山西省二氧化碳地質(zhì)封存與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究

□趙黎黎

(山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

山西省二氧化碳地質(zhì)封存與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究

□趙黎黎

(山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

加強(qiáng)我省碳減排工作的開(kāi)展，不僅是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的迫切需要，也是我省建立綜改試驗(yàn)區(qū)，走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇。本文分析了二氧化碳排放、捕獲及封存技術(shù)的基本知識(shí)以及對(duì)山西可持續(xù)發(fā)展的重大意義，指出了山西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中二氧化碳地質(zhì)封存存在的問(wèn)題等。

二氧化碳地質(zhì)封存；可持續(xù)發(fā)展；碳減排

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，溫室氣體排放量日益增多，并已逐漸成為國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的問(wèn)題。溫室氣體中最主要的氣體是二氧化碳，為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)的不利影響，全球開(kāi)始掀起全面控制二氧化碳等溫室氣體排放的一系列舉措。據(jù)挪威的奧斯陸國(guó)際氣候與環(huán)境研究中心(CICERO)預(yù)計(jì)，2016年我國(guó)二氧化碳累計(jì)排放量將達(dá)到1464億噸，將超過(guò)美國(guó)的1462億噸，躍居首位。因此為了抑制全球氣候變暖，我國(guó)必須發(fā)揮重要作用，應(yīng)采取積極措施以緩解二氧化碳排放帶來(lái)的溫室效應(yīng)。山西省是我國(guó)產(chǎn)煤大省，也是火力發(fā)電大省，山西省90%的能源消費(fèi)為煤炭資源，而非化石能源僅占能源消費(fèi)總量的約3%，二氧化碳的排放量居全國(guó)之首。因此，積極開(kāi)展二氧化碳捕獲及地質(zhì)封存技術(shù)，建立山西省二氧化碳地質(zhì)封存模型并加以實(shí)際應(yīng)用，可減少山西省二氧化碳排放和減緩溫室效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，低碳發(fā)展是山西實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

1 我國(guó)及我省二氧化碳減排目標(biāo)

由于我國(guó)二氧化碳排放量每年呈上升趨勢(shì)，我國(guó)已于2009年提出了減排目標(biāo)：即與2005年相比，到2020年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放量下降40%-50%。我國(guó)已經(jīng)將該目標(biāo)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃目標(biāo)，并且制定了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)、考核辦法。而我省也于每年制定減排降碳工作目標(biāo)，2014年-2015年，單位GDP二氧化碳排放量逐年下降3.0%以上，到2015年完成累計(jì)下降17%的減碳目標(biāo)。這些都無(wú)疑充分證明了我省為了應(yīng)對(duì)氣候的變化,有效開(kāi)展減排二氧化碳、加快可持續(xù)發(fā)展道路的決心。

2 二氧化碳捕獲與封存技術(shù)

二氧化碳捕獲與封存(簡(jiǎn)稱(chēng)CCS)，是把能源利用以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳通過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng)捕獲、壓縮并封存到一定合適的地層構(gòu)造結(jié)構(gòu)體中，封存住二氧化碳，不造成排放。此技術(shù)具有減緩氣候變化和減排溫室氣體的巨大潛力，對(duì)我省走可持續(xù)發(fā)展道路，對(duì)于我省資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)建設(shè)具有重要意義。據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，目前發(fā)電行業(yè)的二氧化碳排放量占總量的40%，二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)可以將發(fā)電行業(yè)二氧化碳的排放量減少20%到40%。另外，如果把二氧化碳的注入封存和開(kāi)采油氣、煤層氣相結(jié)合，將提高油氣采收率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

地質(zhì)封存是直接將二氧化碳注入地下的地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)中，如油田、天然氣儲(chǔ)層、含鹽地層和不可采煤層等都適合二氧化碳的封存。把二氧化碳注入油田或氣田用以驅(qū)油或驅(qū)氣可以提高采收率；注入無(wú)法開(kāi)采的煤礦，因其可吸附于煤層表面，可以把煤層中的煤層氣驅(qū)出來(lái)，提高煤層氣采出率。

3 我國(guó)與世界各國(guó)二氧化碳封存技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 挪威Sleipner項(xiàng)目

由挪威國(guó)家石油公司在1996年開(kāi)展的Sleipner項(xiàng)目，是世界上第一個(gè)將二氧化碳封存在地下咸水深層的案例，該項(xiàng)目每年封存100萬(wàn)噸二氧化碳。

3.2 德國(guó)黑泵電廠項(xiàng)目

由瑞典瀑布電力公司于2008年在德國(guó)東北部的施普倫貝格動(dòng)工建設(shè)開(kāi)展的黑泵電廠項(xiàng)目，這是世界上首個(gè)能捕集和封存自身所產(chǎn)生的二氧化碳的燃煤電廠。

3.3 中英煤炭利用近零排放合作項(xiàng)目

中英煤炭利用近零排放合作項(xiàng)目以及中英煤炭利用近零排放項(xiàng)目，旨在減少二氧化碳排放。

3.4 二氧化碳封存至地下咸水層項(xiàng)目

我國(guó)在2012年第一次開(kāi)展的將二氧化碳封存至地下咸水層項(xiàng)目，已累計(jì)封存二氧化碳4萬(wàn)多噸，在碳捕獲與封存技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展。此項(xiàng)封存技術(shù)有望成為全世界減少碳排放份額最大的單項(xiàng)技術(shù)，將為中國(guó)在清潔利用煤炭資源和溫室氣體減排以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)走可持續(xù)發(fā)展方面做出更多貢獻(xiàn)。

4 山西省二氧化碳排放、捕獲及地質(zhì)封存研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

4.1 山西省煤炭及煤層氣資源存儲(chǔ)量現(xiàn)狀

山西省是煤炭資源大省，也是煤層氣資源大省。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，山西煤層氣資源儲(chǔ)量約10.39萬(wàn)億立方米，占到了全國(guó)總量的近三分之一。而我省多數(shù)煤田的煤層滲透率極低，特別是高變質(zhì)的無(wú)煙煤，雖然含氣量極高，但由于煤層的滲透率特低，難以得到較好的開(kāi)發(fā)利用。采用向深煤層注入二氧化碳，不僅可以提高煤層的有效滲透率，促進(jìn)煤層氣的解吸，又可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的封存，產(chǎn)生社會(huì)效益的同時(shí)可以生產(chǎn)比煤炭更清潔的能源煤層氣甲烷，對(duì)山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生積極的影響。

4.2 山西省碳排放現(xiàn)狀

我省主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)是煤炭工業(yè)、火力發(fā)電工業(yè)和煉鋼工業(yè)等高耗能工業(yè)，因此，煙塵、粉塵和固體氣體廢物的排放尤其嚴(yán)重。據(jù)研究表明，1991年至2011年，全國(guó)和山西省碳排放量的總趨勢(shì)是增長(zhǎng)的，山西省碳排放量占全國(guó)的比重是GDP占全國(guó)比重的2倍。尤其是2009年，山西省碳排放量高達(dá)8633.52×10^4/t。為減少二氧化碳排放量，提高能源利用率，就必須加快掌握二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)并加以利用，從而緩解由于工業(yè)環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)問(wèn)題，達(dá)到由資源省份模式到資源集約利用省份，走可持續(xù)發(fā)展的必然之路。

4.3 山西省二氧化碳捕獲技術(shù)研究現(xiàn)狀

碳捕獲就是捕捉釋放到大氣中的二氧化碳，壓縮之后，壓回到枯竭的油田和天然氣領(lǐng)域或者其他安全的地下場(chǎng)所。我省目前采取兩種方式提高碳捕獲能力：

對(duì)活性炭小球的物理性質(zhì)如比表面積、孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，來(lái)增強(qiáng)其對(duì)二氧化碳的捕獲能力。所采用的方法是對(duì)所制備的樹(shù)脂球在進(jìn)行炭化活化前先進(jìn)行空氣氧化處理，這樣可將樹(shù)脂球的堅(jiān)硬外殼予以一定程度的造孔，利于后續(xù)活化劑如水蒸氣順利進(jìn)入小球內(nèi)部進(jìn)行活化，從而制得比表面積高、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的活性炭球。

對(duì)活性炭球進(jìn)行富氮處理。通過(guò)改用含有氨水的活化劑來(lái)代替純粹的水蒸氣可將氮元素接到活性炭球的骨架上，氮含量從直接水蒸氣活化制得的活性炭球的0.00%增加到氨水活化制得的活性炭球的0.46%。由此對(duì)二氧化碳捕獲量也從3.71wt%增加到9.01wt%。

4.4 山西省二氧化碳封存地點(diǎn)現(xiàn)狀

儲(chǔ)存地點(diǎn)的正確選擇和評(píng)估對(duì)于確保被封存的二氧化碳長(zhǎng)期留存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要。從資源分布來(lái)看，我省有著埋藏淺的煤層氣資源，有約占總資源量的68%埋藏在1500米以?xún)?nèi)的淺層區(qū)域資源量;沁水、河?xùn)|兩大煤田的煤層氣資源占到總資源量的97%，分布比較集中。其中，沁水煤田為中生代末形成的構(gòu)造盆地，盆地最深處奧陶紀(jì)頂面深約2500米。其中有約3000億噸的煤炭資源存儲(chǔ)量，于1989年已有860億噸煤炭?jī)?chǔ)量被探明，占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量9.58%。而那些尚未探明的預(yù)測(cè)煤炭資源中，很大一部分屬可靠級(jí)，且大部分埋藏小于1000米。沁水煤田地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，煤層傾角平緩，斷層少，具備良好的煤炭資源及煤層氣資源開(kāi)發(fā)及二氧化碳地質(zhì)封存地質(zhì)條件。

4.5 我省開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存存在的問(wèn)題

4.5.1 經(jīng)費(fèi)問(wèn)題

對(duì)于分離提純、運(yùn)輸和封存這些工業(yè)排放的二氧化碳皆是一筆很大的費(fèi)用。由于發(fā)電廠等工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的煙道氣中只含有少量的二氧化碳?xì)怏w，與壓縮的煙道氣相比，處理純的二氧化碳所需的貯存空間大約只有煙道氣的1/ 50 ，而地下貯存空間是非常有限的，因此只有把二氧化碳從煙氣里提取出來(lái)，提高二氧化碳的純度后，才能充分有效地對(duì)它進(jìn)行地下處置。目前的二氧化碳捕集技術(shù)成本昂貴且效率低，據(jù)估算，二氧化碳的捕集成本占二氧化碳儲(chǔ)存成本的2/3以上，因此二氧化碳捕集成本問(wèn)題是二氧化碳地質(zhì)封存商業(yè)化的主要障礙。

4.5.2 安全問(wèn)題

深層封存二氧化碳雖然封存了二氧化碳，一般情況下不會(huì)逸出來(lái)，但是二氧化碳地質(zhì)封存仍有可能對(duì)人類(lèi)和環(huán)境造成較大的影響，因此存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。例如在運(yùn)輸和注入二氧化碳的過(guò)程中存在泄漏問(wèn)題，或者選址不恰當(dāng),有可能會(huì)引發(fā)二氧化碳的泄漏。封存過(guò)程中二氧化碳的泄漏也有可能會(huì)導(dǎo)致其進(jìn)入飲用地下水的補(bǔ)給層,從而降低地下水PH值，導(dǎo)致微量元素含量濃度增大從而影響水質(zhì)。另外, 二氧化碳的泄漏也可能引起重金屬污染物由礦體進(jìn)入附近的飲用地下水補(bǔ)給層中,從而造成地下水水質(zhì)的破壞。再有，由于封存了大量二氧化碳，地質(zhì)結(jié)構(gòu)將會(huì)受到改變，儲(chǔ)氣層中或附近高的孔洞壓力可以誘發(fā)微小的地震,甚至發(fā)生破壞性地震。最后，二氧化碳注入后，與油或其他氣體共存于一個(gè)存儲(chǔ)層，由于構(gòu)造壓力的減小或增大均會(huì)誘發(fā)斷裂,導(dǎo)致地表向上抬升或向下錯(cuò)斷。

4.5.3 技術(shù)問(wèn)題

根據(jù)我省煤田的實(shí)際情況，以長(zhǎng)期封存二氧化碳為目標(biāo)，研究目標(biāo)儲(chǔ)層和蓋層性質(zhì)及其可變性及相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題，是開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存工作需研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。其主要問(wèn)題包括：建立二氧化碳地質(zhì)封存適合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。為進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)封存，須有幾個(gè)要求：有穩(wěn)定的地質(zhì)機(jī)構(gòu)，火山、地震以及地面山體斷裂均不易發(fā)生，并且存儲(chǔ)氣體的密實(shí)程度比較高，不易泄漏；具有較高的儲(chǔ)層孔隙度和滲透率；二氧化碳在800米以下的儲(chǔ)層深度，以及儲(chǔ)層壓力超過(guò)二氧化碳的臨界值(31℃， 7. 4MPa) 的條件下進(jìn)行壓縮，可達(dá)到所需較高的密度;地質(zhì)結(jié)構(gòu)最上面要有不透氣蓋層。最后，運(yùn)輸二氧化碳到達(dá)封存地點(diǎn)也是開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)課題的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

5 二氧化碳地質(zhì)封存對(duì)山西省可持續(xù)發(fā)展的意義

5.1 開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存有助于驅(qū)替煤層氣

二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)中的驅(qū)替采油、采汽或采集煤層氣技術(shù)，這些不僅可以封存二氧化碳，減少二氧化碳的排放量，又都能促進(jìn)提高剩余油、汽資源的開(kāi)發(fā)及利用。這些技術(shù)既能增加我省石油或煤層氣的開(kāi)采量，延長(zhǎng)這些非可再生資源的使用率，又能為開(kāi)發(fā)新能源新技術(shù)提供時(shí)間和空間，促進(jìn)我省可持續(xù)發(fā)展道路。

5.2 開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存有利于減緩氣候變暖

開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存，有利于緩解氣候變暖，適當(dāng)改善我省境內(nèi)小氣候環(huán)境，也可以對(duì)一些極端惡劣天氣的出現(xiàn)起到積極遏制作用，緩解因降水量不均勻引起的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害、植物動(dòng)物種類(lèi)的滅絕等生態(tài)現(xiàn)象，從而有利于我省開(kāi)展可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)居住環(huán)境。

5.3 開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存有助于與世界接軌

全球?qū)τ跍p排二氧化碳問(wèn)題都積極推行有效的舉措，我省開(kāi)展二氧化碳地質(zhì)封存，也是與世界接軌，避免因氣候變化、環(huán)境以及自然環(huán)境災(zāi)害造成的人道主義危機(jī)，從而有利于維護(hù)世界和平和本地區(qū)的穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)而為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及社會(huì)進(jìn)步提供穩(wěn)定的國(guó)際環(huán)境。

減排二氧化碳排放量的問(wèn)題是一個(gè)亟待解決的全球性問(wèn)題，必須借助全球力量，通過(guò)共同協(xié)作的方式加以解決。我省多數(shù)煤田的煤層滲透率極低，特別是高變質(zhì)的無(wú)煙煤，雖然含氣量極高，但由于煤層的滲透率特低，難以得到較好的開(kāi)發(fā)利用。采用向深煤層注入二氧化碳，不僅可以提高煤層的有效滲透率，促進(jìn)煤層氣的解吸，又可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的封存，產(chǎn)生社會(huì)效益的同時(shí)可以生產(chǎn)比煤炭更清潔的能源煤層氣甲烷，對(duì)山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生積極的影響。

[1] 臧雅瓊，高振記，鐘 偉.CO2地質(zhì)封存國(guó)內(nèi)外研究概況與應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2012(6).

[2] 李義曼,龐忠和,李 捷,孔彥龍.二氧化碳咸水層封存和利用[J].科技導(dǎo)報(bào),2012(19).

[3] 劉延鋒,李小春,白 冰.中國(guó)CO2煤層儲(chǔ)存容量初步評(píng)價(jià)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(16).

[責(zé)任編輯：王文俐]

2016-06-06

山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目“山西省二氧化碳地質(zhì)封存地點(diǎn)調(diào)查與研究”( 2009-100)

趙黎黎(1980-)，女，山西大同人，碩士，現(xiàn)工作于山西省分析科學(xué)研究院，助理研究員，研究方向：環(huán)境經(jīng)濟(jì)。

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1008-9101(2016)04-0055-03