匯總盤點(diǎn)CCS碳捕捉和碳封存技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢(shì)走向分析

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最近幾年，極端氣候的多次發(fā)生引起了世界各國(guó)非常高的重視?，F(xiàn)如今，因?yàn)槭?、天然氣、煤等能源的消耗產(chǎn)生的溫室氣體是致使氣候變化的最直接因素，此外，這些能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)80%以上。怎樣有效處理世界氣候變化，控制溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，已受到世界各國(guó)的重視。盡管開發(fā)替換能源是控制全球氣候變化的一個(gè)重要舉措，但是就目前而言替換能源仍不能變成人類生存發(fā)展的主體能源，因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)能源的需求度也持續(xù)上升，但經(jīng)濟(jì)技術(shù)手段還不能滿足要求。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)也預(yù)計(jì)在將來的幾十年中，隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，能源供應(yīng)仍將以化石能源為主。所以，搜索更加實(shí)用、高效的途徑調(diào)控氣候變化非常重要。碳捕捉與封存技術(shù)就是在此種條件下被人們所發(fā)掘，并迅速發(fā)展壯大的。

 

將二氧化碳（CO2）捕獲和封存的技術(shù)即CCS（Carbon Capture and Storage 的縮寫）技術(shù)，指將CO2和工業(yè)或有關(guān)能源的源頭分隔開來，運(yùn)送到一個(gè)封存地方，然后長(zhǎng)時(shí)間地和大氣隔離的一個(gè)過程。

 

為了完成溫室氣體的大幅度減排，在2005年，IPCC專門推薦了CCS技術(shù)，主要是從全球氣候變化和減排任務(wù)都變得非常嚴(yán)重及清潔能源的發(fā)展現(xiàn)狀方面考慮。

 

CCS技術(shù)在不實(shí)施大規(guī)模改造電力供應(yīng)系統(tǒng)的條件下，為大面積降低大氣中CO2排放提供了非常大的發(fā)展能力。盡管從本質(zhì)上看，只有一個(gè)完全的除碳能源體系才能避免危險(xiǎn)的氣候變化，但CCS技術(shù)能夠?qū)Χ讨衅诠潭ù笠?guī)模減少CO2產(chǎn)生很大的影響，是一個(gè)能夠選擇的技術(shù)方法，因此也快速地發(fā)展壯大。

CCS技術(shù)和開發(fā)利用替換能源進(jìn)行比較，具有以下優(yōu)勢(shì)。

 

（1）在化石能源仍是當(dāng)今世界主體能源的情況下，不但保持了能源耗費(fèi)的現(xiàn)狀，而且降低了對(duì)環(huán)境的損害，維持了能源的高效使用。

 

（2）供應(yīng)了一種有效調(diào)控氣候變化的辦法，規(guī)避了開發(fā)新能源引發(fā)的技術(shù)困難。

 

（3）目前地球上有充足的儲(chǔ)存空間給CO2，涵蓋地質(zhì)、海洋存儲(chǔ)等。

 

CCS技術(shù)重點(diǎn)包含下面三個(gè)步驟：CO2的捕捉、CO2的運(yùn)送和CO2的存儲(chǔ)。CCS技術(shù)是一個(gè)十分關(guān)鍵的科技辦法，能夠在保持現(xiàn)存以碳為前提條件的基礎(chǔ)設(shè)施的狀況下，最大限度地降低CO2對(duì)全球氣候變化的作用。

碳捕捉

 

CCS全部過程最開始要處理的情況是CO2捕捉，其辦法是在排放燃燒源中分離出CO2，并進(jìn)行收集、凈化和壓縮，降低工廠中CO2的排放，進(jìn)而減少大氣中CO2的數(shù)量?？梢允褂玫腃O2捕捉技術(shù)大體包含燃燒前捕捉技術(shù)、富氧燃燒捕捉技術(shù)及燃燒后捕捉技術(shù)。

 

CO2捕捉技術(shù)圖

 

燃燒前捕捉

 

燃燒前捕捉技術(shù)是把CO2在化石燃料燃燒之前分離出來。先將化石燃料氣化變成H2和CO，CO轉(zhuǎn)變成CO2，H2當(dāng)作能源燃燒轉(zhuǎn)變成H2O，因此CO2即可被分離捕捉出來。集成氣化組合循環(huán)技術(shù)（integrated gasification combined cycle，IGCC）是指把煤轉(zhuǎn)變成合成氣的一項(xiàng)技術(shù)，是一種比較有代表性的燃燒前捕集CO2的技術(shù)。

富氧燃燒捕捉

 

富氧燃燒捕捉技術(shù)也被稱為O2/CO2燃燒技術(shù)，即指化石燃料在純氧或富氧中燃燒，CO2和水蒸氣是煙道氣的主要組成部分，接下來再把水蒸氣冷卻，就只剩下CO2，最后再將CO2分離出來。通常情況下，會(huì)將燃燒之后的煙道氣再一次回注燃燒爐，目的是降低燃料溫度，提升CO2的體積分?jǐn)?shù)。制氧成本很高導(dǎo)致富氧燃燒捕捉技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上無顯著的優(yōu)勢(shì)，因而不能在現(xiàn)實(shí)使用中大范圍普及利用。但是，伴隨化工技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，制氧成本也將逐漸下降，富氧燃燒技術(shù)也將會(huì)被大規(guī)模利用。

燃燒后捕捉

 

燃燒后捕捉即指將化石燃料在空氣中燃燒所生成的CO2從煙道氣中分離出來并捕捉的過程。化學(xué)吸收法（本菲爾法、甲基二乙醇胺法）、吸附法（變壓、變溫）、物理吸收法（聚乙二醇二甲醚法、低溫甲醇洗法）和膜分離等辦法是重要的捕捉分離辦法。應(yīng)用區(qū)域廣，系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，在技術(shù)使用上比較成熟是燃燒后捕捉技術(shù)的重點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。但是燃燒后捕捉技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中也并沒有大區(qū)域地利用，主要是因?yàn)槊撎寂c捕捉碳的進(jìn)程中耗費(fèi)的能量極有可能生成較多的CO2，此外碳捕捉的設(shè)備投入和運(yùn)行成本高帶來了很高的CO2捕集成本。

碳運(yùn)送

 

現(xiàn)今碳運(yùn)送技術(shù)發(fā)展比較成熟，使用范圍也相對(duì)很寬，管道運(yùn)送和罐裝運(yùn)送是兩種重點(diǎn)運(yùn)送方式。管道運(yùn)送分成氣態(tài)、液態(tài)、超臨界態(tài)運(yùn)送，運(yùn)送工藝也伴隨運(yùn)送介質(zhì)相態(tài)的差別有一定的區(qū)別。超臨界態(tài)運(yùn)送是現(xiàn)今重點(diǎn)管道運(yùn)送方式，但是中國(guó)的油田內(nèi)部管線更多使用氣態(tài)或液態(tài)運(yùn)送。管道運(yùn)送的技術(shù)發(fā)展相對(duì)較成熟，遠(yuǎn)距離傳輸、傳輸量大是其主要特征，管道運(yùn)送也是傳送CO2較常用的一種手段，其缺陷是一次性投資成本很大。罐裝運(yùn)送的重要途徑是利用鐵路或公路完成傳送，其特征是適合少量的短途運(yùn)送，缺陷是大范圍利用不具備經(jīng)濟(jì)性。

 

碳封存

 

碳封存就是為了有效降低CO2對(duì)大氣的排放，將捕集的CO2安全地儲(chǔ)存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)層，有地質(zhì)封存、海洋封存、化學(xué)封存三種重點(diǎn)封存方式。

地質(zhì)封存

 

地質(zhì)封存是指把CO2送入海底鹽沼池、油氣層、煤井等不一樣的地質(zhì)體中。為了使CO2維持在超臨界狀態(tài)，通常將CO2地質(zhì)封存儲(chǔ)存的深度定為800米以下。第一方面，油田和氣田。隨著人們對(duì)產(chǎn)油層和產(chǎn)氣層地質(zhì)狀況的深層次認(rèn)識(shí)，CO2等碳?xì)浠衔镆驯豢茖W(xué)證明能夠儲(chǔ)藏在廢棄的油田和氣田中。除此之外，在油氣采收相對(duì)較艱難的油氣田中回注CO2可以很大程度地提升油氣田采收率，提升資源的使用水平，同時(shí)還可以延伸油井使用周期。依照統(tǒng)計(jì)資料顯示，使用全球廢棄的油氣田封存CO2的質(zhì)量估計(jì)為9230億噸，和全球燃燒化石燃料的發(fā)電廠排放的CO2的質(zhì)量等同。第二方面，沒有碳?xì)浠衔锏娜﹂]。這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)不但能夠集聚封存CO2，還能制止CO2變動(dòng)，將CO2穩(wěn)固在沒有碳?xì)浠衔锏娜﹂]中。沒有碳?xì)浠衔锏娜﹂]具備與含氣層、含油層和煤層相似的構(gòu)造，所以能夠使用這類地質(zhì)層封存許多的CO2。第三方面，底水-深度蓄水鹽層。含鹽水層的圈閉結(jié)構(gòu)與油田和氣田相比很一般，而且含鹽水層可能有非常大的儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)適合儲(chǔ)存CO2，并且鹽層的區(qū)域分布更加寬廣。因此，使用這種結(jié)構(gòu)封存困難不大，是一個(gè)易于被廣泛使用的可行性方法，但是存儲(chǔ)時(shí)一定要完全認(rèn)識(shí)含鹽水層的每一類性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造。

海洋封存

 

海洋封存主要有溶解型和湖泊型兩種封存方式，是指將CO2通過管道或者船舶運(yùn)送并儲(chǔ)存在深海的海洋水或者深海海床上。溶解型海洋封存即將CO2運(yùn)送到深海中，讓CO2自然分解然后變成自然界碳循環(huán)的組成部分；湖泊型海洋封存是指將CO2送入到地下3000米的深海里，因?yàn)楹Ｋ芏缺菴O2的密度小，所以會(huì)在海底變成液態(tài)，成為CO2湖，進(jìn)而推遲了CO2分解到環(huán)境中的程序。但又因?yàn)闆]有完備的海洋封存技術(shù)，嚴(yán)重威脅了海洋中的環(huán)境和生物，為此此項(xiàng)技術(shù)沒有辦法大范圍推廣利用。

化學(xué)封存

 

化學(xué)封存是指通過一系列繁雜的化學(xué)反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)變成部分穩(wěn)定的碳酸鹽，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久封存CO2的目標(biāo)?；瘜W(xué)封存技術(shù)是一種新的CO2封存技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)效益和減排效率都有著無法預(yù)測(cè)性。

CCS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

 

CCS技術(shù)是一個(gè)包括許多階段并牽涉很多先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)工程，中國(guó)科研人員正在全力鉆研涉及的先進(jìn)技術(shù)。現(xiàn)在，盡管碳捕捉的成本相比較而言很高，但有研究聲明隨著該項(xiàng)技術(shù)的逐漸成熟，其成本會(huì)慢慢下降至人們能夠接受的程度。所以研發(fā)低成本的碳捕捉技術(shù)是非常重要的。除此之外，有很大的碳封存風(fēng)險(xiǎn)，為了阻止以后發(fā)生環(huán)境問題，應(yīng)該重視實(shí)施過程中的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全管理?？偠灾?，CCS技術(shù)針對(duì)處理世界氣候改變產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，但其成本高、風(fēng)險(xiǎn)大的特征導(dǎo)致它的使用范圍遭到某種程度的約束。因此，未來CCS技術(shù)的重心是CO2捕捉的低成本化和碳封存的低風(fēng)險(xiǎn)化。

國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

 

CCS技術(shù)是得到發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家一致承認(rèn)的一種最近幾十年剛被制訂的新的減排方案。西方發(fā)達(dá)國(guó)家最先進(jìn)行CCS技術(shù)的研發(fā)，截至當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)行了很多的研究，并且CCS技術(shù)將會(huì)被一些國(guó)家當(dāng)作未來能源戰(zhàn)略的主要構(gòu)成部分。所以，美國(guó)、加拿大、歐盟等有大量關(guān)于CCS的項(xiàng)目處于計(jì)劃開展階段。Sleipner項(xiàng)目是挪威國(guó)家石油公司1996年于北海展開的，其封存氣體來自油田伴生氣，封存氣體將被送入氣藏上面的鹽水層，預(yù)計(jì)封存量是2000萬(wàn)噸，每噸CO2的埋存成本是17美元。截至目前，封存的氣體既無特別變動(dòng)，也無外泄痕跡。Weyburn項(xiàng)目是加拿大在2000年展開的，其CO2來自燃料廠并利用管線運(yùn)送到儲(chǔ)存位置，CO2氣體被注入油田提升原油采收率，本來預(yù)計(jì)封存2000萬(wàn)噸，每噸的埋存成本約是20美元。Weyburn項(xiàng)目監(jiān)測(cè)了CO2外泄情況，主要是為了確認(rèn)是否可以長(zhǎng)時(shí)間封存，第一階段停止后，監(jiān)測(cè)結(jié)果說明無CO2外泄的跡象。荷蘭在2004年也啟動(dòng)了CO2封存項(xiàng)目，CO2被埋存在荷蘭近海-北海油氣田，該項(xiàng)目把氣體送入廢棄氣層埋存和送入氣田提升氣體采收率。由于此項(xiàng)目送入的氣體總量相對(duì)很少，估計(jì)僅有800萬(wàn)噸，成本也相對(duì)較低，每噸估計(jì)為7～14美元，截至目前，此項(xiàng)目正在順利進(jìn)行。

 

法國(guó)的Lacp項(xiàng)目是CCS技術(shù)中最受到全球重視的。道達(dá)爾集團(tuán)展開了一項(xiàng)全新的一體化的CCS試驗(yàn)項(xiàng)目，截至2010年，CCS設(shè)備開始投入使用。該項(xiàng)目使用的是焚燒碳收集技術(shù)，利用管線運(yùn)送到存放地方，最終送進(jìn)枯竭的天然氣田。此項(xiàng)目被認(rèn)為是全球首條碳捕捉與封存鏈。其一體化包含了CO2捕捉、CO2輸送和CO2封存。

 

現(xiàn)今，相對(duì)較成熟的碳捕捉技術(shù)是國(guó)際上的化學(xué)吸收法，即利用CO2和某種吸收劑之間的化學(xué)反應(yīng)，從煙道氣中分離出CO2氣體，進(jìn)而完成碳收集的目標(biāo)。昂貴的捕捉成本是實(shí)行CCS這項(xiàng)新的減排技術(shù)所面臨的最大的阻礙，當(dāng)然捕捉成本隨著技術(shù)的日漸成熟將會(huì)大幅度下降。

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

 

煤炭在中國(guó)這樣一個(gè)發(fā)展中國(guó)家的單一能源耗費(fèi)構(gòu)造中占重要位置。生產(chǎn)量多和消費(fèi)量大是中國(guó)煤炭能源的主要特征，但對(duì)于有限的石油和天然氣來說，生產(chǎn)和消費(fèi)都相對(duì)很低。盡管如此，中國(guó)的CCS技術(shù)還并不完備，仍處在起步階段。從中國(guó)的實(shí)際情況出發(fā)，將CO2捕集、埋存與油氣田提升采收率相結(jié)合是CCS技術(shù)現(xiàn)今階段比較可行的辦法，也比較符合發(fā)展階段和能源構(gòu)造的實(shí)際情況，不但完成了CO2減排的社會(huì)效益，還創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益，也是目前實(shí)現(xiàn)CCS技術(shù)的最理想路徑。中國(guó)的石油行業(yè)也會(huì)完全使用油氣資源及其開發(fā)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)全力促進(jìn)CCS技術(shù)的研發(fā)，主動(dòng)解決目前的瓶頸技術(shù)，為未來CCS技術(shù)的工業(yè)化打下基礎(chǔ)。

 

燃燒前捕捉和燃燒后捕捉是中國(guó)目前比較傾向的CO2捕集技術(shù)。為此通過對(duì)中國(guó)CO2捕集技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析可知，燃燒前捕集和燃燒后捕集技術(shù)與氧化燃料燃燒技術(shù)相比發(fā)展較快，但與歐洲國(guó)家進(jìn)行比較，中國(guó)僅處在起步階段，技術(shù)也不完備。燃煤電廠CO2捕集技術(shù)的研究與工程示范工程的動(dòng)工比較具備代表性，此項(xiàng)目在2007年啟動(dòng)，創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)首座燃煤電站煙氣中CO2捕集示范裝置，代表著中國(guó)燃煤發(fā)電領(lǐng)域第一次使用了CO2氣體減排技術(shù)。

 

CCS技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)及問題

 

CO2封存產(chǎn)生的問題

CO2封存的成本問題

 

碳捕獲因?yàn)榧夹g(shù)水平的限制會(huì)產(chǎn)生很高的成本，因此其商業(yè)價(jià)值很低，目前只能依賴政府的扶持方可持續(xù)下去。有研究表明，隨著該項(xiàng)技術(shù)的逐漸成熟，其成本會(huì)慢慢下降至人們能夠接受的程度。

CO2封存的隱藏環(huán)境問題

 

假如送進(jìn)地底下的CO2不小心發(fā)生規(guī)模性外泄，則CO2和鹽水將會(huì)流入蓄水層，不但會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生影響，還會(huì)污染飲用水。另外，地球上的大量資源都是不可再生的，倘若我們這一代人將資源全部耗費(fèi)，僅為后代剩下地殼中封存的CO2，那么我們不但會(huì)遭受后代的強(qiáng)烈指責(zé)，還會(huì)產(chǎn)生無法估計(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

CO2封存的國(guó)際合作問題

 

要想完成CO2封存需要借助世界上每一個(gè)國(guó)家的力量，因?yàn)檫@是一項(xiàng)世界性的問題，需要各個(gè)國(guó)家的相互配合。CO2封存也是一項(xiàng)高耗能、高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目，部分發(fā)達(dá)國(guó)家甚至利用向發(fā)展中國(guó)家出口技術(shù)和設(shè)備來獲取巨額利潤(rùn)，阻礙了該項(xiàng)技術(shù)在發(fā)展中國(guó)家的推廣發(fā)展，這種行徑受到發(fā)展中國(guó)家的一致譴責(zé)。所以，CO2封存技術(shù)實(shí)行的前提是在世界各國(guó)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)、相互配合下。

CO2捕捉過程隱藏的風(fēng)險(xiǎn)

 

CO2捕捉過程中將會(huì)給環(huán)境帶來非常嚴(yán)重的污染，主要是由于耗能必然耗費(fèi)大量的能源，焚燒大量的燃料，也就表示會(huì)產(chǎn)生大量的NOx、SO2等其他污染物；另外，也會(huì)耗費(fèi)大量的化學(xué)藥品，如氨和石灰石等，控制NOx、SO2排放的耗費(fèi)也將會(huì)上漲。并且，為了便于捕獲的CO2的運(yùn)送和儲(chǔ)存，要對(duì)其實(shí)行高濃度壓縮。對(duì)于壓縮設(shè)備有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)閴嚎s過程存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，威脅了工作人員的人身安全。

CO2運(yùn)送階段的風(fēng)險(xiǎn)

 

由于利用不同技術(shù)捕獲的CO2的純度有很大的差別，對(duì)運(yùn)送的管道產(chǎn)生的作用也有區(qū)別。如果CO2包含水汽，則管道的腐蝕性就較強(qiáng)。此外，盡管在CO2運(yùn)送途中很少會(huì)發(fā)生泄漏事件，但這種情況不可忽略，因?yàn)橐坏┌l(fā)生，后果不堪設(shè)想。

CO2封存階段的風(fēng)險(xiǎn)

 

CO2地下封存滲漏產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)有兩種：全球風(fēng)險(xiǎn)和局部風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)全球風(fēng)險(xiǎn)，假如封存結(jié)構(gòu)中的一些CO2泄漏到大氣里，將會(huì)致使氣候發(fā)生明顯改變。局部風(fēng)險(xiǎn)的意思是假如封存結(jié)構(gòu)中的CO2發(fā)生泄漏，那么將會(huì)給人類、地下水和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生局部危害。

CCS技術(shù)的展望

 

中國(guó)雖然在CCS技術(shù)領(lǐng)域獲得了一定的成績(jī)，但是在部分關(guān)鍵技術(shù)層面仍然存在許多問題，尤其是幾乎不能在實(shí)際層面大面積使用該技術(shù)。但可以相信，該問題隨著CCS技術(shù)的逐漸成熟也會(huì)慢慢解決。另外，部分法律法規(guī)的持續(xù)調(diào)整，也將推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的持續(xù)向前發(fā)展。除此之外，向民眾宣傳相關(guān)知識(shí)，讓民眾慢慢意識(shí)到它的重要程度，獲得其支持對(duì)于促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展是十分有利的。盡管目前此項(xiàng)技術(shù)的成本很高，但伴隨著該項(xiàng)技術(shù)的逐漸成熟，其成本會(huì)慢慢下降；該技術(shù)的安全問題也會(huì)迎刃而解。由于全球氣候變暖問題與CO2排放量的沖突越來越顯著，每一個(gè)國(guó)家的政府都越發(fā)關(guān)注CCS技術(shù)的鉆研和開發(fā)。CCS技術(shù)有非常寬廣的發(fā)展空間，在將來對(duì)于遏制全球氣候變暖問題將會(huì)產(chǎn)生非常關(guān)鍵的影響。

 

本文由安靜摘編自田澤、馬海良編著《低碳經(jīng)濟(jì)理論與中國(guó)實(shí)現(xiàn)路徑研究》之第三章，內(nèi)容有刪減。