二氧化碳捕获技术的研究及实践

第25卷󰀁第3期2010年3月地球科学进展ADVANCESINEARTHSCIENCEVo.l25󰀁No.3Mar.,2010文章编号:1001󰀁8166(2010)03󰀁0335󰀁06二氧化碳捕获与封存的主要技术环节与问题分析张鸿翔1,李小春2,魏󰀁宁2(1.中国科学院资源环境科学与技术局,北京󰀁100864;2中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北󰀁武汉󰀁430071)摘󰀁要:减少CO2的排放是国际社会当前迫切需要解决的问题,CO2捕获与地质封存技术由于其巨大的减排潜力和经济性近年来引起科学界和政治界的广泛关注。对该技术的主要技术环节和问题进行了分析,并对中国背景下的CO2捕获与地质封存技术的主要问题进行了探讨。关󰀁键󰀁词:二氧化碳;捕获与封存、技术环节中图分类号:TE321󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁针对日益加剧的全球变暖问题,各国政府采用了一系列减缓全球变暖的方案,包括提高能源效率、向低含碳量燃料转变、开发核能、采用太阳能风能潮汐能等可再生能源、增加生物汇等。但由于占人类二氧化碳(CO2)总排放量3/4的化石燃料在相当长的时期依然是各国(特别是发展中国家)采取的首选燃料,它不可替代的位置至少要持续到21世纪的中叶。尽管CO2排放导致全球温度变暖的效应众说纷纭,导致的温度升高幅度也众口说辞,但毫无疑问,尽可能地减少CO2排放是国际社会当前迫切需要解决的问题。CO2捕获与封存技术由于其巨大的减排潜力和经济性近年来引起科学界和政治界的广泛关注。以稳定CO2浓度在450󰀁10-6~750󰀁10-6之间的情景来分析,经济的CO2地质封存量大约在2200~22000亿,t2100年以前,该技术对CO2减排的贡献度约为15%~55%[1]。1󰀁CO2捕获与封存概况󰀁CO2捕获和封存󰀁英文为󰀁CarbonDioxideCap󰀁tureandStorage,CCS󰀁,指在CO2排放之前将其捕获,并运送储放在合适地点的技术体系。CCS减排技术实施的潜力取决于相对其他减排措施的成本。提高能源利用率实现CO2减排存在技术上的极限,并将额外付出一定的经济成本;减排措施在设备制造、安装、运行过程中存在能源消耗,风能、太阳能、生物质能、低碳能源等减排措施的减排效果并不如预期的有效;而CCS具有减少整体减排成本以及增加实现温室气体减排灵活性的潜力,同时容许化石能源的继续使用,其优点显著,CCS在减排技术体系中的作用在21世纪内将会大幅度上升。但CCS的广泛应用取决于技术成熟性、成本核算、技术普及和转让、法律法规、环境评估和公众反应等诸多因素。目前已商业化的CCS项目有3个,分别是󰀁挪威国营石油和天然气公司Statoil的Sleipner深部盐水含水层封存项目󰀁,该项目将采集到的CO2注入海底以下约800m深处的含盐水岩层中,1996年10月启动,日注入量大约为2700,t由于当时挪威已开始征收碳素税,而该公司在北海的天然气田生产的天然气中含有9%的CO2,为免交碳素税,该公司选择了含水层封存,这是世界上第一次商业规模的含水层封存工程,近6年的工程实践表明,封存成本与碳素税额基本持平,证明了含水层封存的经济性[2];美国北达科他州气化公司󰀁WeyburnCO2强化采油项目󰀁,该公司生产甲烷的副产品是CO2,通过󰀁󰀁收稿日期:2009󰀁09󰀁04;修回日期:2010󰀁01󰀁18.󰀁作者简介:张鸿翔(1972󰀁),男,河北高碑店人,研究员,博士,主要从事地幔地球化学和环境地球化学的工作.E󰀁mai:lhxzhang@管道运输用于在加拿大Weyburn油田注入地层帮助开采石油,从2000年项目启用至今,没有任何迹象表明有CO2渗漏到地表或近地表环境;阿尔及利亚󰀁InSalah天然气项目󰀁,InSalah的Krechba气田有一些气藏所生产的天然气伴生大量的CO2(最多10%),CO2通过3个深井被注入1800m以下的砂岩储层中[2]。日本的研究基本与欧洲及北美国家同步,受挪威Sleipner工程成功的鼓舞,日本新能源技术综合开发机构启动了󰀁CO2含水层封存技术研究开发计划󰀁(2000󰀁2005年),到2005年项目结束时,在新泻县长岗市向1200m深的地下注入2万tCO2,用地震波层析技术对注入地中的CO2进行了监测,证实了CO2被封闭在地层中。更有意义的是,即使在2004年10月23日的新泻地震(里氏6.8级,震源距封存场地只有13km)中,也未发现泄漏迹象[2]。目前各国正在开展的大型CCS研发项目见表1。表1󰀁各国进行的大型CCS研发项目[1]Table1󰀁Internationallarge󰀁scaleCCSprojects项目名称国家项目规模开始时间封存方式Sleipner挪威商业1996含水层Weyburn加拿大商业2000.5CO2驱油Minami-Nagoaka日本示范试验2002含水层Yubari日本示范试验2004CO2驱煤层气InSalah阿尔及利亚商业2004枯竭天然气田Frio美国先导试验2004咸水含水层K12B荷兰示范试验2004CO2增强气体开采FennBigValley加拿大先导试验1998CO2驱煤层气Recopol波兰先导试验2003CO2驱煤层气QinshuiBasin中国先导试验2003CO2驱煤层气SaltCreek美国商业2004CO2驱油Snohvit挪威商业2006咸水含水层Gorgon澳大利亚商业2009咸水含水层Ketzin德国示范试验2006咸水含水层Otway澳大利亚先导试验2005咸水含水层和枯竭天然气田TeapotDome美国示范试验2006咸水含水层和CO2驱油CSEMP加拿大先导试验2005CO2驱煤层气Pembina加拿大先导试验2005CO2驱油󰀁󰀁未来随着CCS技术的研究、发展以及规模效应,CCS的成本将会显著降低。如新颖的CO2捕获技术具有更低的CO2捕获成本,新建排放源与封存场地地理匹配良好将显著降低CO2运输成本,煤气化、燃烧前捕获、废弃气体联合地质封存等新技术可显著提高CCS系统的经济性和环境效益。综上所述,CCS技术将对CO2减排贡献巨大,并将对CO2减排产生深远影响。2󰀁CO2捕获与封存的主要技术环节2.1󰀁捕获这个过程只适合大型静止的CO2排放󰀁点源󰀁,包括大型化石燃料或生物能源设施、天然气生产、合成燃料工厂以及基于化石燃料的制氢工厂等,这些大型排放源约占全球化石燃料CO2排放量的60%。在生产过程中,CO2首先必须与燃烧或加工产生的其他气体分离,然后通过压缩和净化使之易于运输和封存。目前的捕获系统有3种。燃烧后捕获系统:从烟道气体中分离CO2,这些系统通常使用液态溶剂进行捕获,例如现代粉煤电厂或天然气复合循环(NGCC)电厂所使用的液态溶剂单乙醇胺(MEA)。(1)燃烧前捕获系统:用蒸汽和空气或氧气处理初级燃料,产生的CO在二级反应器里与蒸汽继续发生反应,产生氢与CO2,后者经分离后进入封存。这套系统在肥料制造业和大规模制氢生产业中已得到广泛应用。虽然工业过程相对更精细和成本较高,但产生的燃气流中,CO2浓度和压力较高也使得CO2分离更加容易。(2)氧燃料燃烧捕获系统:燃料燃烧使用氧气,336󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁地球科学进展󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第25卷因此烟道气主要由水蒸气和CO2构成,再通过冷却和压缩过程除去水蒸气。这种技术几乎可以捕获燃烧过程产生的全部CO2,因而分离也更加容易,但由于需要配置额外的气体处理系统以产生氧气和清除硫、氮氧化物等污染物,因此成本增高很多。(3)燃烧前和燃烧后系统已经应用于一些工业中,商业化历史已有数十年。目前发电厂所使用的燃烧后系统和燃烧前系统可以捕获所产生的CO2的85%~95%,但成本增加10%~40%。氧燃料燃烧系统目前尚处于示范阶段。目前研究的重点在于提高捕获系统的效率并降低成本。2.2󰀁运输(1)管道运输:典型的做法是将CO2施加8󰀁106Pa以上的压力进行压缩,以液态运输避免二相流和提升CO2的密度,通过管道进行安全输送,对于大约1000km距离内大量输送CO2,该方法是首选途径,并且已是一项成熟的市场技术。在美国,每年有超过2500km的管道运输超过40󰀁106t的CO2。管道输送过程中,由上游端的压缩机提供驱动力,部分还配置中途压缩站[4]。(2)船舶及罐车运输:类似于液化石油气的运输,由于CO2的工业需求有限,因此输送的成本较高。对于每年在几百万t以下的CO2输送或是更远距离的海外运输,使用轮船较为合适。2.3󰀁CO2封存(1)地质封存:比较理想的地质封存环境是无商业开采价值的深部煤层(并促进煤层天然气回收)、油田(并促进石油回收率)、枯竭天然气田、深部咸水含水地层。封存深度一般要在800m以下,该深度的温压条件可使CO2处于高密度的液态或超临界状态。其他可能的地质构造或结构还包括玄武岩、石油或天然气储岩、盐穴和废弃矿井,但目前尚未开展过充分的研究以全面评估不同地质封存体的封存潜力。地质封存是CO2封存最为经济可行并且环境上可接受的方案,可以采用石油和天然气工业已在使用的钻井技术,将压缩的CO2注入地表以下的合适储体岩层中。各种物理、化学的俘获机理将阻止CO2向地面移动:首先,储层构造上覆的页岩、泥岩、石灰岩等致密盖层岩石起到了CO2向上迁移的物理隔离作用;其次,地质岩层中的毛细管力可将CO2物理捕获在储层的孔隙中,毛细管力倾向于阻止CO2进入帽岩,只要排斥力大于CO2的超孔隙压力,CO2就不能渗入帽层,这是地质封存中最重要的水力学机理;三是化学捕获的机制,CO2与现场流体及储层体会发生化学反应,首先CO2可在储层中的地下水中溶解(在深部地层条件下质量溶解度为4%~6%),并随其缓慢流动,深部地层水的流速一般在10cm/a以下,极其缓慢,在1000年后,这部分CO2移动不到100m,而沉积盆地延绵数十到上千km,充满CO2的水密度增大而沉落在储层构造底部,另外溶解的CO2与储层体中的岩石矿物会发生反应而生成某些粘土矿物和碳酸盐,从而被长期固定在地层中;如果储层为煤或有机物丰富的页岩时,CO2将置换围岩中的甲烷类有机气体,这样CO2的被捕获状态将更加稳定,利用这一原理,CO2可用于石油、煤层气企业强化驱替增采过程。全球各地适合CO2封存的地质体非常丰富,据估计,供封存目前排放水平的CO2达数百至数千年之久的空间是存在的,表2为全球CO2封存的技术容量预测,中国的盆地级CO2地质封存容量参见表3。表2󰀁CO2封存的技术容量预测全球[1]Table2󰀁TheglobalcapatureandstoragepotentialofCO2封存场地类型最低评估潜力/GtCO2最高评估潜力/GtCO2石油和天然气田675900不可开采煤层(ECBM)3~15200深部咸水含水层1000不确定,可能达到104资料来源:IPCCSpecialReportonCarbondioxideCaptureandStorage表3󰀁中国主要陆上及海上盆地的地质封存量[5]Table3󰀁ThegeologicalstoragecapacityofCO2inChinesecontinentalandoceanicbasins󰀁溶解封存量/MtCO2探明的油田封存量OOIP/MtCO2探明的气田的封存量OGIP/MtCO2无法开采的煤层的封存量/MtCO2陆上23800004600428012000总量31600004800518012800(2)海洋储藏:通过固定管道或船舶将CO2注入并溶解到海洋水体中(以1000m以下最为常见),因为海洋是可以溶解CO2的,海平面与大气圈中的CO2就是长期维持着溶解平衡状态;或者经固定的管道将CO2输送到深度3000m以下的海床上,在这个深度,CO2的密度大于水,因此将形成一个CO2的󰀁湖󰀁并稳定沉淀。目前这些技术仍处于研究阶段,没有经过全面测试及环评试验。(3)化学储藏:通过化学反应将CO2与金属氧化物发生反应,转化成无机碳酸盐,从而达到永久性的封存,这方面的技术也处于研究阶段,但小规模的337第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张鸿翔等:二氧化碳捕获与封存的主要技术环节与问题分析󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

二氧化碳捕集技术及其在环保中的应用

随着工业化和城市化的发展，环境污染日益加剧。二氧化碳被认为是其中一种主要的污染物之一，因为它在大气中留存时间长，且会造成全球气候变暖。为了应对这个问题，科学家们开发出了一种被称为二氧化碳捕集技术的方法，这种方法可以大幅度减少大气中的二氧化碳含量。本文将讨论二氧化碳捕集技术及其在环保中的应用。

一、什么是二氧化碳捕集技术

二氧化碳捕集技术被定义为对含有二氧化碳的气体进行分离和去除的过程。该技术有多种应用，包括石油和天然气加工、饮料制造和玻璃生产等。其中最广为人知的应用是在发电厂和钢铁工业中。这种技术可以减少大气中的二氧化碳含量，因为被捕集的二氧化碳气体可以被用于工业生产或者被存储在地下。

二、二氧化碳捕集技术的工作原理

二氧化碳捕集技术有多种不同的实现方法，但是它们的工作原理大致相同。捕集二氧化碳气体的方式可以分为两种：物理吸附和化学吸附。

物理吸附是指将煤燃烧等工业过程中产生的气体通过纯化、干燥等步骤处理后，再通过将气体流过吸附剂（例如水分子）使其与气体中的二氧化碳分子相互作用，进而将其中的二氧化碳分子吸附在吸附剂表面上。化学吸附是指通过化学反应的方式捕集二氧化碳气体。具体说来，这种方法通常涉及将气体与一种化学剂进行反应，从而吸附碳酸盐和水的形式从气体中脱离出二氧化碳分子。

无论是使用哪种吸附方式，最终得到的气体都是几乎不含有二氧化碳了，这意味着二氧化碳从气体中被捕集了，而其他气体则得到了净化。

三、二氧化碳捕集技术的应用

二氧化碳捕集技术广泛应用于环境和工业领域。以下是其中一些应用案例：

1. 发电厂减排

二氧化碳捕集技术可以捕集燃煤和燃气发电站排放的二氧化碳。这种捕集方法可以使发电厂中产生的二氧化碳数量减少80%或更多。被捕集的二氧化碳可被用于工业过程，或者压缩储存在地下。

2. 水泥生产

水泥生产是一个高度二氧化碳排放的行业，每生产一吨水泥所排放的二氧化碳约为一吨。因此，水泥生产厂通常通过二氧化碳捕集技术以减少二氧化碳排放。

高炉煤气中二氧化碳的捕捉与利用技术研究

二氧化碳是一种主要的温室气体，对全球气候变化产生了不可忽视的影响。而高炉煤气中含有大量的二氧化碳，因此研究高炉煤气中二氧化碳的捕捉与利用技术具有重要意义。本文将对高炉煤气中二氧化碳的捕捉与利用技术进行研究和探讨。

首先，高炉煤气中的二氧化碳捕捉技术是目前研究的重点之一。高炉煤气中的二氧化碳首先需要被捕获并分离出来，以便进行后续的利用。常见的二氧化碳捕捉技术包括化学吸收法、物理吸附法和膜分离法等。化学吸收法是通过使用吸收剂将二氧化碳与其他气体分离，常用的吸收剂有胺类溶液。物理吸附法是利用特定的吸附剂将二氧化碳吸附到其表面，如活性炭、分子筛等。膜分离法利用特殊的分离膜将二氧化碳与其他气体进行分离，具有较高的选择性和能耗较低的优势。

其次，高炉煤气中二氧化碳的利用技术也是研究的焦点之一。二氧化碳的利用可以通过化学转化、利用于产业领域和碳捕获与储存等方式实现。化学转化是将二氧化碳转化为其他有用化合物的过程，例如利用二氧化碳制备甲酸、甲醇等。这种方法不仅可以减少二氧化碳的排放，还能够将其转化为有经济价值的产品。利用二氧化碳于产业领域是指利用高炉煤气中的二氧化碳作为原材料，生产出高附加值的产品，如聚合物、液化石油气等。碳捕获与储存技术是将二氧化碳从高炉煤气中捕获后，通过管道输送至地下储存，减少其直接排放到大气中，从而减少温室气体的排放，以应对全球气候变化。

对于高炉煤气中二氧化碳的捕捉与利用技术的研究，还存在一些挑战和难点。首先，高炉煤气中的二氧化碳含量较高，捕捉和分离过程耗能较大。因此，如何降低捕捉过程的能耗是一个需要重点研究的问题。其次，如何选择合适的二氧化碳利用技术也是一个挑战。不同的利用技术对二氧化碳的选择性要求不同，且其经济效益和环境效益也有所差异。因此，需要综合考虑各方面因素才能选择合适的利用技术。 为解决上述挑战和难点，可以从以下几个方面进行技术研究和探索。首先，可以通过改进捕捉和分离技术，提高二氧化碳的捕捉效率并降低能耗。例如，可以研究新型吸收剂和吸附剂，提高其对二氧化碳的选择性和吸附性能。其次，可以进一步开发二氧化碳的利用技术，为不同的利用途径提供技术支持。例如，可以研究新型催化剂和反应条件，提高二氧化碳的转化效率和选择性。同时，还可以通过技术经济性评价和生命周期分析，综合考虑经济效益和环境效益，选择合适的二氧化碳利用途径。

二氧化碳捕获技术研究进展

一、引言

二氧化碳是影响气候变化的主要因素之一，而人类活动产生的二氧化碳排放是其中的主要来源。为了减低二氧化碳的排放量，人们开展了对二氧化碳捕获技术的研究。本文将对近年来关于二氧化碳捕获技术的研究进展进行综述。

二、化学吸附法

化学吸附法是用吸附剂选择性捕获气体中的二氧化碳。近年来，在化学吸附法的研究中，向新型吸附剂的开发上投入了大量的研究。比如，一种新型吸附剂CAU-10可以很好地吸附高浓度CO2气体，同时它在温度和水汽的影响下极不稳定，还有另一种基于金属有机骨架的吸附剂目前也正在被研究运用。另外，一些研究者也关注吸附剂的再生效率，在提高吸附效果的基础上，降低吸附剂再生所需的能量成本。

三、物理吸附法

物理吸附法是利用吸附剂的物理作用将气体分离。在该领域的研究中，新型的多孔吸附剂也成为热点。爪哇岛的岩溶石及活力炭被发现能够在低压下有效吸附CO2。同时，研究者还发现改变微观结构，比如调节孔的分布和大小，可以有效地提高吸附剂的再生效率。 四、膜分离法

膜分离法是将二氧化碳从气体中分离出来的一种方法，该方法具有能耗低，操作简单等优点。在该领域的研究中，新型膜材料的开发成为关注的焦点。比如MOF（金属有机骨架）和COF（共价有机骨架）是目前被广泛应用的膜材料，通过这些材料可以有效地富集二氧化碳分子。

五、化学吸收法

化学吸收法是通过将气体经过具有吸收性的溶液，使其中的二氧化碳被吸收，从而实现分离的过程。该技术成本相对较低，效果显著，但是其中所含的化学药品会带来一定的污染风险。 在该领域的研究中，新型的溶液开发成为关注的热点，比如一种新型的酸性咪唑类溶液已被应用于二氧化碳捕获领域。

六、其他技术

离子液体是一种在二氧化碳捕获中广泛研究的新材料，可以通过合成选择性吸附CO2分子。此外，在近年来的研究中，人们将混合物分离技术和化学吸附技术相结合，开发了一种互补的技术CFP（CO2混合物分离）。