碳捕捉與封存技術(shù)淺論

楊 磊

（ 黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001）

0 引言

全球變暖是目前世界上主要環(huán)境問題之一［1－3］。在導(dǎo)致氣候變化的各種溫室氣體中，二氧化碳對地球升溫影響最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球因燃燒化石燃料每年向大氣中約排放65億t碳(約250億t二氧化碳)，人類活動中排放的二氧化碳70%來自化石燃料的燃燒，我國約有80%的二氧化碳排放來自于燃煤?？諝庵卸趸紳舛鹊某掷m(xù)走高引起人們的高度重視。自南非德班世界氣候大會后，關(guān)于低碳經(jīng)濟(jì)和低碳生活的研究和輿論逐漸成為全世界的熱點(diǎn)和時(shí)尚。

政府間氣候變化委員會(IPCC)于2005年向各國提出了碳捕捉與封存(Carbon Capture and Storage，簡稱CCS)技術(shù)，以大幅度減少溫室氣體的排放。由于CCS與現(xiàn)有能源系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)造一致，受資源條件限制較小，一經(jīng)提出便受到工業(yè)化國家的廣泛關(guān)注和重視:2007年世界自然基金會(WWF)明確將CCS作為應(yīng)對全球氣候變化的六種途徑之一;2010年的砍昆全球氣候大會將CCS納入清潔發(fā)展機(jī)制(CDM);美國、加拿大、歐盟等已將CCS作為未來能源戰(zhàn)略和碳減排戰(zhàn)略的重要組成部分，制定了相應(yīng)的技術(shù)研究規(guī)劃并開展了相應(yīng)的研發(fā)和項(xiàng)目示范;據(jù)了解，我國已把CCS技術(shù)作為前沿技術(shù)列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃，并在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域取得突破。

1 CCS技術(shù)

碳捕捉與封存技術(shù)是指二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的源頭分離出來，輸送到一個(gè)封存地點(diǎn)，并且長期與大氣隔絕的一個(gè)過程。碳捕捉與封存技術(shù)包括碳捕獲、碳運(yùn)輸、碳封存三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。

1.1 碳捕捉

二氧化碳捕捉是CCS整個(gè)過程中首先要解決的問題，其方法就是將二氧化碳從排放燃燒源中分離、收集、凈化和壓縮，減少工廠中二氧化碳的排放，從而降低大氣中的二氧化碳含量?？衫玫亩趸疾蹲郊夹g(shù)主要包括燃燒前捕捉技術(shù)、富氧燃燒捕捉技術(shù)及燃燒后捕捉技術(shù)［4－5］。

燃燒前捕捉技術(shù)是將CO2在化石燃料燃燒前分離出來［2］。首先將化石燃料氣化生成H2和CO，CO轉(zhuǎn)化為 CO2，H2作為能源燃燒轉(zhuǎn)化為H2O，CO2則被分離出來。集成氣化組合循環(huán)技術(shù)(IGCC)就是將煤變成合成氣的一項(xiàng)技術(shù)，是一種典型的燃燒前捕捉CO2的技術(shù)。

富氧燃燒捕捉技術(shù)是指化石燃料在純氧或富氧中燃燒，煙道氣中以CO2和水蒸汽為主，然后將水蒸汽冷凝，便分離出CO2。

燃燒后捕捉技術(shù)是指從化石燃料在空氣中燃燒所產(chǎn)生的煙道氣中將CO2分離捕捉［4］。其主要捕獲分離方法為化學(xué)吸收法(本菲爾法、甲基二乙醇胺法)、吸附法(變壓、變溫)、物理吸引法(聚乙二醇二甲醚法、低溫甲醇洗法)和膜分離等方法。

1.2 碳運(yùn)輸

碳運(yùn)輸技術(shù)目前發(fā)展較為成熟，應(yīng)用較為廣泛，其主要運(yùn)輸方式有管道運(yùn)輸和罐裝運(yùn)輸。管道運(yùn)輸分為氣態(tài)、液態(tài)、超臨界態(tài)輸送，由于輸送介質(zhì)的相態(tài)不同，其輸送工藝也有一定的差別。目前的管道輸送主要采用超臨界態(tài)輸送。罐裝運(yùn)輸主要方式是通過鐵路或公路進(jìn)行運(yùn)輸。

1.3 碳封存

碳封存技術(shù)就是把捕捉的CO2安全地存儲于地質(zhì)結(jié)構(gòu)層，從而有效的減少CO2對大氣的排放。分為地質(zhì)封存、海洋封存、化學(xué)封存三種方式。

地質(zhì)封存是指將CO2注入海底鹽沼池、油氣層、煤井等不同的地質(zhì)體中。CO2地質(zhì)封存儲存深度一般在800 m以下，因?yàn)檫@樣的溫度和壓力可以使CO2保持在超臨界狀態(tài)。

海洋封存是指用管道或者船舶運(yùn)輸將CO2儲存在深海的海洋水或者深海海床上。

化學(xué)封存是指經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)化為一些穩(wěn)定的碳酸鹽，從而達(dá)到永久封存CO2的目的。

2 CCS技術(shù)分析

目前CCS技術(shù)的研究主要有如下幾個(gè)方面:其一針對碳捕捉，主要是從經(jīng)濟(jì)性角度即如何降低碳捕捉的經(jīng)濟(jì)成本，其二針對碳封存，主要是從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)角度即如何降低碳封存所可能帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，其三是通過CCS技術(shù)的示范工程積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.1 碳捕捉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

碳捕捉技術(shù)中的富氧燃燒捕捉技術(shù)由于制氧成本太高使它在經(jīng)濟(jì)上沒有明顯的優(yōu)勢，而無法在實(shí)際應(yīng)用中大規(guī)模推廣使用;燃燒后捕捉技術(shù)也由于設(shè)備投資和運(yùn)行成本較高，在生產(chǎn)實(shí)踐也未大規(guī)模應(yīng)用。雖然碳捕捉的成本相對較高，但是研究表明隨著技術(shù)的不斷成熟，碳捕捉的成本將會大幅降低到人們?nèi)菀捉邮艿乃?。綜上所述，成本問題是碳捕捉技術(shù)工業(yè)化的瓶頸，各國的科研人員針對碳捕捉技術(shù)的研究方向也主要集中在如何降低碳捕捉的經(jīng)濟(jì)成本，下文筆者將介紹幾種降低碳捕捉成本的新技術(shù):

美國加州的克迪科斯公司(Codexis)的研究人員正在研究利用轉(zhuǎn)基因酶降低碳捕捉成本的技術(shù)，碳酸酐酶有助于溶劑甲基二乙醇胺與二氧化碳結(jié)合，但這種酶只能在25℃左右存活，溫度超過55～65℃就馬上失效。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到的轉(zhuǎn)基因碳酸酐酶能在85℃以上的溫度下存活半小時(shí)，這個(gè)特性使其能在燃煤發(fā)電廠的高溫?zé)煷袄锇l(fā)揮作用，提高碳捕捉溶劑吸收效率100倍。

日本JFE工程公司使用了水和一種特殊的有機(jī)化合物，當(dāng)排放的廢氣和水以及這種有機(jī)化合物混合時(shí)，二氧化碳會在室溫和接近常壓的環(huán)境下轉(zhuǎn)化成像果凍一樣的黏稠狀態(tài)。這種固體物質(zhì)隨后被收集，稍微一加熱，二氧化碳又轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，而且水和有機(jī)化合物可以被重復(fù)利用。該工藝每捕捉一噸二氧化碳折合成人民幣需花費(fèi)200元。

美國萊斯大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和電力研究所的科學(xué)家針對400多種礦物吸附劑做研究，發(fā)現(xiàn)通常被用做工業(yè)材料的沸石可以大幅提高碳捕捉技術(shù)的能源效率，他們的分析表明許多種沸石在二氧化碳捕捉方面都比胺溶劑的能源效率高。(沸石是一種主要由硅和氧構(gòu)成的常見礦物，在自然界有40種，人工合成的有160種。沸石內(nèi)部都充滿了氣孔，這些氣孔就像一個(gè)微型反應(yīng)容器，吸收、組合化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)［5］。

美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的科研人員進(jìn)行了多種離子液體的物理特性和二氧化碳吸收機(jī)理研究，結(jié)果表明，在給定的離子液體中，離子液體對二氧化碳具有更好的選擇性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)離子液體具有很高的二氧化碳吸收負(fù)荷和更低的再生熱需求，并且離子液體與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑不同，由于蒸氣壓力低，在脫碳過程中不會產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物，另外離子液體可以反復(fù)多次使用。

2.2 碳封存的風(fēng)險(xiǎn)

科技部部長萬鋼在第三屆“碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇”部長級會議后接受媒體采訪時(shí)曾表示，碳捕捉技術(shù)比較成熟，而碳封存技術(shù)的應(yīng)用前景和安全性等還有待考慮。美國、挪威等國曾將二氧化碳注入已開采過的油氣田，將殘存的油氣擠出來，不僅提高了石油的采收率，也延長了油氣田的使用壽命，然而，正如萬部長所說，碳封存所帶來的風(fēng)險(xiǎn)也不容小視。

二氧化碳地下封存滲漏可引發(fā)兩類風(fēng)險(xiǎn):全球風(fēng)險(xiǎn)，即如果封存構(gòu)造中的部分二氧化碳泄露到大氣中，那么釋放出來的二氧化碳可能引發(fā)顯著的氣候變化。

局部風(fēng)險(xiǎn)，即如果從封存構(gòu)造中泄露二氧化碳，可能會造成二氧化碳和鹽水進(jìn)入蓄水層，影響地下水，給飲用水帶來污染;也可能給人類和生態(tài)系統(tǒng)造成局部災(zāi)害。

二氧化碳海洋封存的風(fēng)險(xiǎn)為:

溶于水中的二氧化碳會使得水中的酸性增加，當(dāng)然也可以采用加入一定的堿性礦物來中和二氧化碳的酸度。但從目前的試驗(yàn)來看，二氧化碳注入海洋短期之內(nèi)會對注入點(diǎn)附近的生物產(chǎn)生一定的影響，而對海洋生態(tài)系統(tǒng)的長期影響還需要進(jìn)一步觀察。另外，二氧化碳注入后在深海的留存時(shí)間、形態(tài)變化、運(yùn)移方向等情況也需要長期監(jiān)控。

二氧化碳化學(xué)封存作為一種新的封存二氧化碳的技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)效益上和減排效率上還存在著諸多不可預(yù)測性。

2.3 CCS技術(shù)的工程實(shí)用舉例

全球第一家經(jīng)改造而配備CCS技術(shù)的發(fā)電廠于2009年5月在法國南部落成。這座電廠位于法國拉克，能源巨頭道達(dá)爾對其中的一個(gè)煤氣鍋爐進(jìn)行了升級。每年有6萬t二氧化碳從這里被運(yùn)送和存儲到其附近一座被廢棄的天然氣田。它是世界上第一條完整的碳捕捉鏈:首先燃燒天然氣，然后分離出燃?xì)庵卸趸?，最后將其深埋地下?/p>

德國空氣化工產(chǎn)品有限公司利用專有的二氧化碳捕捉、純化和壓縮技術(shù)的富氧燃燒碳捕捉技術(shù)，在歐洲的能源公司Vattenfall AB公司位于德國黑泵電廠(SchwarzePumpe)的研發(fā)工廠基礎(chǔ)裝置于2011年投入使用。該裝置在為期3 a的示范運(yùn)行中，空氣產(chǎn)品公司通過開發(fā)出的能夠降低二氧化碳捕捉成本的技術(shù)，側(cè)重于富氧燃燒煙氣中二氧化碳的純化和壓縮過程，同時(shí)通過提高碳捕捉與封存(ccs)技術(shù)的效率，使該技術(shù)在世界各地的環(huán)保市場上具備競爭力。采用空氣產(chǎn)品公司的技術(shù)從富氧燃燒中純化和壓縮二氧化碳，使其純度適用于封存;新型膜技術(shù)，將直接處理Vattenfall公司德國黑泵電廠30 MW的富氧燃燒試驗(yàn)工廠壁掛式鍋爐的煙氣，獲得高達(dá)98%的碳捕捉率;此外，專有的使用分級壓縮工藝的酸壓縮技術(shù)用于優(yōu)化壓縮過程中壓力、保持和停留時(shí)間，從而能夠在其過程中使二氧化碳有效純化和去除其中的氧氣等其他氣體雜質(zhì)，酸壓縮技術(shù)能夠在富氧燃燒流程中節(jié)約成本，最大限度地降低酸性物質(zhì)的濃度，并且可以在二氧化碳封存過程中防止腐蝕。

新疆廣匯新能源公司與美國JOC公司于2011年8月在新疆哈密簽訂了碳捕捉節(jié)能減排項(xiàng)目戰(zhàn)略合作協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，美國JOC公司計(jì)劃投資2億美元，與廣匯新能源公司合作二氧化碳捕捉及相關(guān)鍋爐改造項(xiàng)目。通過對煤在燃燒中排放的二氧化碳進(jìn)行碳捕捉并將其壓縮到枯竭的油田和天然氣領(lǐng)域或者其他安全的地下場所儲存，就能夠大大降低二氧化碳的排放量。新疆廣匯通過此次和美國JOC公司的合作，成為國內(nèi)首家引進(jìn)富氧燃燒技術(shù)及二氧化碳捕捉專利技術(shù)的公司，對煤的燃燒采用富氧燃燒技術(shù)，鍋爐增加富氧，減少二氧化碳的排放，獲得純度更高的二氧化碳?xì)怏w，再回收壓縮為液體。二氧化碳液體作為產(chǎn)品可以出售給石油、食品添加劑等企業(yè)。石油企業(yè)也可將現(xiàn)在的注水、注氣改為注入二氧化碳，不僅可以提高油田的單井石油采收率，還能掩埋二氧化碳，將二氧化碳置換原油而長期儲存于油巖中，實(shí)現(xiàn)石油的綠色開發(fā)。

我國大唐國際發(fā)電股份有限公司和亞洲開發(fā)銀行主辦的《燃?xì)怆姀S碳捕捉與封存研究》項(xiàng)目自2012年8月啟動后，已于2013年10月完成了報(bào)告草稿。該項(xiàng)目以大唐國際北京高井熱電廠燃?xì)鈾C(jī)組煙氣二氧化碳為研究對象，是世界首次在燃?xì)怆姀S開展CCS技術(shù)研究的示范項(xiàng)目。

3 結(jié)論

文中簡要介紹了CCS技術(shù)的提出背景及其技術(shù)內(nèi)涵，并對該技術(shù)的碳捕捉發(fā)展現(xiàn)狀及降低其經(jīng)濟(jì)成本的研究方向，碳封存的風(fēng)險(xiǎn)分析及目前國際國內(nèi)的部分工程實(shí)用等外延方面進(jìn)行了一些論述?？偟膩碚f，CCS技術(shù)的應(yīng)用前景是廣闊的，目前存在的問題也應(yīng)該是暫時(shí)的，我國作為碳排放大國應(yīng)該在該技術(shù)領(lǐng)域深入研究并進(jìn)行相關(guān)工程項(xiàng)目的實(shí)踐。另外，筆者亦借此文發(fā)表一些不成熟的看法:我們不應(yīng)該單單從技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)成本、風(fēng)險(xiǎn)等方面看待CCS技術(shù)，還應(yīng)該站在全球生物圈的高度看待該技術(shù)。全球變暖的原因在于溫室氣體過度排放，人類的工業(yè)文明所帶來的以二氧化碳為主的溫室氣體也必然成為了地球碳循環(huán)的一部分。工業(yè)文明之前地球的碳循環(huán)相對簡單、也長期平衡，簡單地說，植物消費(fèi)二氧化碳，動物生產(chǎn)二氧化碳，二者形成了平衡。工業(yè)文明的出現(xiàn)打破了這個(gè)簡單的平衡，二氧化碳的供給大于了消費(fèi)，所以溫室氣體過度排放導(dǎo)致全球變暖。因此，如何在不影響地球生物圈的生態(tài)的基礎(chǔ)上消費(fèi)多余的二氧化碳溫室氣體是問題的關(guān)鍵，這里需要的不僅僅是科技的運(yùn)用，還應(yīng)該包括政治的智慧、文化的溝通及經(jīng)濟(jì)的手段。過度排放的溫室氣體是人類文明帶來的，相信人類文明也必然能夠找到化解其影響的辦法!

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