二氧化碳捕集與封存技術探討

呼曉昌

（中國海洋石油總公司節(jié)能減排監(jiān)測中心 天津 300452）

1 前言

近年來，溫室效應加劇帶來的一系列環(huán)境問題日益受到人們的關注。而自工業(yè)革命以來化石燃料的大量燃燒是導致大氣中的CO2濃度不斷升高，引起全球氣候變化的最主要原因。時至今日全世界能源消耗體系中，仍有近80%來自煤炭及石油等化石能源。由于短期內新能源的研究難以取得革命性的突破，各種清潔替代能源（例如核能、風能、太陽能等）在一定時期內很難動搖化石能源的統(tǒng)治地位，而人為工業(yè)活動造成CO2大量排放導致的溫室效應加劇問題越來越緊迫，相對其它辦法而言，二氧化碳捕集與封存技術（CO2CaptureandStorage，簡稱CCS）是短期內解決溫室效應問題的一種可靠方法。CCS技術不但可以將化石燃料燃燒產生的大量CO2封存于地下或海底避免進入大氣，甚至可以將CO2“廢物利用”，因此被視為是解決溫室效應問題最佳方法之一。

2 CO2 捕集技術

二氧化碳捕集技術，簡單來說就是將原本排至大氣層的二氧化碳收集起來，以便以后的輸送和封存。根據捕集原理和技術方法的不同，通常將CO2的捕集技術分為四種：燃燒前捕集、富氧燃燒技術、化學鏈燃燒技術以及燃燒后捕集。

2.1 燃燒前捕集

燃燒前捕集是通過采用一定的方法，在燃料燃燒前把化學能從碳中轉移出來，繼而進一步分離碳與氫等攜帶能量的組分，由此實現(xiàn)脫碳的目的。燃燒前分離捕集可簡單認為是采用技術手段分離CO2和H2，該技術目前主要應用于煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。發(fā)電廠的化石燃料燃燒產生富含H2和CO的混合氣體，控制混合氣保持一定的溫度、壓力與蒸汽在催化轉化器內進行一系列化學反應，蒸汽（即氣相H2O）與CO發(fā)生化學反應生成CO2和H2，而后再通過分離裝置將H2從混合氣中分離作為燃料燃燒來推動燃氣輪機及蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。而CO2通過上述一系列反應從混合氣體中分離出來，并進一步被捕獲和儲存。

2.2 富氧燃燒技術

富氧燃燒技術是首先通過空分裝置將燃燒空氣分為氮氣和較高純度氧氣，然后用高純度氧氣代替空氣與燃料一起在特定的加熱爐內燃燒，生成煙氣的主要成分是氣體水蒸氣和CO2。通常情況下需進一步將燃燒后的煙氣重新回注燃燒爐，這樣即可降低燃料燃燒溫度，又可以進一步提高煙氣中的CO2體積分數。煙氣中CO2的含量大幅度提高，可明顯減少捕集CO2的能源消耗，但相對而言必須采用專門的燃燒技術、燃燒設備以及燃燒空氣分離系統(tǒng)，這會加大燃燒系統(tǒng)的投資成本。

2.3 化學鏈燃燒技術

化學鏈燃燒技術是依據燃燒化學原理，用金屬氧化物所攜帶的氧來代替空氣中的氧與燃料進行燃燒化學反應，在還原反應器和氧化反應器中，金屬氧化物作為載氧體不斷循環(huán)重復利用。在氧化反應器中燃料與金屬氧化物中的氧進行化學反應，其反應過程及結果與燃料在空氣中燃燒相同；而在還原器中金屬與空氣中的氧反應生成氧化物。氧化反應器的反應產物主要是氣相H2O和CO2，通過冷卻裝置將氣相H2O凝結為液態(tài)從而實現(xiàn)CO2的分離。目前該技術仍處于實驗室研究階段，工藝成熟性及工業(yè)適用性有待進一步提高。

2.4 燃燒后捕集

燃燒后捕集是采取技術方法從燃料燃燒排放的煙氣中分離CO2，常用的分離方法有物理吸收法、化學吸收法、吸附法和膜分離等。目前應用最廣的方法為胺吸收法，其基本原理是富含CO2的煙氣首先經過經預處理脫雜質，然后在吸收塔內CO2與吸收劑中的胺發(fā)生化學反應生成富含CO2的化合物，再將吸收劑送入再生塔進行加熱，富含CO2的化合物分解，高純度的CO2從再生塔頂逸出被收集，吸收劑從塔底采出送入吸收塔循環(huán)利用。

3 CO2 運輸技術

通過上述一系列手段捕集高純度的CO2后，需要運輸到CO2封存地點進行封存處理。一般可采用管道運輸、汽車火車運輸或輪船運輸至封存地點，被輸送的CO2可以是氣態(tài)，也可以是液態(tài)或固態(tài)。不管采取哪種方法運輸CO2，都必須充分考慮封存地和捕集地之間的距離，以便降低操作費用和設備投資。目前應用最多的是輪船運輸和管道運輸。

通常情況下，CO2封存地和捕集地距離較近，可采用管道運輸的方式；而距離較遠，則采用輪船運輸。如果采取管道壓縮運輸，CO2需被壓縮到11MPa左右，在此壓力能保證環(huán)境溫度下CO2在管道中呈稠態(tài)，這會大幅度縮小運輸管道尺寸而減少設備投資。同時為了減少對運輸管道的腐蝕，需要嚴格限制CO2中的水、氧氣、硫化氫等雜質。若采用輪船運輸，CO2需要被壓縮到0.6MPa左右，同時溫度控制在-50℃以下，在該條件下CO2被壓縮成液體，大大提高了輪船的運輸能力。

4 CO2 封存技術

二氧化碳封存技術就是為了避免CO2進入大氣層，采取一定技術手段將原本排放大氣的CO2捕集起來，然后輸送至地底或海洋深處進行封存。目前常用的CO2封存技術有地質封存和海洋封存。

4.1 地質封存

地質封存主要有以下三種封存方式：

4.1.1 石油和天然氣儲層，包括采空和正在開采的油氣田。利用采空的油氣田封存CO2就是通過注入井，將收集起來的CO2注入其中，該方法操作簡單便捷。利用正在開采的油氣田封存CO2，主要有CO2-EOR（CO2強化采油）和CO2-EGR（CO2強壓氣體回收）兩種技術。CO2-EOR技術是通過向地層注入CO2代替注水來降低原油黏度，從而達到提高原油采出率的目的，該技術目前已廣泛應用，在本文中會進一步詳細介紹。CO2-EGR利用CH4密度小于CO2密度的物理性質，通過向氣田注入CO2來增加氣田壓力，從而提高天然氣產量。

4.1.2 不可開采的煤層。該技術是將CO2注入不可開采的煤層，利用煤層氣密度小于CO2密度的物理性質，在置換開采煤層氣的同時封存大量的CO2。

4.1.3 深鹽沼池構造和深部咸水含水層。國際上已有應用把CO2封存于地下近1km的鹽沼池構造和咸水含水層當中。但是由于我國對該地質層的具體情況和詳細數據并不十分明確，故目前尚不能實施在該地質層封存CO2，有待今后進一步研究。

4.2 海洋封存

海洋是巨大的CO2吸收庫，自工業(yè)革命以來，化石燃料燃燒產生的CO2總計1.3×1012t，海洋表層吸收了5×1011t，而海洋深層CO2濃度遠遠小于表層。雖然海洋具有可觀的封存CO2的能力，但是該技術尚不成熟，也未開展小規(guī)模試點示范，仍然處在實驗室研究階段。

5 CO2—EOR 技術國內外應用現(xiàn)狀

目前，世界上很多油田仍采用注水開發(fā)，而世界大部分國家及地區(qū)水資源嚴重匱乏。采用CO2氣驅強化采油技術（Carbondioxide EnhancedOilRecovery，簡稱CO2-EOR）不僅可以避免向大氣排放大量的CO2加劇溫室效應，還可以“變廢為寶”，用CO2來代替水的消耗來保障原油的采收率。因此，世界各國對CO2-EOR日益重視。

5.1 國外

5.1.1 歐洲

BP石油在蘇格蘭Peterhead地區(qū)建設聯(lián)合循環(huán)燃氣發(fā)電裝置，約2×106m3/d的CO2通過燃燒前捕集技術被捕集，經壓縮機升壓后通過管道注入北海即將衰竭的Miller油田來提高其采油率。通過該項目約1.3×106t/aCO2被注入Miller油田，預計可延長油田壽命15～20a，額外采出原油4000萬桶。殼牌石油公司2006年3月宣布與挪威國家石油公司合作，新建多個發(fā)電廠CO2捕集設施，并在挪威哈爾滕島實施海上CO2-EOR項目。

5.1.2 北美洲

美國是目前實施CO2-EOR項目最多的國家，CO2封存規(guī)模為9×104t/d。美國西方石油公司在Permian盆地通過實施CO2-EOR項目年封存CO2約1.2×1010m3，現(xiàn)年開采原油約1.1×107m3。在美國Permian盆地，SandRidge能源公司與西方石油公司合作正在開展一項大規(guī)模CO2-EOR項目，預計在項目實施后可年增產原油2.9×105m3。

加拿大的Weyburn油田CO2-EOR項目將永久封存CO2約2×107tCO2，同時增產原油2×107m3，這是目前世界上最大的CO2-EOR項目之一。Glencoe資源公司通過在數個采油率為10%～20%的低產油田實施CO2-EOR項目，采油率提高到40%。2013年，加拿大TransAlta電力公司下屬的阿爾伯達燃煤電廠CO2-EOR項目正式運行，項目所捕集CO2數量的8%被注入封存于地下油層以提升油田采出率。

5.2 國內

5.2.1 大慶油田

大慶油田自1985年起在3個油田進行了小規(guī)模CO2-EOR試驗，以提高油田采收率。目前，大慶油田已將CO2-EOR技術納入戰(zhàn)略儲備技術，并且不斷擴大CO2-EOR項目的實施油田區(qū)塊數量和CO2注入規(guī)模。截至2009年初，已有6個采油廠開展了CO2強化驅油項目，累計增產原油近5000m3。此外，根據大慶油田與日本公司合作實施CO2-EOR項目計劃，將進一步新建CO2捕集裝置來輸送哈爾濱部分燃煤電廠排放的CO2送至大慶油田，該項目除增產原油5×103t/d外，還可封存CO2約1.5×108t。

5.2.2 勝利油田

勝利油田自1998年起開展CO2單井吞吐增油研究，三年內實施已有30余口井，共增產原油1.5×104t以上，經濟效益明顯。此外，為了提高部分超稠油藏的采出率，勝利采油院研發(fā)成功以蒸汽吞吐為主、CO2采油為輔的綜合熱力采油新工藝，且在實踐應用中收到良好效果。該項新技術在鄭411-P2井進行試驗，注入CO2約2000t、蒸汽1980t，平均日產油23t，峰值近45t。

5.2.3 吉林油田

吉林油田自上世紀80年代開始進行CO2-EOR試驗，30年來已積累豐富的技術經驗。2002年，吉林油田在新立油田新228區(qū)塊建設2座CO2驅油試驗站，累計封存注入CO2約1500t，增產原油160t，如果扣除原油開采年遞減因素則增產原油5200t。2005年，吉林油田CO2-EOR項目被列入國家973項目。截至目前，吉林油田CO2-EOR項目總共封存CO2近6000t。

6 結語

二氧化碳捕集與封存技術(CCS)是短期內解決二氧化碳超排導致溫室效應加劇的一種有效途徑，其關鍵技術是CO2捕集、運輸和封存。目前制約CCS技術發(fā)展的一個重要原因是地址封存和海洋深處封存CO2的建設和運行成本過高，且沒有經濟效益。而通過CO2-EOR將CO2注入油田，既可以減少CO2排放和水的消耗，又可以提高石油采收率，同時獲得可觀的經濟效益，且已經在實際應用中效果得到了充分肯定，因此CCS技術中最有發(fā)展前景的是CO2-EOR技術，也是我國應該優(yōu)先發(fā)展的技術。

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