|
自工业革命以来，大气中CO2含量增加了42%，随之而来的是温室效应增强、全球平均温度上升、极地海冰融化、海平面上升、极端气候频发等一系列问题。
 △二氧化碳含量增加导致温室效应增强 △全球平均温度持续上升 △北极海冰范围急剧下降 △海平面持续上升
为了应对全球气候变化，近年来提出了多项天马行空的地球工程方案，例如人造火山，太空反光镜等等。相对于这些高（kan）大（bu）上（dong）的科技狂想，碳捕集与封存技术更接地气儿。
<>什么是碳捕集与封存 >
碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS）是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放的CO2捕获并分离，输送至油气田、海洋等合适地点，进行长期封存的技术。  △这一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
简单而言，碳捕集与封存技术分为三步：捕集、运输和封存。
<>CO2捕集 >
碳捕集有三种方式：燃烧前捕集，富氧燃烧捕集，燃烧后捕集。无论哪种捕集方法，都是将工厂产生的气体收集起来，经过脱硫、脱氮氧化物等制备后，将CO2分离并收集起来。 一、燃烧前捕集 在富氧高压条件将煤炭气化为煤气，再将煤气分离得到CO2和H2，此时CO2浓度高，极易捕集，生成的H2可作为燃料使用。 △燃烧前捕集示意图 △燃烧前捕集系统简单，效率高、能耗低、用水少、环保，但投资成本高
二、富氧燃烧捕集
煤在富氧条件下中充分燃烧，产生高浓度的CO2气体，可以直接捕集。 △为控制炉内火焰温度、维持合适的传热特性，高浓度氧气需与回收的部分烟道气混合 △富氧燃烧捕集可操作性强，但制氧技术投资、能耗高
三、燃烧后捕集 在燃烧后排放的烟道气中捕集CO2。常规CO2分离技术有物理吸收法、化学吸收法和膜分离法。 △燃烧后捕集流程图 △燃烧后捕集适用范围最广，但捕集系统庞大，耗费资源量大 1. 物理吸收法△物理吸收法工作流程△收集气体△萃取CO2△分离固态CO2 2. 化学吸收法利用CO2溶于水形成酸的特征，在通过脱碳吸附装置时，化学吸收剂吸收废气中的CO2。△吸附装置为集成结构，最大程度的增大了与空气的接触面积，内部涂有可循环利用的吸收剂 3. 膜分离法利用膜选择性渗透的特点，在压差作用下CO2气体可以穿过薄膜，得到纯度较高的CO2。△膜分离法能耗低，设备紧凑 膜分离法不仅可以处理发电厂排放的气体，还可以分离空气中含有的CO2。△加拿大碳工程公司（Carbon Engineering）将启动碳回收项目，预计一年可回收10万吨CO2（相当于30万辆汽车的排放量） 燃煤电厂一直都是CO2排放大户，燃烧后捕集技术的独特优势，使其可用于绝大多数火力发电厂，对于70%的电量来自于煤电的我国而言，燃烧后捕集技术的应用意义重大。目前我国已有多家企业应用该技术。
△安装脱碳装置，“捕捉”释放的CO2△大型发电厂各部件简介图△华能上海石洞口第二电厂，其脱碳装置于2009年12月30日正式投运，开创了我国燃煤电站实现CO2规模化捕集的先河△重庆合川电厂，拥有我国首个万吨级燃煤电厂CO2捕集装置
<>CO2运输 >
二氧化碳运输就是将捕集到的CO2运输到合适的地点进行封存，主要有罐装运输和管道运输两种方式。
一、罐装运输 主要通过铁路或公路进行运输，也有部分采用船舶运输。△罐装运输适合短途、小量运输 二、管道运输 最常用的CO2运输方法。一次性投资大，适宜长距离、大运量运输。△管道是最经济的运输方式△管道运输CO2要维持8MPa以上的压力，以确保CO2以液态形式输送。截止到2008年，美国已建成约5800km的CO2运输管道，连接CO2捕集区和石油生产区△在紧急情况下可关闭管道运输安全闸，确保CO2运输的安全可靠
CO2封存 >
二氧化碳的封存是整个环节中最关键的一步，封存方法大致分为三类：生物封存、海洋封存和地质封存。
一、生物封存
生物封存就是植物通过光合作用来吸收CO2。△植物光合作用效果最明显
二、海洋封存
海洋可以自发吸收CO2，每年可净吸收约2亿吨碳，接近全球年碳排放量的1/3。△但海洋自发吸收过程仅限于表层、次表层海水 因此，专家们提出可以借助人工方法加快海洋碳封存的速度、提高海洋吸收CO2的能力。人工方法是将CO2注入深层海水或者灌注于海床，主要有：海洋水柱封存、海洋沉积物封存和CO2置换天然气水合物封存三种方式。 △人工封存 1. 海洋水柱封存利用船舶或管线将CO2注入海水中，借助海洋中相对稳定的碳循环体系，达到封存的目的。△海洋中存在由HCO3-、H2CO3及溶解态CO2和CO32-构成的相对稳定的缓冲体系△当深度为1000米~2500米时，注入气态或液态的CO2，CO2会溶于海水；当深度大于3000米时，注入液态CO2，其密度大于海水，会下沉至海底，在低洼处形成CO2湖（简称碳湖）
2. 海洋沉积物封存海洋沉积物封存就是将CO2注入到海床沉积层中，由于CO2的密度大于孔隙水，CO2沉于孔隙水之下，实现CO2的封存。△海洋沉积物封存CO2 在深海低温、高压环境下，CO2在沉积层中形成类似冰的晶状水合物，实现水合物封存，而且水合物的形成可以降低沉积层渗透率，增加密闭性，进一步巩固CO2的封存效果。△深海低温高压环境CO2水合物形成过程 3. CO2置换天然气水合物封存海底天然气水合物（即可燃冰）储量大，但直接开采时，易因甲烷气体瞬间释放而导致海底滑坡、地震等严重的地质灾害。△全球天然气水合物分布广、储量大△直接开采天然气水合物易导致海底滑坡 CO2置换取代CH4的位置，这样既能减少大气中CO2含量，又维护了水合物沉积层的稳定性，具有环保与经济的双重价值。
可燃冰开采技术详见石油课堂013期文章：从百慕大“杀手”到未来能源之星——可燃冰△CO2置换CH4
三、地质封存
将CO2经输送管线或载运工具输送至适当地点后，注入特定深度及特定地质条件的地层中进行封存。△CO2地质封存适宜的地层有深部盐水层、油气层及不可采煤层
1. 深部盐水层封存深部盐水层为不适宜人类饮用的卤水层，若具备良好的封闭性，就可以用于封存CO2。△深部卤水层 从直井低速注入超临界CO2和H2S，封存效果最好。这是因为CO2溶于水需要一定时间，注入速度过快，易导致CO2溶解不充分，从而存储量降低。△超临界状态下，CO2密度大，不易窜逸，封存性好△CO2与H2S混合注入会增加存储量△注入井通常采用直井，若储层特征明确，可选用水平井注入，效果更佳
世界首例达到工业规模的CO2盐水层封存项目在挪威北海油田Sleipner西部。△自1996年起，该储层每年储存约一百万吨CO2，相当于挪威CO2年排量的3% 2. 油气层封存油气层封存有两种：注入枯竭油气层封存和利用CO2驱油。
（1）注入枯竭油气层油气层为孔隙度和封闭结构良好的储集层，待其枯竭后可利用现有的油气井生产设备注入CO2达到封存效果。（2）CO2驱油（CO2-EOR）将CO2注入油层，利用其膨胀原油体积、降低原油粘度及萃取、气化原油的特性提高原油采收率。△CO2驱油示意图△注入CO2提高采收率△蓝色代表注入的CO2，棕色代表石油 CO2驱油优势：超临界CO2的形态类似于液体，黏度接近气体，此时的CO2是一种很好的溶剂，其溶解性、穿透性均超过乙醇、乙醚等有机溶剂。
CO2可以将原油中轻质组分分离抽提出来。CO2与原油反复接触抽提后，可形成混相，从而更好的驱替原油。△CO2混相驱过程 注入地层中的部分CO2会随着时间推移，与地下流体、矿物质等发生化学反应，逐渐矿化，形成碳酸盐岩，从而达到永久封存的效果。△单次注入CO2因矿化封存于地下的比例高达50%-60% 剩余部分的CO2会随油气产出返回地面，分离这部分CO2，可实现循环利用。△这样的循环驱油过程，既能有效封存CO2，又能节约开采成本，提高油气产量
3. 不可采煤层封存通常将CO2封存于薄煤层或埋深超过终采线的深部煤层。注入煤层的CO2在煤层孔隙中扩散、吸附，最终封存于煤层之中。CO2在煤层中的吸附能力大约是甲烷的2倍。注入煤层的CO2将被优先吸附，而甲烷则从吸附态转化为游离态，最终被采出地面。△传统煤层气开采采用抽水法来减小井内压力，使甲烷从孔隙界面解吸附，释放到开采井中 Burlington资源公司在美国西南部San Juan盆地的一个气田内建立了“CO2强化煤层甲烷回收(CO2-ECBM)”的试验工程。△注入CO2使甲烷回收率增加约75% 全球大型CCS项目开发现状 温室效应的加剧使各国十分重视CCS项目，目前全球范围内计划完成大型CCS项目共计138个，未来这一数字将会持续增长。△全球现有CCS项目一览图 现有的CCS项目主要分为三类：大型发电厂CCS项目，非发电厂CCS项目和商业化CO2驱油项目。△世界5大洲超过60MW的大型CCS项目开发情况△世界五大洲大型CCS项目数对比图
1. 欧洲挪威是全球最早开展CO2捕集和封存的国家。目前英国有7个，挪威有3个，荷兰有2个，德国和法国各1个，共计14个CCS项目。
2. 美洲美洲CCS项目主要集中在美国和加拿大，美国有20个，加拿大7个，另外阿尔及利亚有1个。
3. 亚洲亚洲的CCS项目主要分布在中国、韩国、阿拉伯联合酋长国和沙特阿拉伯，共计11个，其中中国7个，韩国1个，阿拉伯联合酋长国2个，沙特阿拉伯1个。
中国在大庆、东莞、胜利、天津、连云港的发电厂应用了CO2捕集技术，榆林的煤化工厂和鄂尔多斯的煤炭液化厂也应用了CO2捕集技术。△鄂尔多斯CO2捕集封存项目应用物理溶剂吸附法，目前每年捕集二氧化碳3.6万吨△中国华能集团的高效煤基能源系统（GrenGen）△中国神华CCS项目监测井，监测CO2分层注入情况
4. 大洋洲澳大利亚一共有两个CCS项目，分别是非发电厂Otway和Gorgon。△澳大利亚Gorgon项目
5. 非洲巴西国家石油公司在非洲的Lula油田进行了CO2驱油作业。△巴西Lula项目
<>CCS项目发展的困境与展望 >
碳捕集与封存技术有着广阔的发展前景，但目前仍存在许多问题：
一、泄露
CO2可能发生泄漏是CCS项目面临的最大问题。
A.如果CO2大规模泄漏，将会引发显著的气候变化；
B.地下浅层CO2泄漏不仅会污染地下水，还会对植物、土层动物造成致命影响；
C.如果CO2在管道运输中发生泄露，空气中CO2浓度超过7%，将会威胁人的生命安全。
二、能源消耗大、建设运行成本高
CCS技术的捕集、运输、封存都要消耗大量的能源，应用CCS技术的电厂比没有使用该技术的电厂要多消耗25%～50%的能源。CCS技术建设运行成本高，其中捕集成本所占比例最高。经估算，应用该项技术会使发电成本增加约0.01～0.05美元/(kW·h)。因此，若想进一步发展碳捕集与封存技术，除了要逐步减少能耗，还需获得政策法规和财税的大力支持。
虽然碳捕集与封存技术目前仍面临诸多困难，但随着温室效应和能源危机的加剧，二氧化碳的吸收和利用受到了越来越广泛的关注。相信随着研究的不断深入，技术的不断进步，二氧化碳封存技术必将能够克服其弊端，取得更加卓越的效果。我们的天空会更湛蓝，我们的空气会更纯净，我们的未来会更美好.
来源：石油课堂 ------------------------- 免责声明：北京国际能源专家俱乐部转载上述内容，对文中陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作为参考，并请自行承担全部责任。
|
