CO2捕集封存技術(shù)的應用與安全發(fā)展研究

＊張 帥

（陜西警官職業(yè)學院 陜西 710054）

引言

CCS作為碳減排技術(shù)之一，具有高效的減排能力，可降低70%～82%的碳排放量，主要優(yōu)點是減排潛力大、可促進煤等化石能源的清潔利用，同時CCS可應用于電力、能源（例如天然氣開采、制氫）以及減排難度較大的制造業(yè)（例如水泥、化工、鋼鐵）等行業(yè)的減排。對于中國實現(xiàn)碳中和目標具有重要意義：（1）化石能源實現(xiàn)低碳化利用的重要技術(shù)途徑是CCS。（2）CCS可彌補一些傳統(tǒng)碳減排手段帶來的負面作用，例如助力電力行業(yè)保持靈活性。（3）當前技術(shù)情形下，鋼鐵、水泥等行業(yè)凈零排放離不開CCS技術(shù)。（4）負碳技術(shù)是部分工業(yè)過程以及難減排行業(yè)的重要減排路徑之一。（5）CCS是制備低碳氫氣的有效途徑。所以CO2捕集封存技術(shù)被政府、企業(yè)以及科研機構(gòu)視為未來實現(xiàn)低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引起了國際社會的研究興趣。

1.CO2的排放現(xiàn)狀及減排目標

目前，我國CO2排放量達到100億噸左右，大約占全球的四分之一，年度人均排放已經(jīng)超過全球人均水平。我國目前的人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）剛超過1萬美元大關(guān)，從現(xiàn)在到2060年碳中和，人均能源消耗的繼續(xù)增長是不可避免的，而與西方國家相比，我國要將碳中和的時間由70年壓縮到30年左右，難度較大。

我國目前的一次能源消費總量約為每年50億噸標準煤，其中煤炭、石油、天然氣的占比分別為57.7%、18.9%、8.1%，非碳能源的占比僅為15.3%。100億噸CO2的排放，發(fā)電（供熱）占比45%，建筑占比5%，交通占比10%，工業(yè)占比39%，農(nóng)業(yè)占比1%。發(fā)電（供熱）的主要終端消費者為工業(yè)（64.6%）和建筑（28%）。從以上數(shù)據(jù)可以看出，CO2的終端排放源主要為工業(yè)（約占68.1%）、建筑（約占17.6%）和交通（約占10.2%）。因此，實現(xiàn)碳中和工作的著力點也應該集中在這些領(lǐng)域。而CCS技術(shù)的出現(xiàn)，可以有效地減少碳排放。

2.CO2捕集封存技術(shù)方法分析

CO2捕集封存技術(shù)是指利用技術(shù)手段先將CO2從工業(yè)或者其它能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的排放源中分離出來，再選擇合適的輸送技術(shù)將分離的CO2輸送到封存地點，并使其能夠長期與大氣隔絕。因此，一套完整的CCS技術(shù)包括了：CO2的捕集、CO2的運輸、CO2的封存3個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)中有多種方法可供選擇，也就形成了多種技術(shù)互相組合的獨特CCS系統(tǒng)。

(1)CO2的捕集

CCS技術(shù)中的CO2捕集環(huán)節(jié)是將CO2從排放源的煙氣中捕獲回來，并將氣態(tài)的CO2轉(zhuǎn)化為CO2的高壓濃縮液，避免讓CO2排入大氣，是CCS技術(shù)的基本環(huán)節(jié)。目前，人們通常將CO2捕集系統(tǒng)按照捕集系統(tǒng)的技術(shù)基礎和適用性劃分為以下4種：燃燒后脫碳（Post-combustion）、燃燒前脫碳（Pre-combustion）、富氧燃燒技術(shù)（Oxyfuel）以及化學鏈燃燒技術(shù)（CLC）。但是針對燃煤電廠排放的CO2捕獲分離系統(tǒng)主要是前三種，也是研究相對較多、相對更成熟的三種技術(shù)（如圖1所示）。

①燃燒后捕集

燃燒后捕碳技術(shù)（PPC）就是在燃燒設備（鍋爐或燃機）后的煙氣中捕獲或者分離CO2。這種技術(shù)是目前最能夠適應燃煤和燃氣機組巨大安裝容量的技術(shù)。一般包括吸附分離法、膜分離法和吸收分離法，其中吸收分離法又可分為物理和化學兩種方法。近年來，還研究開發(fā)出了許多新方法如電化學法、酶法、光生物合成法、催化劑法等。但是目前比較常用的是化學吸收分離法。

②燃燒前捕集

其主要反應過程如下：首先將一次燃料在一個有蒸汽和空氣或蒸汽和氧氣的反應器中處理，產(chǎn)生的主要成分為一氧化碳和氫的混合氣（“合成”氣）；然后在第二個反應器內(nèi)（“變換反應器”）將第一次的反應產(chǎn)物一氧化碳和蒸汽再進行反應，生成氫和CO2。最后可以從由氫和CO2組成的混合氣體中分離出一個CO2氣流和一個氫流。如果將CO2進行封存，則剩下的氫流就成為無碳能源載體，可用來燃燒發(fā)電。

③富氧燃燒捕集

富氧燃燒技術(shù)是指將空氣系統(tǒng)中獲得的純氧或富氧與燃料一同送入純氧燃燒爐中進行燃燒，產(chǎn)生的煙道氣體主要為水氣和高濃度的CO2，并且CO2煙氣循環(huán)流是控制這個系統(tǒng)燃燒溫度的主要因素。富氧燃燒技術(shù)適用于新機組，也適用于一些改造機組中，在機組的后端都采用水分離技術(shù)對煙道氣體進行處理，可以比較容易地捕獲到CO2。

(2)CO2運輸

目前，CO2的運輸方式主要有管道、輪船和罐裝運輸三種方式，這三種CO2的運輸方式適合不同的運輸場合和條件，選擇運輸方式時需要考慮系統(tǒng)的具體條件、要求輸送量等因素。其中，管道運輸是一種比較成熟的技術(shù)，也是運輸二氧化碳最常用的方法，一次性投資較大，適合大容量、長距離、負荷穩(wěn)定的定向輸送。罐裝運輸主要通過鐵路或公路進行運輸，僅適合中短距離、小容量的運輸，其運輸方式相對靈活，但大規(guī)模使用不具有經(jīng)濟性。輸送大量CO2最經(jīng)濟的方法是通過管道運輸。

(3)CO2封存

地球上大部分的碳能源都儲存在地層中，比如煤、石油、煤層氣、石灰石和白云石等。所以碳封存技術(shù)就是把捕集到的CO2安全的儲存到地球的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，從而能使得大氣中的CO2含量得到有效降低。目前的CO2儲存技術(shù)包括海洋儲存、地質(zhì)儲存和生物儲存，如表1所示。

表1 封存方法比較

3.構(gòu)建燃煤電廠與煤礦之間的CCS系統(tǒng)

結(jié)合CCS技術(shù)不同環(huán)節(jié)各種方法的優(yōu)缺點，選取能普遍適用于目前大多數(shù)燃煤電廠的CCS技術(shù)方法，并將其應用于燃煤電廠與煤礦組合的系統(tǒng)之中，如圖2所示。其目的在于：可以有效的將燃煤電廠釋放的大量CO2收集起來，并經(jīng)過捕集過程中的方法處理之后，使其轉(zhuǎn)化成高純度的液態(tài)CO2，再將液態(tài)CO2輸送到煤礦，對其封存或利用。

針對燃煤電廠與煤礦系統(tǒng)，可以確定出一套最優(yōu)的方案：首先，采用燃燒后捕獲的方式對燃煤電廠排放的尾氣進行收集，其中CO2捕集環(huán)節(jié)使用化學吸收的方法，此種方式捕集效果最好，能得到高純度的CO2，并且對原燃煤電廠的改造較少，適應性較強。

其次，針對選擇燃煤電廠與煤礦之間CO2輸送方式的問題，考慮到燃煤電廠供應CO2的量大，所以可以盡量選擇距離相對較近的煤礦進行輸送，使用技術(shù)比較成熟的管道輸送方式對燃煤電廠與煤礦之間CO2轉(zhuǎn)運。最后，將大量的液態(tài)CO2運送到煤礦之后，可以選擇利用與封存兩種方式處理。就封存方式而言，液態(tài)CO2具有很好的冷卻效果，并且其本身就是一種惰性氣體，所以可以將液態(tài)CO2輸送至已開采完畢的礦井或采空區(qū)，一方面可以阻止采空區(qū)復燃，起到降溫防滅火的效果。第二方面就是在對采空區(qū)進行密封時，同時也就完成了對CO2的地質(zhì)封存。將CO2輸送至煤礦后，CO2的利用也是相當廣泛的，比如：CO2可以作為礦井的防滅火材料；CO2可以驅(qū)替煤層瓦斯，減少礦井瓦斯危害；CO2還可以用于壓裂增產(chǎn)。

根據(jù)國際能源署估算，CCS系統(tǒng)中CO2捕捉每噸20～100美元，運輸每噸5～25美元，封存每噸2～15美元。成本昂貴，還沒有實現(xiàn)成熟的商業(yè)模式?；谔贾泻驼吣繕?，搭建燃煤電廠和煤礦之間的CCS系統(tǒng)的道路還比較漫長。

4.結(jié)論

我國正處在減少CO2排放和提高煤化工快速發(fā)展的重要時期，我們迫切需要應用CCS技術(shù)來減少大氣CO2含量，防止溫室效應加劇，同時提高化石燃料的使用效率，使我國工業(yè)、經(jīng)濟、能源達到動態(tài)穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。

通過對比分析，可以得出捕集封存環(huán)節(jié)中各個方法的優(yōu)缺點及適用范圍，有利于形成適用性優(yōu)良的CCS系統(tǒng)，實現(xiàn)大氣CO2的有效降低。同時，本次研究形成了適用于燃煤電廠與煤礦之間的CCS系統(tǒng)，明確各技術(shù)環(huán)節(jié)的具體方法。采用燃燒后捕集化學吸收的方式，在減少對目前燃煤電廠改造的基礎上，實現(xiàn)對CO2的最高程度的收集。再將收集得到的高濃度CO2壓縮液通過管道輸送的方式運輸至煤礦，煤礦在接收到大量的CO2后，不僅可以加以利用，也可以將其封存于采空區(qū)或廢氣礦井，這種方式不但可以處理掉大量CO2氣體，減少溫室氣體排放于大氣中，而且還有利于煤礦降低危害，實現(xiàn)增產(chǎn)。