應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑:二氧化碳捕集與封存

李 波

(中國(guó)海洋石油總公司節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心，天津300452)

自1860年有儀器觀測(cè)以來(lái)，全球地面氣溫上升明顯，年均升高0．6℃ ±0．2℃，近百年來(lái)最暖的年份均出現(xiàn)在1983年以后。在全球范圍內(nèi)，20世紀(jì)90年代是最熱的10年，其中1998年又是20世紀(jì)最熱的一年，它比1860年至2000年間的平均值高出0．55℃，成為自1860年人類(lèi)開(kāi)始紀(jì)錄氣溫以來(lái)平均氣溫最高的一年。如果情況持續(xù)惡化，到本世紀(jì)末，地球氣溫將攀升至二百萬(wàn)年來(lái)的最高位［1－2］，引發(fā)全球氣候變化的主要原因是過(guò)去一百多年間，人類(lèi)一直依賴(lài)石油、煤炭等化石燃料來(lái)提供生產(chǎn)生活所需的能源，燃燒這些化石能源排放的二氧化碳(CO2)等溫室氣體使得溫室效應(yīng)增強(qiáng)。

時(shí)至今日，全球仍有80%的能源來(lái)自煤炭、石油和天然氣等化石能源。核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等新能源，雖然環(huán)保前景喜人，但受高成本和技術(shù)不成熟等客觀因素制約，完全取代傳統(tǒng)的化石能源還需很長(zhǎng)時(shí)間。因此，發(fā)展可靠技術(shù)減少化石燃料的溫室氣體排放是一個(gè)明智的“緩兵之計(jì)”。CO2捕集與封存(CCS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)不僅能將CO2封存于地下或海底，某些情況下還能實(shí)現(xiàn)CO2“變廢為寶”，被看作是最具有發(fā)展前景的解決全球氣候變暖的方法之一。

1 CO2捕集技術(shù)

目前全球每年排放CO2在3×1010t以上，其中約有40%來(lái)自發(fā)電廠，23%來(lái)自運(yùn)輸行業(yè)，22%來(lái)自水泥廠、鋼廠和煉油廠［3］。CO2捕集技術(shù)最早應(yīng)用于煉油、化工等行業(yè)，這些行業(yè)排放的CO2濃度高、壓力大，捕集成本并不高。燃煤電廠排放的CO2則恰好相反，捕集能耗和成本較高，現(xiàn)階段的CO2捕集技術(shù)尚無(wú)法完全解決這一問(wèn)題。按工藝流程不同，CO2捕集技術(shù)主要分為三類(lèi)—燃燒前捕集、富氧燃燒捕集(燃燒中捕集)和燃燒后捕集。

1．1 燃燒前捕集

燃燒前捕集主要應(yīng)用在以煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(IGCC)為基礎(chǔ)的發(fā)電廠。首先，化石燃料與O2或空氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生由一氧化碳(CO)和氫氣(H2)組成的混合氣?；旌蠚饫鋮s后，在催化轉(zhuǎn)化器中與蒸汽發(fā)生反應(yīng)，使混合氣體中的CO轉(zhuǎn)化為CO2(含量可達(dá)60%)，并富產(chǎn)H2。最后，將H2從混合氣中分離，用作燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。CO2從混合氣體中分離并被捕獲和儲(chǔ)存。該技術(shù)的主要特點(diǎn)有:①原料氣氣量小，總壓與CO2分壓較高;②原料氣不含O2、灰塵等雜質(zhì);③原料氣中的硫化氫(H2S)和CO2可采用同一種溶劑脫除，也可對(duì)其進(jìn)行選擇性脫除;④脫碳精度要求不高。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于傳統(tǒng)電廠無(wú)法應(yīng)用，需要重新建造專(zhuān)門(mén)的IGCC電站，其建造成本是現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)電廠的2倍以上。

1．2 燃燒后捕集

燃燒后捕集是從煙氣中分離CO2，其核心是CO2分離技術(shù)。主要有物理吸收法(聚乙二醇二甲醚法、低溫甲醇洗法)、化學(xué)吸收法(本菲爾法、甲基二乙醇胺法)、吸附法(變壓、變溫)和膜分離等方法。當(dāng)前最好的分離方法為胺吸收法。煙氣首先進(jìn)行預(yù)處理(水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等)后進(jìn)入吸收塔，胺與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一種含CO2的化合物，然后吸收劑進(jìn)入再生塔加溫再生，化合物分解，分離出吸收劑和高純度的CO2。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣，系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，對(duì)現(xiàn)有電站繼承性好。但捕集系統(tǒng)因煙氣體積流量大、CO2分壓小，脫碳過(guò)程的能耗較大，設(shè)備的投資和運(yùn)行成本較高，造成CO2的捕集成本較高。

1．3 富氧燃燒捕集

富氧燃燒捕集技術(shù)試圖綜合前兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，做到既可以在傳統(tǒng)電廠中應(yīng)用，排出的CO2的濃度和壓力也較高。由于該技術(shù)主要著力在燃燒過(guò)程中，也被看作是燃燒中捕集技術(shù)。與傳統(tǒng)電廠直接用空氣助燃的燃燒技術(shù)不同，富氧燃燒用純度非常高的O2助燃，同時(shí)在鍋爐內(nèi)加壓，使排出的CO2在濃度和壓力上與IGCC差不多，經(jīng)過(guò)冷卻后CO2含量在80% －98%。在富氧燃燒系統(tǒng)中，由于CO2濃度較高，可不必分離而直接加壓液化回收處理，因此捕獲分離的成本較低。看似完美無(wú)缺的捕集技術(shù)，卻有一個(gè)巨大的技術(shù)難題——制氧成本太高，這也使得富氧燃燒捕集技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性上并沒(méi)有太大優(yōu)勢(shì)而無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 CO2輸送

CO2輸送的首選途徑是用管道進(jìn)行輸送。大多數(shù)CO2輸送管道由位于上游的多臺(tái)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)流體，有些管道還配有若干中途壓縮站。在CO2包含了水汽的地方，可以將水汽從CO2氣流中分離出來(lái)以防止腐蝕，同時(shí)也避免由于使用由防腐材料制造的管道而造成運(yùn)輸成本升高。目前，CO2的管道輸送已作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)進(jìn)行市場(chǎng)化運(yùn)作。國(guó)際上第一條CO2輸送管道于20世紀(jì)70年代初在美國(guó)投入運(yùn)行。該管道長(zhǎng)2 500多km，每年將4×107t的CO2輸送到德克薩斯州的油田用于強(qiáng)化采油(EOR)［4］。

在某些情形下，如遠(yuǎn)距離輸送CO2至海外，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，使用船舶運(yùn)輸更具有吸引力。就像使用海洋油輪大規(guī)模運(yùn)輸石油液化氣(LPG)一樣，也可以使用船舶以大致相同的方式來(lái)輸送CO2。此外，也可將液態(tài)CO2裝在罐中用汽車(chē)或火車(chē)運(yùn)輸，但與管道輸送和船舶運(yùn)輸相比，這類(lèi)運(yùn)輸系統(tǒng)不經(jīng)濟(jì)，不可能用于大規(guī)模CO2輸送。

3 CO2封存

3．1 地質(zhì)封存

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，三種類(lèi)型的地質(zhì)構(gòu)造可用于CO2的封存:1)石油和天然氣儲(chǔ)層(CO2強(qiáng)化采油(CO2－EOR);CO2強(qiáng)壓氣體回收(CO2－EGR);采空的油氣田)、不可開(kāi)采的煤層(CO2強(qiáng)化煤田甲烷回收(ECBM))和深鹽沼池構(gòu)造和深部咸水含水層。在每種類(lèi)型中，CO2的地質(zhì)封存都是將CO2壓縮液注入地下巖層構(gòu)造中。含流體或曾經(jīng)含流體(如天然氣、石油或鹽水等)的多孔巖石構(gòu)造(如采空的油氣儲(chǔ)層)都是潛在的封存CO2的場(chǎng)地。

3．1．1 石油和天然氣儲(chǔ)層

(1)CO2－EOR。CO2－EOR已經(jīng)實(shí)施了30年，被人們公認(rèn)為是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)向地層注入CO2，降低原油粘度，從而達(dá)到提高原油采收率的目的。它包括非混相驅(qū)油和混相驅(qū)油。非混相驅(qū)油是依靠CO2在原油中溶解，使原油體積膨脹和降低原油粘度實(shí)現(xiàn)驅(qū)油?；煜囹?qū)油是在地層高溫條件下，油中的輕質(zhì)烴類(lèi)分子被CO2提取到氣相中，形成富含烴類(lèi)的氣相和溶解了CO2的原油的液相兩種狀態(tài)。當(dāng)壓力足夠高時(shí)，CO2將原油中的輕質(zhì)和中間組分提取，原油溶解瀝青、石蠟的能力下降，這些重質(zhì)組分將從原油中析出并殘留在原地，原油粘度大幅度下降，從而達(dá)到驅(qū)油目的?；煜囹?qū)油效率很高，條件允許時(shí)，可以使排驅(qū)劑所到之處的原油百分之百的采出，但要求壓力很高，組成原油的輕質(zhì)組分C2－6含量很高，否則很難實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)油［5］。CO2－EOR技術(shù)是目前實(shí)際應(yīng)用案例最多的封存技術(shù)，主要是由于該技術(shù)可以提高原油產(chǎn)量，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

美國(guó)是CO2驅(qū)油項(xiàng)目開(kāi)展最多的國(guó)家。目前，美國(guó)有82個(gè)CO2－EOR項(xiàng)目。例如從事油田開(kāi)發(fā)的Oxy公司在美國(guó)德克薩斯州和墨西哥州的Permian盆地，注入CO2約3．4×107 m3/d，現(xiàn)回收石油約18萬(wàn)桶/天。歐洲石油公司也積極開(kāi)發(fā)CO2－EOR項(xiàng)目。例如BP公司也將向北海即將衰竭的Miller油田注入1．3×106t/a CO2，可回收約4000 萬(wàn)桶石油，延長(zhǎng)油田壽命15 －20 年［6－8］。在國(guó)內(nèi)，大慶油田從1985年開(kāi)始，為改善厚油層開(kāi)發(fā)效果，提高采收率，在三個(gè)區(qū)塊開(kāi)展了小規(guī)模CO2－EOR礦場(chǎng)試驗(yàn)。目前，大慶油田已將CO2－EOR技術(shù)納入戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備技術(shù)，擴(kuò)大CO2產(chǎn)能建設(shè)和驅(qū)油試驗(yàn)區(qū)規(guī)模，并逐步將試驗(yàn)區(qū)從外圍油田向老區(qū)油田延伸。截至2008年年底，已有6個(gè)采油廠建起CO2驅(qū)油試驗(yàn)區(qū)，累計(jì)增油超過(guò)4 000 t。勝利油田從1998年開(kāi)始進(jìn)行CO2單井吞吐增油技術(shù)試驗(yàn)，至2001年底共施工30多口井，平均單井增產(chǎn)原油500 t以上，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益［9－10］。

(2)CO2－EGR。CO2－EGR是一種對(duì)采空的氣田再加壓提高天然氣產(chǎn)量的方法，能夠應(yīng)用于開(kāi)采了80% －90%的天然氣田。該技術(shù)的原理是:由于壓力和重力作用，注入的CO2將流進(jìn)封存層，不管CO2處于何種相態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)還是超臨界)，在一定的壓力和溫度下，CO2都比甲烷(CH4)密度大，而且向下流動(dòng)、置換CH4氣體、對(duì)封存層加壓力。如果CO2注入到氣層的底部，那么就將向能夠開(kāi)采的頂部“驅(qū)趕”未開(kāi)采的天然氣，從而增加天然氣產(chǎn)量。

(3)采空的油氣田。采空的油氣田可以充填CO2，操作非常簡(jiǎn)單，只需要一眼注入井就可以。此外，由于現(xiàn)有的地下空間被再利用，減少了油氣田的投資成本。根據(jù)研究報(bào)道，采空氣田的封存潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采空油田的封存潛力，CO2總封存量能夠達(dá)到1×1012t，是當(dāng)今全球大約50年的排放量。但是，由于存儲(chǔ)壓力達(dá)不到原始的地層壓力，而且部分地層可能被水注滿，因此采空的油氣田實(shí)際的封存潛力可能要小于上述報(bào)道值。

3．1．2 不可開(kāi)采的煤層

ECBM技術(shù)是指將CO2注入比較深的煤層當(dāng)中，置換出含有CH4的煤層氣，傳統(tǒng)的煤層CH4回收技術(shù)可以達(dá)到40%－50%的回收率，使用ECBM可使回收率達(dá)到90% －100%。同時(shí)該技術(shù)可封存大量的CO2，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，世界各地深部不可開(kāi)采的煤層可封存CO2大約1．48×1011t。特別需要注意的是ECBM不適用于滲透性差的煤層，而且儲(chǔ)煤層深度不能超過(guò)2000m。因?yàn)槊簩釉缴睿瑴囟群蛪毫υ礁?，較高的溫度減少了煤層中甲烷的含量，較高的壓力降低了煤層的滲透性［4，11］。

3．1．3 深鹽沼池構(gòu)造和深咸水含水層

深鹽沼池構(gòu)造和深咸水含水層封存是指將CO2封存于距地表800米以下的鹽沼池構(gòu)造和咸水含水層當(dāng)中。需要注意的是，此深度地層壓力和溫度通常使得CO2處于液態(tài)或者超臨界值狀態(tài)。在這種條件下，CO2的密度是水密度的50% －80%，接近某些原油的密度，產(chǎn)生驅(qū)使CO2向上移動(dòng)的浮力。因此，選擇的封存儲(chǔ)層應(yīng)具有良好的封閉性能，確保把 CO2限制在地下［4，12］。

3．2 海洋封存

海洋是巨大的CO2庫(kù)。若大氣中CO2濃度增加，則大氣與水體在海洋表面不斷進(jìn)行CO2的自然交換，直到達(dá)到平衡。據(jù)報(bào)道，在過(guò)去的200年間，人為排放到大氣中的 CO2總共 1．3 ×1012t，海洋吸收了 5 ×1011t，被吸收的CO2大部分存留在海洋表面，并導(dǎo)致海洋表面的pH值下降了大約0．1，深海中的pH值則基本沒(méi)有變化。因此，深海還具有很大的CO2吸收能力，并在一定范圍內(nèi)不使海洋的pH值發(fā)生太大的變化。海洋封存正是指通過(guò)管道或船舶將CO2輸送到海洋封存場(chǎng)地，在此把CO2注人海底(深度在1000m以上)，使其與大氣隔離若干世紀(jì)［13］。雖然海洋具有可觀的封存CO2的能力，但是該技術(shù)尚不成熟，目前并未采用，也未開(kāi)展小規(guī)模試點(diǎn)示范，仍然處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

4 CCS面臨的問(wèn)題

4．1 難以接受CCS技術(shù)的高昂成本

不同行業(yè)的CCS成本各異。對(duì)油氣行業(yè)來(lái)說(shuō)，CO2驅(qū)油一般能使一個(gè)老油田的產(chǎn)量增加5%，但目前尚缺少對(duì)CO2捕集與在油田里永久封存的總體成本評(píng)估。對(duì)于燃煤電廠來(lái)說(shuō)，CCS會(huì)增加成本40% －80%。在IGCC電廠加裝CCS會(huì)增加成本40% －60%，而在常規(guī)超臨界燃煤電廠加CCS會(huì)使發(fā)電成本增加60%－80%。按照現(xiàn)有項(xiàng)目估算，CCS項(xiàng)目的商業(yè)化運(yùn)行成本是每噸CO270美元左右。在高昂的成本面前，企業(yè)普遍難以接受［14］。

4．2 封存涉及一系列復(fù)雜的具體問(wèn)題

CO2封存非常重要，沒(méi)有封存就沒(méi)有CCS。許多人假設(shè)地球上有很大的封存能力，但實(shí)際上CO2封存存在許多問(wèn)題。封存工作需要在地質(zhì)和地球物理方面進(jìn)行大量的研究，找到最適合封存CO2的地質(zhì)構(gòu)造，研究它的封存能力，確定打井?dāng)?shù)量，探討降低封存成本的途徑。

4．3 長(zhǎng)期封存的安全性問(wèn)題

CCS的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是在地質(zhì)學(xué)上審核安全長(zhǎng)期儲(chǔ)存CO2的場(chǎng)地。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)指出，據(jù)初步估計(jì)，22世紀(jì)以前地球上的CCS儲(chǔ)存總?cè)萘?，預(yù)計(jì)將足以滿足全球人口的需求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，沒(méi)有任何已證實(shí)的方法證明儲(chǔ)存CO2的安全性，泄露風(fēng)險(xiǎn)大量存在，如廢棄的注水井，毗鄰的鉆井或未被發(fā)現(xiàn)的地震造成的巖層斷裂。因此，需要采取監(jiān)控措施，以保證每個(gè)CO2儲(chǔ)存場(chǎng)地的選擇和運(yùn)營(yíng)，減少CO2泄露到大氣或其他物質(zhì)中的可能性。

4．4 缺少一個(gè)明確的政策與法律框架

CCS技術(shù)到目前為止還沒(méi)有一個(gè)有效的法律和法規(guī)框架，各國(guó)CCS項(xiàng)目缺乏統(tǒng)一的準(zhǔn)則。同時(shí)，目前所存在的監(jiān)管條例對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的賠償責(zé)任和安全要求等，并無(wú)明確規(guī)定。這造成了長(zhǎng)期財(cái)產(chǎn)權(quán)利和責(zé)任的不明確——尤其是在項(xiàng)目注入CO2以后的階段。CCS涉及的時(shí)間維度超過(guò)任何私有企業(yè)所能承擔(dān)的責(zé)任范圍。目前只有澳大利亞和挪威通過(guò)立法讓政府承擔(dān)長(zhǎng)期法律責(zé)任。

4．5 公眾對(duì)CCS技術(shù)認(rèn)知度低

公眾對(duì)CCS的認(rèn)知度對(duì)于技術(shù)的發(fā)展、推廣與實(shí)施都起著非常重要的作用。首先，政府用于支持CCS技術(shù)發(fā)展的投資應(yīng)該得到納稅人的認(rèn)可;同時(shí)，當(dāng)存儲(chǔ)地點(diǎn)與居民密集區(qū)較近的時(shí)候，居民對(duì)于CCS技術(shù)的了解與認(rèn)同是項(xiàng)目得以進(jìn)行的必要條件。目前由于宣傳普及不力，公眾對(duì)CCS技術(shù)的認(rèn)知度不夠，公眾對(duì)于CCS項(xiàng)目的安全性存在偏見(jiàn)，有報(bào)紙還顯示CO2大爆炸的漫畫(huà)，造成公眾心理恐慌。在世界范圍內(nèi)，對(duì)公眾進(jìn)行CCS知識(shí)教育是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、必要的工作。

5 結(jié)論

CCS技術(shù)的兩大步驟是CO2捕集和CO2封存，此外還有CO2運(yùn)輸?shù)?。CO2捕集技術(shù)中最具發(fā)展前景的是富氧燃料捕集，但還需要發(fā)展新技術(shù)降低制氧成本。目前制約CCS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要原因是建設(shè)和運(yùn)行成本過(guò)高，通過(guò)將CO2注入油氣田，既可以減少CO2排放，又可以提高石油采收率，實(shí)際應(yīng)用效果得到了肯定，同時(shí)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此CO2封存技術(shù)中最有發(fā)展前景的是CO2－EOR技術(shù)，也是我國(guó)應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)。

此外，雖然近幾年CCS技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但還面臨著很多問(wèn)題。如CO2泄漏問(wèn)題、建設(shè)和運(yùn)行成本高昂、缺乏相應(yīng)的政策法規(guī)支持等，還無(wú)法真正大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。但是，隨著全球氣候變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重，各國(guó)政府越來(lái)越重視CCS技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，相信未來(lái)該技術(shù)在抵制全球氣候變暖上會(huì)發(fā)揮重要的作用。

(編輯:劉文政)

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