摘要：隨著低碳經(jīng)濟(jì)的走紅，碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱(chēng)CCS）技術(shù)已初現(xiàn)端倪，CCS技術(shù)作為一項(xiàng)存儲(chǔ)二氧化碳以減少溫室氣體排放的環(huán)保工程，得到了世界各國(guó)的重視，其前景非常廣
關(guān)鍵詞：碳捕獲；碳運(yùn)輸；碳封存
碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱(chēng)CCS）是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來(lái)，并用
各種方法儲(chǔ)存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。CCS技術(shù)包括二氧化碳捕獲、運(yùn)輸以及封存三個(gè)環(huán)節(jié)，它可以使單位發(fā)電碳排放減少85%—90%。
關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的研究可以追溯至1975年，當(dāng)時(shí)的美國(guó)將二氧化碳注入地下以提高石油開(kāi)采率，但將它作為一項(xiàng)存儲(chǔ)二氧化碳以減少溫室氣體排放的環(huán)保工程，則開(kāi)始于1989年的麻省理工大學(xué)，直至近年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)得到更多的重視和研究。它被認(rèn)為是一種可能的減少空氣中二氧化碳濃度的方法。目前，據(jù)專(zhuān)家介紹，從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，應(yīng)用于碳捕獲、運(yùn)輸以及封存的各項(xiàng)技術(shù)其實(shí)都是已有的、成熟的，只不過(guò)在此前并未應(yīng)用于CCS方向，問(wèn)題主要存在于現(xiàn)有發(fā)電廠的改造以及新建發(fā)電廠的技術(shù)和資金投入。
1 碳捕獲技術(shù)
二氧化碳的捕獲方式主要有三種：燃燒前捕獲（Pre-combustion）、富氧燃燒（Oxy-fuel combustion）和燃燒后捕獲（Post-combustion）。無(wú)論哪種捕獲方法，簡(jiǎn)而言之是將燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的氣體收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)脫硫、氮氧化物等等制備后，將二氧化碳分離并收集起來(lái)。
表1 碳捕獲技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)狀
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CCS捕獲技術(shù) |
技術(shù)特點(diǎn) |
發(fā)展現(xiàn)狀 |
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工業(yè)分離 |
利用工業(yè)材料分離固碳，技術(shù)成熟，但應(yīng)用有限 |
成熟市場(chǎng) |
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燃燒后分離 |
過(guò)程簡(jiǎn)單，但CO2濃度低，化學(xué)吸收劑昂貴 |
技術(shù)可行 |
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燃燒前分離 |
CO2濃度高，分離容易，但過(guò)程復(fù)雜，成本較高 |
技術(shù)可行 |
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富氧燃燒 |
CO2濃度高，但壓力較小，步驟較多，供氧成本高 |
示范階段 |
針對(duì)排放的CO2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類(lèi)：即燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。
1.1 燃燒后系統(tǒng)
燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離�；瘜W(xué)溶劑吸收法是當(dāng)前最好的燃燒后CO2收集法,具有較高的捕集效率和選擇性,而能源消耗和收集成本較低。除了化學(xué)溶劑吸收法,還有吸附法、膜分離等方法。
化學(xué)吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之間的可逆化學(xué)反應(yīng)。由于燃煤煙氣中不僅含有CO2、N2、O2和H2O,還含有SOx、NOx、塵埃、HCl、HF等污染物。雜質(zhì)的存在會(huì)增加捕獲與分離的成本，因此煙氣進(jìn)入吸收塔之前，需要進(jìn)行預(yù)處理,包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等。
煙氣在預(yù)處理后，進(jìn)入吸收塔，吸收塔溫度保持在40~60℃，CO2被吸收劑吸收，通常用的溶劑是胺吸收劑(如一乙醇胺MEA)。然后煙氣進(jìn)入一個(gè)水洗容器以平衡系統(tǒng)中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與溶劑蒸汽，之后離開(kāi)吸收塔。吸收了CO2的富溶劑經(jīng)由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100~140℃和比大氣壓略高的壓力下得到再生。水蒸汽經(jīng)過(guò)凝結(jié)器返回再生塔，而CO2離開(kāi)再生塔。再生堿溶劑通過(guò)熱交換器和冷卻器后被抽運(yùn)回吸收塔。
1.2 富氧燃燒系統(tǒng)
富氧燃燒系統(tǒng)是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質(zhì)。燃燒產(chǎn)物主要是CO2和水蒸氣，另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全，以及燃料中所有組成成分的氧化產(chǎn)物、燃料或泄漏進(jìn)入系統(tǒng)的空氣中的惰性成分等。經(jīng)過(guò)冷卻水蒸汽冷凝后，煙氣中CO2含量在80% ~98%之間。這樣高濃度的CO2經(jīng)過(guò)壓縮、干燥和進(jìn)一步的凈化可進(jìn)入管道進(jìn)行存儲(chǔ)。CO2在高密度超臨界下通過(guò)管道運(yùn)輸，其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流，其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO2需要經(jīng)過(guò)干燥以防止在管道中出現(xiàn)水凝結(jié)和腐蝕，并允許使用常規(guī)的炭鋼材料。
在富氧燃燒系統(tǒng)中，由于CO2濃度較高，因此捕獲分離的成本較低，但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產(chǎn)主要通過(guò)空氣分離方法，包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸餾。
1.3 燃燒前捕獲系統(tǒng)
燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個(gè)階段的反應(yīng)。
首先，化石燃料先同氧氣或者蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生以CO和H2為主的混合氣體(稱(chēng)為合成氣)，其中與蒸汽的反應(yīng)稱(chēng)為“蒸汽重整”，需在高溫下進(jìn)行；對(duì)于液體或氣體燃料與O2的反應(yīng)稱(chēng)為“部分氧化”，而對(duì)于固體燃料與氧的反應(yīng)稱(chēng)為“氣化”。待合成氣冷卻后，再經(jīng)過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，使合成氣中的CO轉(zhuǎn)化為CO2，并產(chǎn)生更多的H2。最后，將H2從CO2與H2的混合氣中分離，干燥的混合氣中CO2的含量可達(dá)15%~60%，總壓力2~7MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲(chǔ)，H2被用作燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。
這一過(guò)程也即考慮碳的捕獲和存儲(chǔ)的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離CO2的方法包括：變壓吸附、化學(xué)吸收(通過(guò)化學(xué)反應(yīng)從混合氣中去除CO2,并在減壓與加熱情況下發(fā)生可逆反應(yīng),同從燃燒后煙道氣中分離CO2類(lèi)似)、物理吸收(常用于具有高的CO2分壓或高的總壓的混合氣的分離)、膜分離(聚合物膜、陶瓷膜)等。
2. 碳運(yùn)輸技術(shù)
捕獲到的二氧化碳必須運(yùn)輸?shù)胶线m的地點(diǎn)進(jìn)行封存，可以使用汽車(chē)、火車(chē)、輪船以及管道來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸。一般說(shuō)來(lái)，管道是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。2008年，美國(guó)約有5800千米的二氧化碳管道，這些管道大都用以將二氧化碳運(yùn)輸?shù)接吞铮⑷氲叵掠蛯右蕴岣呤筒墒章剩‥nhanced Oil Recovery，EOR）。
管道運(yùn)輸?shù)某杀局饕?部分組成：基建費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)成本以及其它的如設(shè)計(jì)、保險(xiǎn)等費(fèi)用。特殊的地理?xiàng)l件，如人口稠密區(qū)等對(duì)成本很有影響。陸上管道要比同樣規(guī)模的海上管道成本高出40％～70％。由于管道運(yùn)輸是成熟的技術(shù)，因此其成本的下降空間預(yù)計(jì)不大。對(duì)于250 km的運(yùn)距，管道運(yùn)輸?shù)某杀疽话銥?～8美元/tCO2。當(dāng)運(yùn)輸距離較長(zhǎng)時(shí)，船運(yùn)將具有競(jìng)爭(zhēng)力，船運(yùn)的成本與運(yùn)距的關(guān)系極大。當(dāng)輸送5 Mt CO2、運(yùn)距為500km時(shí)，船運(yùn)的成本為l0～30美元/tCO2。當(dāng)輸送同樣的CO2，運(yùn)距增加到1500km時(shí)，船運(yùn)成本將降到20-35美元/tCO2，與管道運(yùn)輸?shù)某杀鞠喈?dāng)。
3. 碳封存技術(shù)
二氧化碳封存的方法有許多種，一般說(shuō)來(lái)可分為地質(zhì)封存（Geological Storage）和海洋封存（Ocean Storage）兩類(lèi)。地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)（氣態(tài)及液態(tài)的混合體）的二氧化碳注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以是油田、氣田、咸水層、無(wú)法開(kāi)采的煤礦等。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)采的煤礦可以把煤層中的煤層氣（甲烷）驅(qū)出來(lái)，提高煤層氣采收率。若要封存大量的二氧化碳，最適合的地點(diǎn)是咸水層。咸水層一般在地下深處，富含不適合農(nóng)業(yè)或飲用的咸水，這類(lèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為常見(jiàn)，同時(shí)擁有巨大的封存潛力。不過(guò)與油田相比，目前人們對(duì)這類(lèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還較為有限。海洋封存是指將二氧化碳通過(guò)輪船或管道運(yùn)輸?shù)缴詈：５走M(jìn)行封存。這種封存辦法也許會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面的影響，比如過(guò)高的二氧化碳含量將殺死深海的生物、使海水酸化等，此外，封存在海底的二氧化碳也有可能會(huì)逃逸到大氣當(dāng)中（有研究指出，海底的海水流動(dòng)到海面需要1600年的時(shí)間）�？偟膩�(lái)說(shuō)，人們對(duì)海洋封存的了解還是太少。
4. 我國(guó)CCS技術(shù)發(fā)展概況
我國(guó)于1992年6月和1998年5月分別簽署了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》和《京都議定書(shū)》。作為發(fā)展中國(guó)家。我國(guó)近期不必承擔(dān)減少或限制溫室氣體排放的義務(wù)。但我國(guó)CO2排放總量大，目前已位居世界第二，僅次于美國(guó)。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家初步估算，預(yù)計(jì)2025～2030年左右，我國(guó)CO2排放量將達(dá)到67-10st。成為世界第一大排放國(guó)。作為負(fù)責(zé)任的大國(guó)，我國(guó)政府高度重視氣候變化與溫室氣體排放問(wèn)題，1990～2005年間我國(guó)萬(wàn)元GDP能耗年均下降率達(dá)4.1%。相當(dāng)于節(jié)約8×10st以上標(biāo)準(zhǔn)煤，減少了18～10stCO2排放。同時(shí)，政府提出了在2006～2010年間單位GDP的能源消耗降低20％的節(jié)能減排目標(biāo)。政府也明確表示，在可持續(xù)發(fā)展的框架下，與國(guó)際社會(huì)一起，積極尋求應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑，并根據(jù)自己的能力和國(guó)情為減緩氣候變化做出應(yīng)盡的努力。
國(guó)家對(duì)CCS技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視，CCS技術(shù)作為前沿技術(shù)已被列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃；在國(guó)家科技部2007年的《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化科技專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)》中，CCS技術(shù)作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的技術(shù)重點(diǎn)被列入專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)的四個(gè)主要活動(dòng)領(lǐng)域之一�！笆晃濉逼陂g，國(guó)家“863”計(jì)劃也對(duì)發(fā)展CCS技術(shù)給予很大支持。2007年6月國(guó)家發(fā)改委公布的《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》中強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)CO2的捕獲和封存技術(shù)，并加強(qiáng)國(guó)際間氣候變化技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與轉(zhuǎn)讓。
我國(guó)與國(guó)際社會(huì)一起積極開(kāi)展了CCS技術(shù)研究與項(xiàng)目合作。2007年啟動(dòng)了“中歐碳捕獲與封存合作行動(dòng)（COACH）”，12個(gè)歐方機(jī)構(gòu)和8個(gè)中方機(jī)構(gòu)參與了COACH行動(dòng)。2007年11月20日，啟動(dòng)了“燃煤發(fā)電二氧化碳低排放英中合作項(xiàng)目”。2008年1月25日，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中聯(lián)煤”與加拿大百達(dá)門(mén)公司、香港環(huán)能?chē)?guó)際控股公司簽署了“深煤層注入/埋藏二氧化碳開(kāi)采煤層氣技術(shù)研究”項(xiàng)目合作協(xié)議。自2002年以來(lái)，中聯(lián)煤和加拿大阿爾伯達(dá)研究院已在山西省沁水盆地南部合作，成功實(shí)施了淺部煤層的CO2單井注入試驗(yàn)。中國(guó)石油作為肩負(fù)經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)責(zé)任的大型國(guó)企，為展現(xiàn)保護(hù)環(huán)境的良好社會(huì)形象，率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了利用CCS技術(shù)提高油田采收率的研究與應(yīng)用工作，于2007年4月啟動(dòng)了重大科技專(zhuān)項(xiàng)及資源綜合利用研究。
5. CCS技術(shù)的最新進(jìn)展
CCS技術(shù)目前處于研究階段，隨著全球面臨的氣候問(wèn)題日益嚴(yán)峻，各國(guó)政府非常重視對(duì)CCS技術(shù)研究的支持。美國(guó)、歐盟、澳大利亞、加拿大、挪威等國(guó)家或政府間組織都制訂了相應(yīng)的研究規(guī)劃，開(kāi)展 CCS技術(shù)的理論、試驗(yàn)、示范和應(yīng)用研究，并且已經(jīng)有了成功的實(shí)例。其中，美國(guó)走在世界最前列，針對(duì)CCS技術(shù)的科研規(guī)劃和項(xiàng)目組織實(shí)施較為周密完善。美國(guó)于2000年開(kāi)始由能源部主持正式開(kāi)展CO2封存研究和發(fā)展項(xiàng)目，將地質(zhì)封存和海洋封存列為主要研究方向，并制訂了詳細(xì)的技術(shù)路線圖。2005年美國(guó)已開(kāi)展了25個(gè)CO2地下構(gòu)造注入、儲(chǔ)存與監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并已進(jìn)入驗(yàn)證階段。為加強(qiáng)國(guó)際合作，2003年，美國(guó)發(fā)起成立了“碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇”， 目前共有美國(guó)、加拿大、歐盟、英國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)、挪威、巴西、意大利、印度、中國(guó)、哥倫比亞、墨西哥、俄羅斯、南非、法國(guó)等22個(gè)成員，共同組織開(kāi)展理論與實(shí)驗(yàn)研究。
當(dāng)前，國(guó)際上CCS技術(shù)研發(fā)所關(guān)注的主要問(wèn)題包括：CO2在地質(zhì)封存系統(tǒng)中吸附和遷移的機(jī)理與規(guī)律。在地層中的相態(tài)及其變化規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)及固化條件；注CO2采油過(guò)程中的物理化學(xué)理論問(wèn)題、復(fù)雜滲透流體力學(xué)原理、各類(lèi)CO2提高采收率(EOR)數(shù)值模擬基礎(chǔ)模型；長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸CO2的化學(xué)腐蝕機(jī)理與規(guī)律等。
整體上而言，目前CCS技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，技術(shù)上的不成熟所導(dǎo)致的高成本致使CCS難以大規(guī)模的推廣。麥肯錫估計(jì)捕獲和處理每噸二氧化碳的成本大概在75-115美元，與開(kāi)發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的價(jià)格相比并不具備太大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2008年的G8峰會(huì)上，八國(guó)集團(tuán)曾經(jīng)提出，在2020年前后普及CCS技術(shù)，并在2010年底前啟動(dòng)20個(gè)大型CCS示范項(xiàng)目。鑒于其高昂的成本，時(shí)至今日，規(guī)劃中的項(xiàng)目未有一個(gè)上馬實(shí)施。此外，由于被捕獲的二氧化碳工業(yè)應(yīng)用前景非常差，封存是碳捕捉的最終路徑，CCS技術(shù)的普及同時(shí)也取決于二氧化碳的排放價(jià)格，預(yù)計(jì)當(dāng)二氧化碳價(jià)格介于25-30美元/噸時(shí)，CCS技術(shù)的推廣就會(huì)加快。
6. CCS技術(shù)的前景廣闊
二氧化碳捕獲和埋存技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用，已經(jīng)蓄勢(shì)待發(fā)�！岸趸疾东@和埋存技術(shù)并不存在技術(shù)障礙和實(shí)質(zhì)性障礙”，來(lái)自碳捕獲與埋存協(xié)會(huì)（CCSA）的Jeff Chapman指出，“眼前唯一需要的就是好的政策�！毕碜u(yù)國(guó)際的環(huán)境問(wèn)題智囊團(tuán)“世界資源研究所”（WRI）對(duì)此觀點(diǎn)表示贊同——資金是現(xiàn)成的，技術(shù)是現(xiàn)成的，需要的只是一個(gè)能夠讓金融中介獲得與其投資相應(yīng)的回報(bào)的規(guī)范框架。
不少?lài)?guó)家都已開(kāi)始為二氧化碳捕獲和埋存技術(shù)的推廣和應(yīng)用創(chuàng)造鼓勵(lì)性的政策環(huán)境。作為煤炭大國(guó)和能源消費(fèi)大國(guó)的中國(guó)，也在積極鼓勵(lì)和推動(dòng)相關(guān)研發(fā)工作的開(kāi)展，以期盡快掌握這一關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化石燃料尤其是煤炭的脫碳利用。
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://douzifanli.com/gaozhong/395861.html
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