匯總盤點CCS碳捕捉和碳封存技術的發展現狀以及未來趨勢走向分析

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最近幾年，極端氣候的多次發生引起了世界各國非常高的重視?，F如今，因為石油、天然氣、煤等能源的消耗產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的比重達80%以上。怎樣有效處理世界氣候變化，控制溫室氣體排放，實現可持續發展，已受到世界各國的重視。盡管開發替換能源是控制全球氣候變化的一個重要舉措，但是就目前而言替換能源仍不能變成人類生存發展的主體能源，因為隨著經濟的持續快速發展，對能源的需求度也持續上升，但經濟技術手段還不能滿足要求。國際能源機構也預計在將來的幾十年中，隨著世界經濟的持續發展，能源供應仍將以化石能源為主。所以，搜索更加實用、高效的途徑調控氣候變化非常重要。碳捕捉與封存技術就是在此種條件下被人們所發掘，并迅速發展壯大的。

 

將二氧化碳（CO2）捕獲和封存的技術即CCS（Carbon Capture and Storage 的縮寫）技術，指將CO2和工業或有關能源的源頭分隔開來，運送到一個封存地方，然后長時間地和大氣隔離的一個過程。

 

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，主要是從全球氣候變化和減排任務都變得非常嚴重及清潔能源的發展現狀方面考慮。

 

CCS技術在不實施大規模改造電力供應系統的條件下，為大面積降低大氣中CO2排放提供了非常大的發展能力。盡管從本質上看，只有一個完全的除碳能源體系才能避免危險的氣候變化，但CCS技術能夠對短中期固定大規模減少CO2產生很大的影響，是一個能夠選擇的技術方法，因此也快速地發展壯大。

CCS技術和開發利用替換能源進行比較，具有以下優勢。

 

（1）在化石能源仍是當今世界主體能源的情況下，不但保持了能源耗費的現狀，而且降低了對環境的損害，維持了能源的高效使用。

 

（2）供應了一種有效調控氣候變化的辦法，規避了開發新能源引發的技術困難。

 

（3）目前地球上有充足的儲存空間給CO2，涵蓋地質、海洋存儲等。

 

CCS技術重點包含下面三個步驟：CO2的捕捉、CO2的運送和CO2的存儲。CCS技術是一個十分關鍵的科技辦法，能夠在保持現存以碳為前提條件的基礎設施的狀況下，最大限度地降低CO2對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，并進行收集、凈化和壓縮，降低工廠中CO2的排放，進而減少大氣中CO2的數量?？梢允褂玫腃O2捕捉技術大體包含燃燒前捕捉技術、富氧燃燒捕捉技術及燃燒后捕捉技術。

 

CO2捕捉技術圖

 

燃燒前捕捉

 

燃燒前捕捉技術是把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轉變成CO2，H2當作能源燃燒轉變成H2O，因此CO2即可被分離捕捉出來。集成氣化組合循環技術（integrated gasification combined cycle，IGCC）是指把煤轉變成合成氣的一項技術，是一種比較有代表性的燃燒前捕集CO2的技術。

富氧燃燒捕捉

 

富氧燃燒捕捉技術也被稱為O2/CO2燃燒技術，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的體積分數。制氧成本很高導致富氧燃燒捕捉技術在經濟上無顯著的優勢，因而不能在現實使用中大范圍普及利用。但是，伴隨化工技術的持續發展，制氧成本也將逐漸下降，富氧燃燒技術也將會被大規模利用。

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?；瘜W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。應用區域廣，系統原理簡單，在技術使用上比較成熟是燃燒后捕捉技術的重點優勢。但是燃燒后捕捉技術在生產實踐中也并沒有大區域地利用，主要是因為脫碳與捕捉碳的進程中耗費的能量極有可能生成較多的CO2，此外碳捕捉的設備投入和運行成本高帶來了很高的CO2捕集成本。

碳運送

 

現今碳運送技術發展比較成熟，使用范圍也相對很寬，管道運送和罐裝運送是兩種重點運送方式。管道運送分成氣態、液態、超臨界態運送，運送工藝也伴隨運送介質相態的差別有一定的區別。超臨界態運送是現今重點管道運送方式，但是中國的油田內部管線更多使用氣態或液態運送。管道運送的技術發展相對較成熟，遠距離傳輸、傳輸量大是其主要特征，管道運送也是傳送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送，缺陷是大范圍利用不具備經濟性。

 

碳封存

 

碳封存就是為了有效降低CO2對大氣的排放，將捕集的CO2安全地儲存在地質結構層，有地質封存、海洋封存、化學封存三種重點封存方式。

地質封存

 

地質封存是指把CO2送入海底鹽沼池、油氣層、煤井等不一樣的地質體中。為了使CO2維持在超臨界狀態，通常將CO2地質封存儲存的深度定為800米以下。第一方面，油田和氣田。隨著人們對產油層和產氣層地質狀況的深層次認識，CO2等碳氫化合物已被科學證明能夠儲藏在廢棄的油田和氣田中。除此之外，在油氣采收相對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，同時還可以延伸油井使用周期。依照統計資料顯示，使用全球廢棄的油氣田封存CO2的質量估計為9230億噸，和全球燃燒化石燃料的發電廠排放的CO2的質量等同。第二方面，沒有碳氫化合物的圈閉。這類地質結構不但能夠集聚封存CO2，還能制止CO2變動，將CO2穩固在沒有碳氫化合物的圈閉中。沒有碳氫化合物的圈閉具備與含氣層、含油層和煤層相似的構造，所以能夠使用這類地質層封存許多的CO2。第三方面，底水-深度蓄水鹽層。含鹽水層的圈閉結構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氣結構適合儲存CO2，并且鹽層的區域分布更加寬廣。因此，使用這種結構封存困難不大，是一個易于被廣泛使用的可行性方法，但是存儲時一定要完全認識含鹽水層的每一類性質和地質構造。

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送并儲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運送到深海中，讓CO2自然分解然后變成自然界碳循環的組成部分；湖泊型海洋封存是指將CO2送入到地下3000米的深海里，因為海水密度比CO2的密度小，所以會在海底變成液態，成為CO2湖，進而推遲了CO2分解到環境中的程序。但又因為沒有完備的海洋封存技術，嚴重威脅了海洋中的環境和生物，為此此項技術沒有辦法大范圍推廣利用。

化學封存

 

化學封存是指通過一系列繁雜的化學反應將CO2轉變成部分穩定的碳酸鹽，進而實現長久封存CO2的目標?；瘜W封存技術是一種新的CO2封存技術，其經濟效益和減排效率都有著無法預測性。

CCS技術的發展現狀

 

CCS技術是一個包括許多階段并牽涉很多先進技術的系統工程，中國科研人員正在全力鉆研涉及的先進技術?，F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技術的逐漸成熟，其成本會慢慢下降至人們能夠接受的程度。所以研發低成本的碳捕捉技術是非常重要的。除此之外，有很大的碳封存風險，為了阻止以后發生環境問題，應該重視實施過程中的風險，實現安全管理。總而言之，CCS技術針對處理世界氣候改變產生了深遠的影響，但其成本高、風險大的特征導致它的使用范圍遭到某種程度的約束。因此，未來CCS技術的重心是CO2捕捉的低成本化和碳封存的低風險化。

國外發展現狀

 

CCS技術是得到發達國家和發展中國家一致承認的一種最近幾十年剛被制訂的新的減排方案。西方發達國家最先進行CCS技術的研發，截至當前已經進行了很多的研究，并且CCS技術將會被一些國家當作未來能源戰略的主要構成部分。所以，美國、加拿大、歐盟等有大量關于CCS的項目處于計劃開展階段。Sleipner項目是挪威國家石油公司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，預計封存量是2000萬噸，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，也無外泄痕跡。Weyburn項目是加拿大在2000年展開的，其CO2來自燃料廠并利用管線運送到儲存位置，CO2氣體被注入油田提升原油采收率，本來預計封存2000萬噸，每噸的埋存成本約是20美元。Weyburn項目監測了CO2外泄情況，主要是為了確認是否可以長時間封存，第一階段停止后，監測結果說明無CO2外泄的跡象。荷蘭在2004年也啟動了CO2封存項目，CO2被埋存在荷蘭近海-北海油氣田，該項目把氣體送入廢棄氣層埋存和送入氣田提升氣體采收率。由于此項目送入的氣體總量相對很少，估計僅有800萬噸，成本也相對較低，每噸估計為7～14美元，截至目前，此項目正在順利進行。

 

法國的Lacp項目是CCS技術中最受到全球重視的。道達爾集團展開了一項全新的一體化的CCS試驗項目，截至2010年，CCS設備開始投入使用。該項目使用的是焚燒碳收集技術，利用管線運送到存放地方，最終送進枯竭的天然氣田。此項目被認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。

 

現今，相對較成熟的碳捕捉技術是國際上的化學吸收法，即利用CO2和某種吸收劑之間的化學反應，從煙道氣中分離出CO2氣體，進而完成碳收集的目標。昂貴的捕捉成本是實行CCS這項新的減排技術所面臨的最大的阻礙，當然捕捉成本隨著技術的日漸成熟將會大幅度下降。

國內發展現狀

 

煤炭在中國這樣一個發展中國家的單一能源耗費構造中占重要位置。生產量多和消費量大是中國煤炭能源的主要特征，但對于有限的石油和天然氣來說，生產和消費都相對很低。盡管如此，中國的CCS技術還并不完備，仍處在起步階段。從中國的實際情況出發，將CO2捕集、埋存與油氣田提升采收率相結合是CCS技術現今階段比較可行的辦法，也比較符合發展階段和能源構造的實際情況，不但完成了CO2減排的社會效益，還創造了較大的經濟效益，也是目前實現CCS技術的最理想路徑。中國的石油行業也會完全使用油氣資源及其開發技術的優點全力促進CCS技術的研發，主動解決目前的瓶頸技術，為未來CCS技術的工業化打下基礎。

 

燃燒前捕捉和燃燒后捕捉是中國目前比較傾向的CO2捕集技術。為此通過對中國CO2捕集技術的發展進行分析可知，燃燒前捕集和燃燒后捕集技術與氧化燃料燃燒技術相比發展較快，但與歐洲國家進行比較，中國僅處在起步階段，技術也不完備。燃煤電廠CO2捕集技術的研究與工程示范工程的動工比較具備代表性，此項目在2007年啟動，創建了國內首座燃煤電站煙氣中CO2捕集示范裝置，代表著中國燃煤發電領域第一次使用了CO2氣體減排技術。

 

CCS技術的風險及問題

 

CO2封存產生的問題

CO2封存的成本問題

 

碳捕獲因為技術水平的限制會產生很高的成本，因此其商業價值很低，目前只能依賴政府的扶持方可持續下去。有研究表明，隨著該項技術的逐漸成熟，其成本會慢慢下降至人們能夠接受的程度。

CO2封存的隱藏環境問題

 

假如送進地底下的CO2不小心發生規模性外泄，則CO2和鹽水將會流入蓄水層，不但會對地下水產生影響，還會污染飲用水。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，僅為后代剩下地殼中封存的CO2，那么我們不但會遭受后代的強烈指責，還會產生無法估計的安全風險。

CO2封存的國際合作問題

 

要想完成CO2封存需要借助世界上每一個國家的力量，因為這是一項世界性的問題，需要各個國家的相互配合。CO2封存也是一項高耗能、高成本、高風險的項目，部分發達國家甚至利用向發展中國家出口技術和設備來獲取巨額利潤，阻礙了該項技術在發展中國家的推廣發展，這種行徑受到發展中國家的一致譴責。所以，CO2封存技術實行的前提是在世界各國的統一協調、相互配合下。

CO2捕捉過程隱藏的風險

 

CO2捕捉過程中將會給環境帶來非常嚴重的污染，主要是由于耗能必然耗費大量的能源，焚燒大量的燃料，也就表示會產生大量的NOx、SO2等其他污染物；另外，也會耗費大量的化學藥品，如氨和石灰石等，控制NOx、SO2排放的耗費也將會上漲。并且，為了便于捕獲的CO2的運送和儲存，要對其實行高濃度壓縮。對于壓縮設備有嚴格的標準，是因為壓縮過程存在很大的風險，威脅了工作人員的人身安全。

CO2運送階段的風險

 

由于利用不同技術捕獲的CO2的純度有很大的差別，對運送的管道產生的作用也有區別。如果CO2包含水汽，則管道的腐蝕性就較強。此外，盡管在CO2運送途中很少會發生泄漏事件，但這種情況不可忽略，因為一旦發生，后果不堪設想。

CO2封存階段的風險

 

CO2地下封存滲漏產生的風險有兩種：全球風險和局部風險。針對全球風險，假如封存結構中的一些CO2泄漏到大氣里，將會致使氣候發生明顯改變。局部風險的意思是假如封存結構中的CO2發生泄漏，那么將會給人類、地下水和生態系統產生局部危害。

CCS技術的展望

 

中國雖然在CCS技術領域獲得了一定的成績，但是在部分關鍵技術層面仍然存在許多問題，尤其是幾乎不能在實際層面大面積使用該技術。但可以相信，該問題隨著CCS技術的逐漸成熟也會慢慢解決。另外，部分法律法規的持續調整，也將推動該項技術的持續向前發展。除此之外，向民眾宣傳相關知識，讓民眾慢慢意識到它的重要程度，獲得其支持對于促進該項技術的持續發展是十分有利的。盡管目前此項技術的成本很高，但伴隨著該項技術的逐漸成熟，其成本會慢慢下降；該技術的安全問題也會迎刃而解。由于全球氣候變暖問題與CO2排放量的沖突越來越顯著，每一個國家的政府都越發關注CCS技術的鉆研和開發。CCS技術有非常寬廣的發展空間，在將來對于遏制全球氣候變暖問題將會產生非常關鍵的影響。

 

本文由安靜摘編自田澤、馬海良編著《低碳經濟理論與中國實現路徑研究》之第三章，內容有刪減。