕集二氧化碳的环节中，常用的三种方式有燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。捕集方式的选择按照不同的生产过程而定。例如对于水泥厂排放的二氧化碳常采用燃烧后捕集，而对于钢铁生产过程排放的二氧化碳则采用富氧燃烧捕集。由于实际操作中捕集到的二氧化碳往往不纯，其中或多或少地含有其他气体，所以捕集二氧化碳之后还需要对它进行进一步的分离处理。可采用某些溶剂来吸收杂质或者是用半透膜等方法进行气体的分离。
在二氧化碳运输环节，首先将二氧化碳压缩成液态，然后通过卡车或者火车来将其运输到目的地。由于二氧化碳的运输量巨大，考虑到运输的安全性和经济性，现在普遍采用管道来运输。
最后一个环节是将二氧化碳注入到一个多孔的地下岩层中，深度往往在800米甚至更深。在这个深度，二氧化碳受到高温高压的作用以浓稠状的液态形式存在，密度相当于水的50%到80%之间。在这种较低的密度条件下，由于浮力的作用二氧化碳将向上运移，驱替地层原始孔隙中的液体。这也就是注入二氧化碳以提高石油采收率的基本原理。
3 推广CCS技术的挑战
CCS技术能否实施很大程度上基于整个项目周期的风险评估，包括从选址、设计、建造，到监测、报告、报废等。风险评估时一个很重要的因素就是解决法律和经济上的责任，解决这些责任如何被合理地分配给各个群体。这种风险性和不确定性包括商业层面、法律层面、以及技术层面等。理解这些风险是制定决策的前提条件。
商业层面上，一个企业或者说国家在推广CCS技术时，如果能有效地发挥市场运行的机制，把二氧化碳作为一种商品来进行销售和购买，吸引投资和回馈收益，则可以激活和调动人们科学研发的积极性，提高CCS技术在人们心中的认可程度等。如果一种商品只有买进，而不见具体的产出，或者产出极小，那么它也就失去了作为一种商品对于投资者的吸引力，勉强推广CCS技术的企业也会面临很大的风险。
法律层面上，合理和具体的法律法规是规避高风险（如推广CCS技术）的基础。模棱两可的建议和号召无法吸引投资者真正行动起来自主研发CCS技术，而只有明文条款如国家支持、政府补贴等，才能给有心运行CCS技术的企业以物质和精神上的保障。
技术层面上，由于二氧化碳大部分是从工厂的废气中收集来的，各种杂质掺混，使得分离和捕集二氧化碳的成本十分高昂。而且由于捕集来的二氧化碳需要长期地封存在地下，它的安全性也需要技术上的保障。
所以现有的挑战是严峻的。我国CCS科技研发方面，“十一五”期间在973、863、支撑计划的部署以及相关国际科技合作项目的支持下，国内有关高校、研究院所、企业围绕CCUS开展了基础理论研究、技术研发和一些中小规模工程示范[5]。但在目前的条件下，较高的成本使其在国内外的应用受到了限制[6]。就现有碳捕获技术而言，捕获一吨二氧化碳最高成本400英镑（642.4美元），成本过高，不适用于大规模商业生产。据路透社报道，全球碳捕集与封存研究所在其本年度关于全球碳捕集与封存部署情况的报告中警告说，根据目前的投资水平和监管不确定性来看，从现有的16个项目激增至130个项目的目标是不可能实现的。该研究所预计，其年度报告中确定的59个项目中，届时可能只有51个能投入运行，而有些项目则不太可能实施[7]。推广CCS技术还有很长的路要走。
4 推广CCS技术的一些建议
如果没有行之有效的措施，到2050年二氧化碳的排放总量将翻倍甚至更多。即使CCS技术对于减少碳排放具有极大的潜力，但如果没有政府和相关机构对CCS技术的认可和支持，CCS技术也不可能得到充分发展[8]。目前我国科技部了CCS发展技术路线图，但主要还是从技术研发角度，还没有考虑到政策支持、资金支持、公众参与等措施。
所以针对目前存在的问题，现有以下几点建议：
其一，政府可以通过减免税收等手段确保应用CCS的工程项目有足够的资金。许多生产单元如生物工程、炼油厂、水泥厂等在采用CCS 技术之前，往往综合考虑各种经济因素，如果资金不足，就算这种技术如何减排、如何保护环境，也不可能付诸于生产实践中。
其二，政府应鼓励科研人员更加重视CCS技术的研发，使这项技术更加成熟可行。技术的成熟一方面可以捕获更多的二氧化碳，另一方面还可以节约成本，是CCS长足发展的基础。同时，如果将天然气加工厂、煤气厂等捕获的二氧化碳用于油藏之中的话，还可以作为提高原油采收率的原料之一，实现废物的二次利用。
其三，政府对于CCS技术的宣传还应加大。目前CCS的应用所引起的重视还不够，尽管CCS的应用前景已经得到了广泛认证，人们对CCS技术的研究仍集中于动力单元。如果人们想达到预期的减排目标，CCS应当被用于更多的领域、更多的国家和地区；应当让更多的人意识到CCS技术的广阔前景，使得有关企业更快地掌握和实施CCS技术，推动CCS的广泛发展。许多示范工程已经具备一定的竞争力，并开始执行HSE标准（Health， Safety and Environment）。这些示范工程可能对建立合理的节能标准以及增加社会的认可度有一定的帮助。
5 结语
总的来说，CCS技术的发展有赖于各项技术的协同进步，有赖于企业和政府对其的肯定和支持。在技术方面，通过改进技术从而降低捕集、运输和封存的费用，例如深入研究各种物理、化学的吸附效率，减少捕集成本。在政策和环境方面，用支持性的法律法规吸引更多的企业来研发和运用CCS技术。只有这样，已推行CCS技术的企业才能获得充足的资金来长期投资、不断研究，未推行的企业也会逐渐投身于CCS技术的推广中来，从而有效地降低大气中二氧化碳含量，遏制温室效应的加剧。
参考文献
[1] IPCC， 2005： IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Prepared by Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Metz， B.， O. Davidson， H. C. de Coninck， M. Loos， and L. A. Meyer （eds.）]. Cambridge University Press， Cambridge， United Kingdom and New York， NY， USA， 442 pp
[2] Carbon Capture and Storage： Bring Carbon Capture and Storage to Market. SBC Energy Institute， 2012： http：/// sbcinstitute.aspx
[3] Technology roadmap-Carbon capture and storage in industrial applications. OECD/ International Energy Agency and United Nations Industrial Development Organization， 2011.
[4] Global CCS Institute website： http：//www.
[5] 彭斯震. 国内外碳捕集、利用与封存（CCUS）项目开展及相关政策发展[J]. 低碳世界，2013，（1）
[6] 王景云，郭茹，杨海真. 碳捕捉与封存研究进展浅析[J]. 环境科学与技术，2012，第35卷，（12）
[7] 中国城市低碳经济网： http：//. cn/news_detail.php？id=221728