二氧化碳輸送與封存方式利弊分析

陳 兵，白世星

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，化石燃料的過度利用導(dǎo)致了CO2排放量日益增加，經(jīng)科學(xué)家的長(zhǎng)期研究，CO2等溫室氣體的過度排放是全球氣候急劇惡化的主要原因[1]。為了改善地球環(huán)境，各國(guó)政府和國(guó)際組織投入了大量的人力、物力和財(cái)力開展CO2減排相關(guān)研究。CO2捕集與封存（CCS）作為一種新興的減排技術(shù)，是將工業(yè)或其他排放源排放的CO2捕集分離后，輸送至特定場(chǎng)地加以封存，以實(shí)現(xiàn)被捕集CO2與大氣的長(zhǎng)期隔離，是目前為止最行之有效的方法[2-4]。CO2輸送是CCS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的中間環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)承擔(dān)著將CO2從捕獲地輸送到封存地的重要任務(wù)，對(duì)整個(gè)CCS技術(shù)的成功運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用[5-7]。CO2封存是CCS技術(shù)的終止環(huán)節(jié)，是將輸送的CO2注入特定場(chǎng)所與大氣長(zhǎng)期隔離，實(shí)現(xiàn)永久封存。本文通過分析CO2不同輸送與封存方式的利弊，為CO2輸送與封存提供理論依據(jù)。

1 CO2輸送方式

CO2的輸送與天然氣的輸送有許多相似之處，可以借鑒天然氣的輸送方式，主要有船舶運(yùn)輸、罐車運(yùn)輸以及管道運(yùn)輸?shù)葞追N運(yùn)輸方式。從技術(shù)層面來講，這幾種運(yùn)輸方式都是可行的，但這幾種輸送方式各有利弊，且適用范圍也不盡相同。

1.1 船舶運(yùn)輸

從目前來看，CO2船舶運(yùn)輸還處于開發(fā)試驗(yàn)階段，世界上只有幾艘小型的船只應(yīng)用于食品加工行業(yè)。CO2運(yùn)輸船舶根據(jù)溫度和壓力參數(shù)的不同可分為三種類型：低溫型、高壓型和半冷藏型。低溫型船舶是在常壓下，通過低溫控制使CO2處于液態(tài)或固態(tài)；高壓型船舶是在常溫下，通過高壓控制使CO2處于液態(tài)；半冷藏型船舶是在壓力與溫度共同作用下使CO2處于液態(tài)。通常情況下，CO2船舶運(yùn)輸主要包括液化、制冷、裝載、運(yùn)輸、卸載和返港等幾個(gè)主要步驟。

在某些情況 （海上封存、驅(qū)油或輸送至海外）下，由于受地域影響，船舶運(yùn)輸就成為了一種最行之有效的運(yùn)輸方法，不僅使運(yùn)輸更加靈活方便，允許不同來源的濃縮CO2以低于管道輸送臨界尺寸的體積運(yùn)輸，而且能夠有效降低運(yùn)送成本。當(dāng)海上運(yùn)送距離超過1000km時(shí)，船舶運(yùn)輸相比于罐車和管道運(yùn)輸更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，輸送成本將下降至0.1元/(t·km)以下[8]。但船舶運(yùn)輸同樣存在許多缺陷：(1)必須安裝中間儲(chǔ)存裝置和液化裝置；(2)在每次裝載之前必須干燥處理儲(chǔ)存艙；(3)船舶返港檢查維修時(shí)，必須清理干凈儲(chǔ)存艙的CO2；(4)地域限制只適合海洋運(yùn)輸。這些安裝與操作將會(huì)增加輸送成本。

1.2 罐車運(yùn)輸

到目前為止，罐車運(yùn)輸CO2技術(shù)相對(duì)比較成熟，且我國(guó)也具備了生產(chǎn)該類罐車和相關(guān)附屬設(shè)備的能力。罐車輸送有公路罐車輸送和鐵路罐車輸送兩種方式，兩者沒有本質(zhì)的區(qū)別，但各自的適用范圍不同。

公路罐車運(yùn)輸主要有干冰塊裝、低溫絕熱容器裝和非絕熱高壓瓶裝三種運(yùn)輸方式[9]。公路運(yùn)輸網(wǎng)比較發(fā)達(dá)，且運(yùn)輸罐車的機(jī)動(dòng)性比較大，隨時(shí)可以調(diào)度、裝運(yùn)，各個(gè)環(huán)節(jié)之間的銜接時(shí)間較短，所以公路輸送具有靈活、適應(yīng)性強(qiáng)和方便可靠等優(yōu)勢(shì)。但公路運(yùn)輸也有其缺陷：(1)一次性運(yùn)輸量小，且運(yùn)輸費(fèi)用高；(2)在運(yùn)輸過程中，受氣密性等條件的影響，CO2不可避免地發(fā)生泄漏，根據(jù)運(yùn)輸時(shí)間和距離的長(zhǎng)短，其泄漏量最高可達(dá)到10%[8]；(3)公路運(yùn)輸安全性較低，且環(huán)境污染比較嚴(yán)重；(4)連續(xù)性差，不適合CCS等大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的CO2公路罐車運(yùn)輸只是應(yīng)用于一些食品加工領(lǐng)域或規(guī)模的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，還沒有用于CCS系統(tǒng)的先例。

鐵路運(yùn)輸相較于公路運(yùn)輸具有運(yùn)輸距離長(zhǎng)、輸送量大的優(yōu)勢(shì)，但鐵路運(yùn)輸同樣具有其自生的劣勢(shì)：(1)同樣具有不連續(xù)性且地域局限性大；(2)鐵路沿線需裝配裝載、卸載和臨時(shí)儲(chǔ)存等設(shè)備，額外增加了輸送費(fèi)用；(3)若現(xiàn)有鐵路不能滿足輸送條件，必要時(shí)還需鋪設(shè)專門鐵路，這樣勢(shì)必會(huì)提高CO2輸送成本。2003年，德國(guó)學(xué)者Odenberger等結(jié)合德國(guó)當(dāng)時(shí)現(xiàn)有鐵路情況估計(jì)，在輸送距離為250km的情況下，年輸送100萬噸CO2，每噸費(fèi)用高達(dá)5.5歐元，介于這些特點(diǎn)，到目前為止，世界范圍內(nèi)還沒有鐵路運(yùn)輸CO2的先例。

1.3 管道運(yùn)輸

目前，管道輸送技術(shù)比較成熟，自1972年Canyon Reef Carriers（CRC）公司第一條 CO2輸送管道建成投產(chǎn)以來，國(guó)外已有40多年的輸送經(jīng)驗(yàn)。表1列舉了國(guó)外部分CO2輸送管道[8]。

表1 國(guó)外部分CO2輸送管道Table 1 Some foreign CO2 pipelines

CO2管道可以輸送液態(tài)、氣態(tài)、超臨界/密相等不同相態(tài)CO2，根據(jù)管道所處地理位置、輸送距離和公眾安全等問題選擇最適合的輸送狀態(tài)。管道運(yùn)輸相較于罐車和船舶運(yùn)輸具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)連續(xù)性強(qiáng)且安全可靠；(2)輸送量大，運(yùn)行成本低；(3)管道基本為埋地管道，占地少，節(jié)約土地資源，且運(yùn)輸不受惡劣多變天氣影響；(4)泄漏量小，環(huán)境污染小。但管道輸送靈活性差，也不能輕易擴(kuò)展管線，有時(shí)必須通過船舶與罐車運(yùn)輸協(xié)助才能完成全部運(yùn)輸；輸送過程中必須控制好壓力和溫度，防止出現(xiàn)相態(tài)變化，從而導(dǎo)致輸送癱瘓；輸送前必須提純CO2純度，避免雜質(zhì)對(duì)管道造成腐蝕破壞。

2 二氧化碳封存

按照封存地或封存形態(tài)的差異，CO2的封存主要包含地質(zhì)封存、海洋封存、礦物碳化封存和用于工業(yè)封存等四種類型[10-12]。目前所采用的封存方式主要是地質(zhì)封存和海洋封存。其中，CO2的地質(zhì)封存主要包含廢棄油氣藏封存、深層咸水層封存和不可開采煤層等。圖1表示CO2主要地質(zhì)封存方式。

圖1 CO2主要地質(zhì)封存方式Fig.1 Major geological sequestration methods of carbon dioxide

2.1 枯竭油氣藏封存

油氣藏經(jīng)過一定時(shí)間的開發(fā)利用之后，在技術(shù)、設(shè)備、經(jīng)濟(jì)等條件的限制下，部分油氣藏不能繼續(xù)開采而廢棄，因此，可以利用該部分廢棄的油氣藏封存CO2。CO2在油氣藏中的封存量主要包括所占油氣藏空間量、與巖石礦物反應(yīng)量以及溶于原油和地層水量等幾部分，即：

式中：M－CO2總封存量，m3；M1-CO2在油氣藏所占空間封存量，m3；M2-CO2與巖石礦物反應(yīng)封存量，m3；M3-CO2溶于原油和地層水封存量，m3。

枯竭的油氣藏是目前為止最現(xiàn)實(shí)且最具操作性的CO2封存地。原因有很多：(1)這些油氣藏經(jīng)過數(shù)年的來發(fā)，其地質(zhì)特征、油氣屬性和化學(xué)特性等特點(diǎn)相對(duì)了解，所以可以直接有效地應(yīng)用于CO2封存；(2)油氣在油氣藏中數(shù)百萬年的封存說明其具有良好的氣密性；(3)安裝在油氣藏上的原有設(shè)備可以封存CO2。然而，利用廢棄油氣藏封存CO2也有其弊端。隨著油氣開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，經(jīng)濟(jì)條件與政策形式的變化，一些廢棄的油氣藏將重新具有開采利用價(jià)值，即這些廢棄油氣藏一旦注入CO2后，重新開采將變得十分困難，甚至根本不能開采，造成石油、天然氣等不可再生能源的浪費(fèi)。

2.2 深層咸水層封存

深層咸水層是指地下深部的沉積巖層，這些巖石的孔隙被層間水或含高濃度溶解礦物質(zhì)的咸水所飽和，其中，這些水不適合農(nóng)業(yè)灌溉和人類飲用[8]。CO2深層咸水層封存主要包括地層構(gòu)造封存，孔隙殘余CO2封存、溶解封存和礦化封存四種封存類型，其中溶解和礦化兩種封存方式穩(wěn)定，但從封存量來看地層構(gòu)造封存和孔隙殘余封存量更大。圖2表示CO2在不同介質(zhì)的被捕獲機(jī)制與注入時(shí)間關(guān)系。

圖2 CO2在不同介質(zhì)的被捕獲機(jī)制與注入時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relation between capture mechanism and injection time of CO2 in different media

深部咸水層規(guī)模大且覆蓋范圍廣，在全球范圍內(nèi)深部咸水層的CO2封存容量占總地質(zhì)封存量的90%以上[13]。據(jù)調(diào)研，我國(guó)具有豐富的深層咸水層存儲(chǔ)空間，且面積分布均勻、厚度深，存儲(chǔ)量大，據(jù)統(tǒng)計(jì)其封存總量占我國(guó)地質(zhì)封存總量的98%以上[14-15]。因此，深層咸水層封存被認(rèn)為是目前為止最具前景的CO2地質(zhì)封存方式。表2列舉了部分地區(qū)深部咸水層CO2封存潛力估計(jì)量。

表2 深部咸水層CO2封存潛力估計(jì)Table 2 Estimation of CO2 sequestration potential in deep salt water layer

然而，就目前的研究進(jìn)展來看，CO2在咸水層中的流動(dòng)溶解狀況、被深部咸水層“固化”能力大小、在地下咸水層中穩(wěn)定封存年限以及可能產(chǎn)生泄漏、污染地下水源等諸多棘手問題仍沒有解決。而且，根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，利用咸水層封存CO2的技術(shù)難度以及周期建設(shè)和投資成本，要遠(yuǎn)高于衰竭油氣藏。目前國(guó)內(nèi)利用咸水層封存CO2才剛剛起步，尚缺乏必要的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。因此，對(duì)CO2咸水層封存過程中各種運(yùn)輸規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

2.3 不可開采煤層封存

不可開采煤層是指由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因而放棄開采的薄煤層、埋藏超過終采線的深部煤層和結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的煤層。煤層具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)（孔隙和劣隙），為CO2的封存提供了天然的場(chǎng)所。通常煤層表面吸附大量的CH4氣體，將CO2注入不可開采煤層的過程中，由于煤層吸附CO2的親和力大約是吸附CH4的兩倍，所以CO2在煤層表面能夠有效替換CH4。不可開采煤層封存法不僅能夠封存CO2，而且能夠大大提高CH4采收率，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。世界范圍內(nèi)已廣泛開展不可開采煤層封存CO2項(xiàng)目提高CH4采收率，如圣胡安盆地新墨西哥州北部的Allison項(xiàng)目。CO2一旦被煤層吸附就不易泄漏，除非煤層中的壓力下降或者溫度升高[16-18]。但是，CO2進(jìn)入煤層氣后發(fā)生溶脹反應(yīng)，導(dǎo)致煤氣層的空隙變小，CO2的注入會(huì)變得越來越難。并且CO2在煤層中的存儲(chǔ)取決于煤層尤其是淺煤層未來的開發(fā)方案。因此，開發(fā)與繼續(xù)儲(chǔ)存的潛力可能會(huì)相互沖突。

2.4 海洋封存

目前，CO2的海洋封存的主要封存方式是通過船舶或管道將捕集到的CO2輸送到深?；蚝５祝纬晒虘B(tài)的CO2水合物或液態(tài)CO2湖，從而達(dá)到CO2與大氣的長(zhǎng)時(shí)間隔絕[19-20]。海洋占地表面積的70%以上，其儲(chǔ)存CO2能力大約是大氣的50倍，陸地生物圈的20倍，是全球最大的天然CO2儲(chǔ)存庫(kù)。

海洋封存的潛力巨大，但同時(shí)也會(huì)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成較大的破壞，如海水表面CO2濃度增大，改變了海洋的化學(xué)特征，表層海水pH值下降等。此外，封存在海水中的CO2遇到溫度和壓力變化、海嘯或地震很有可能從海水中溢出排放到大氣當(dāng)中，造成與CO2封存理念背道而馳的結(jié)果。因此，CO2的海洋封存需要注意CO2上浮溢出和局部海域酸化的問題。雖然海洋封存在理論上潛力最大，但是仍存在一些重要問題和挑戰(zhàn)需進(jìn)一步調(diào)研分析，目前仍處在試驗(yàn)研究階段。

3 結(jié)束語

隨著全球氣候變暖問題日益嚴(yán)重，CO2的捕捉和封存（CCS）技術(shù)具備經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益，已成為了各國(guó)研究的熱點(diǎn)，盡管目前CCS技術(shù)還沒有得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，但發(fā)展非常迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全球開展的CCS項(xiàng)目達(dá)250多項(xiàng)，我國(guó)的CCS項(xiàng)目發(fā)展也非常迅速，目前正在開展的CCS基礎(chǔ)研究與技術(shù)示范重點(diǎn)項(xiàng)目有30多項(xiàng)。

當(dāng)然，作為一種新興的技術(shù)，CCS在技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等方面還存在諸多挑戰(zhàn)。在技術(shù)上，CO2儲(chǔ)量評(píng)估過程中需要考慮如不同時(shí)間段內(nèi)CO2捕捉機(jī)制和遷移過程中不同物理相態(tài)變化等諸多不確定因素；在環(huán)境層面上，由于在技術(shù)上不能完全杜絕CO2發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，因此大眾非常關(guān)心泄漏后帶來水質(zhì)污染生態(tài)破壞等環(huán)境問題，且CO2在注入地質(zhì)的過程中可能引起地震或斷層等活動(dòng)；在經(jīng)濟(jì)層面上，目前實(shí)施的CCS項(xiàng)目表明，還不能達(dá)到環(huán)境優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)效益共贏的目的。因此，筆者希望加快科技創(chuàng)新，積極探索運(yùn)輸與封存CO2的安全性能，早日完善CCS體系，能夠有效緩解CO2帶來的環(huán)境惡化問題。

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