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碳捕获与封存技术（CCS）2010-01-18 11:21:51|分类： 行业研究 阅读315 评论1 字号：大中小订阅 目前二氧化碳在大气中的含量水平为百万分之三百八十五，而其正以每年3%的速度增长。按这个速度发展，到2100年，空气中的二氧化碳的聚集量将达到百万分之一千一百，整个地球的气候条件将逐步接近史前年代：地球大气层和金星的大气层相类似，二氧化碳取代氮气成为主要成分;温室效应造成的高温将不适合任何动物的生存，人类社会则将在这一进程中崩溃。 造成这一切的主要原因，就在于人类的工业化进程使得碳的排放量已经远远超过了自然体系捕获碳的能力。如何阻止这一进程发展下去是个棘手的问题。作为补救措施之一，人类已经开始尝试将碳捕获与封存(CCS)作为一种产品推向前台，并已经在部分地区进行试点。 自然碳捕获 地球形成之初，大气层的主要成分是二氧化碳和甲烷，是个不适宜居住的星球。但自然改变了这一切。经过数亿年的时间，大部分二氧化碳都被“蓄碳池”体系所吸收。海水、绿色植被都是蓄碳池体系的组成部分。现今地球的海水里充满了远古时代的碳，其总量大约有35万亿吨。而经过数千万年的时间，地球上的原始森林也吸进了数万亿吨的二氧化碳。被植物所捕获到的大多数二氧化碳经过数十亿年的时间，都演变成更加固定的地质形态，包括石灰石、页岩，也包括煤炭、石油和天然气等碳氢化合物。 直到大约500年前，这种自然碳捕获的过程都进行得十分顺利。碳的循环在当时达到了一定的平衡：腐烂的植物或者火焰每排放一个二氧化碳分子，森林或海洋就会重新吸收一个同样的分子。空气中的二氧化碳浓度为百万分之二百七十。 然而，从公元1500年开始，这种平衡被逐渐打乱。由于农业的发展和对木材的需要耗尽了森林，地球吸进碳的能力逐步下降。更为重要的是，对能源需求贪得无厌的工业革命引发了碳氢化合物燃烧量的骤增，从而扭转了数亿年来碳储存的平衡。从18世纪末以来，人为的二氧化碳排放量已经从微不足道的每年1亿吨上升到每年63亿吨，大约比生物圈所能吸收的量多了一倍。由于每年进入大气层中的碳量比被捕获的碳量多出32亿吨左右，所以大气层中碳的聚集量开始上升，增加到了现在的每百万分之三百八十以上。 皮尤全球气候研究中心研究员本?普雷斯顿说：“即使人类今天停止了所有二氧化碳的排放，那么我们还得等上两三个世纪的时间，才能等到自然界的蓄碳池将已经在大气层中多余的二氧化碳吸收掉，让二氧化碳的聚集量恢复到工业化以前的水平。” 在这种背景下，人类开始了人为碳捕获与封存技术的尝试。 碳捕获与封存 二氧化碳捕获和封存技术在具体实践中同样分为“碳捕获”和“碳封存”两个步骤进行。对于碳捕获而言，人们现在已经掌握了三种主要的技术路径：燃烧后捕获(post-combustion)、燃烧前捕获(pre-combustion)和富氧燃烧捕获(oxyfuel-combustion)。 燃烧后捕获是指从化石燃料燃烧后产生的废气中采用液体溶剂和加热的方式将二氧化碳分离出来，而燃烧前捕获则是首先将化石燃料转化为氢气和二氧化碳的混合气体，然后二氧化碳被液体溶剂或固体吸附剂吸收，再通过加热或减压得以释放和集中。 与燃烧后捕获相比，燃料前捕获中碳的压力和浓度均相对较高。这使得碳的分离更为容易，同时也提供了进一步应用新型碳捕获技术的可能性。而如今正在实验室或试点项目中小规模使用的富氧燃烧技术，同样涉及燃料燃烧过程，但不同之处在于助燃剂是氧气而非空气。其燃烧后的废气也主要由水蒸气和高浓度的二氧化碳构成。 碳埋存技术的现实应用则需要首先寻找到适宜封存二氧化碳并使其与大气完全隔绝的地质层。而从地质学角度看，实际上有三类地质层均能用来埋存二氧化碳，其中最具吸引力的当属现有的油田和气田。基于人们对产油层和产气层的地质概况的深入了解，油田和气田已被证实可以容纳碳氢化合物。而更重要的是，将二氧化碳回注油田能显著提高油田采收率多达5%至15%，并可相应地延长油井生产寿命这种“化腐朽为神奇”之术实质上已成功地帮助了不少产量日减的油田得以增产延寿。 第二类地质层是不含碳氢化合物的圈闭(一种能阻止油气继续运移并能在其中聚集的场所)，但它具有和含油层、含气层和煤层类似的结构。 第三种就是底水-深度蓄水盐层，由于盐层的分布面积广大，因而被推举为一种长久的碳埋存解决方案。 案例研究 尽管捕获、运输和存储过程的每一个环节都经过了验证和使用，但是，迄今为止，全循环的系统还没有试验过。全世界范围已有十多个碳捕获计划正在筹备中。2008年9月，世界上第一个完整的碳捕获和存储技术示范项目在德国一家燃煤发电厂开始运转。该示范性试验项目建于德国北部Schwarze Pumpe发电厂旁边，每年将捕获10万吨二氧化碳，随后将之压缩，埋藏在枯竭的Altmark天然气田表面以下3000米的地方。该气田距离发电厂大约200公里。示范项目耗资7000万欧元（5700万英镑），能够输出12兆瓦的电力和30兆瓦的热能，足以供应1000多户家庭。 美国西弗吉尼亚州登山者（Mountaineer）项目将于2009年启动，有可能成为第一个把所有燃烧后捕获技术综合在一起的示范发电厂。这家发电厂只是一项更为雄心勃勃的计划的试验田。该计划从俄克拉荷马州一家燃煤发电厂捕获和存储二氧化碳，将于未来几年内开始运转，每年捕获150万吨二氧化碳，并掩埋于附近的油田。 中国在碳捕获与封存方面积极与澳大利亚、英国等技术发达国家合作，积极发展碳捕获与储存的试点项目。2008年7月，中国华能集团与澳大利亚联邦科学工业研究组织（CSIRO）正式宣布在北京成立的燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程建成投产。这项由华能控股的西安热工研究院设计完成的华能北京热电厂二氧化碳捕集示范工程，坐落于北京郊区，是中国首个燃煤电厂烟气二氧化碳捕集示范工程，预计其年回收二氧化碳能力可达为3000吨。2009年3月，神华集团表示其正在研究利用碳捕获和封存技术减少煤制油项目的二氧化碳排放，目前正在进行示范项目的研究、开发和评估工作。这一为神华集团位于鄂尔多斯100万吨直接煤制油示范项目配套的工程，将大大减少生产过程中二氧化碳的排放，以实现煤的清洁利用。研究表明，利用现代煤直接液化工艺，每生产一吨成品油，大概需要排放约3吨左右的二氧化碳，其中大部分纯度很高，捕集的成本相对较低。尽管科学家多年来一直认为，碳捕获和储存对于遏制气候变化来说是一项至关重要的技术，但到目前为止，该技术建设和运营成本昂贵，再加上二氧化碳会否逸出等问题在技术上存在不确定性，这一技术的发展一直受到限制。而该技术到底是不是对抗全球变暖的好办法，环保组织也意见不一。 跟踪相关公司技术开展工作进程。昂贵的技术 黄斌，这个研究二氧化碳捕捉的学者毫不避讳CCS技术存在的问题。在接受记者采访前一天，他还到华能北京高碑店热电厂看了一眼CCS装置运行情况。黄斌是华能西安热工研究院二氧化碳控制与减排研究所所长。华能北京高碑店热电厂是我国目前惟一在热电厂实现工业级应用碳捕集技术的项目。该项目于去年7月开始运行。黄斌所在的单位为此提供技术支持。高碑店热电厂每年约排放400万吨二氧化碳，碳捕集系统能够捕集其中的0.075%，约3000吨，而捕集能耗占电厂能耗则在30%以上。显然，其捕集的二氧化碳并不多，“几乎不到1%”。之所以如此，因为二氧化碳捕集装置的能耗一般都比较高，耗资比较大。以30万千瓦规模的电站，一年捕集100万吨二氧化碳为例，以往的电站投资大致在每千瓦4000元，一旦加上CCS装置，其成本将变成每千瓦8000到10000元。这意味着30万千瓦的电站几乎增加一倍以上的投资，达12亿元之巨。那么效益如何呢?目前火电厂发一度电大约排放一公斤二氧化碳，但是要对其进行捕捉，其中要耗费大量的能源、蒸汽甚至电，这样发一度电几乎要增加30%能耗，电价成本大概提高20%到30%。“谁来承担成本，而且要长期承担?”黄斌反问道。绿色和平气候与能源项目经理杨爱伦指出，目前在CCS技术尚未成型的阶段，即使有为数不多几个项目处于商业运行，其主要应用方向还是产油国公司将二氧化碳注入地下，以求扩大石油产量。目前，业界有三种二氧化碳捕集方法，分别是燃烧前、燃烧后以及富氧燃烧。专家分析认为，燃烧前捕集适合于未来新建电厂，燃烧后捕集适用于现有电站改造。中国开展的燃烧前捕集的案例就是华能的绿色煤电计划，燃烧后捕集的案例为华能北京热电厂，而富氧燃烧现在还在清华大学试验。和中国相同的是，其他国家的CCS项目目前也处于试验示范阶段，只是他们开始投入“巨资”研发此项技术，比如欧洲委员会近期宣布投入14亿美元在欧洲各国建立CCS示范工程。当然，环保主义者担心的不止是成本，他们还担心人类并不能控制储藏在地下的二氧化碳重新泄漏出来。所以当欧洲委员会公布方案之时，争议声一片。对此，先期研发CCS技术的公司宣称不会有这种事情产生。以道达尔的CCS项目为例，从地理位置上，道达尔的Lacq气田与居民区很近，可以说是“人口相对而言比较稠密的区域”。开始CCS试验之时，当地居民担心浓缩的二氧化碳封存在地下是否安全。“我们的项目在提交官方批准前，公司就和地方当局、社区组织和居民个人进行广泛沟通，详细介绍项目情况和专家的评论，让公众了解当地地质条件适合封存二氧化碳。”道达尔CCS项目负责人NicolasAimard表示。CCS背后的气候政治可以肯定的是，CCS技术对那些不愿意改变自身能源消费结构的政治家具有很大的吸引力。长期参加各项气候谈判的杨爱伦的一个深切体会是，CCS技术本身的研究、谈论是一个不带偏见的讨论，但是当西方国家一旦将CCS作为解决气候变化的主要方案，则使讨论具有了很大的政治意义。“欧洲国家有很多应对气候变化的方法，之所以本国投入巨资发展CCS技术，他们的理由是中国需要，中国有很多的煤电厂。”杨爱伦说。目前在中国的8亿千瓦的电力装机中，火电装机的比例达到了四分之三。中国似乎是这项技术的最大消费者。联合国气候变化委员会已经意识到，到2050年,世界的主要的能源结构还是以煤炭为主的火力发电,因此CCS将成为温室气体减排的主要技术方向。 这将不可避免地成为发展中国家的压力。当然，发达国家对此也会有很大的压力,特别是以煤作为主要能源的国家,如美国和澳大利亚等。据专家介绍，在气候谈判中，发展中国家特别是印度比中国更为抗拒CCS技术。在这些发展中国家看来，目前，发展中国家已经有很多技术成熟、发展空间非常大的减排技术，但是这些技术还未被大规模应用。如果发达国家确实想援助资金，这些才是最重要的领域。显然，中国不能被CCS绑死。能效问题专家程裕富告诉南方周末记者，目前CCS在中国的发展态势是，CCS技术公司在极力推动项目的进展，火力发电厂试图反对这种技术的可行性，政府积极鼓励技术的研发和合作。之所以如此，一方面，CCS技术的可行性不太确定，更关键的是CCS是在对减排的义务上的要求。中国在这方面采取比较谨慎的态度。确实如此，从中国的角度来说，似乎也不愿意被西方牵着鼻子走。此前，南方周末和国家发改委的相关官员接触之时，官员们对此项技术并不完全认同。在他们看来中国更“紧迫”的事情还有很多。当然，对于吃了很多亏的中国而言，更现实的想法是不在这轮技术浪潮中失去话语权。“中国以前谈论二氧化碳捕集，所使用的数据全部是国外的，现在做了自己的技术研发有利于国家高层在政策判断时有据可依。”黄斌说。黄斌至今记得20年前，中国电力行业根本无法判断电厂是否应该搞脱硫装置，后来当脱硫装置成为世界公认规则之时，发现自己的水平却不行，“国家巨大的脱硫商机就让给了国外”。他说，“我们无法判断未来是否会大规模进行二氧化碳捕集和封存，但是有这种可能性。” “碳捕捉”成为碳投资新宠 一项名为“碳捕捉”技术的应用将能使发电行业二氧化碳的排放量减少20%到40%，为各国快速实现碳减排目标和发展新能源赢得时间你可能想不到，你喝的可乐所含二氧化碳可能是从电煤燃烧产生并“捕捉”而来。北京市场上已经出现这种可乐，里面的二氧化碳来自华能集团北京热电厂燃烧产生的废气。这得益于一项称为碳捕捉与封存(CCS)的新技术，简单的原理就是在煤燃烧的过程中，通过一定的化学反应将二氧化碳捕捉下来，使之不排放到大气中，再经过压缩、运输，将其封存在枯竭的油田和天然气领域或者其他安全的地下场所。这项技术被认为是短期之内应对气候变化最重要的技术之一，可为各国快速实现碳减排目标和发展新能源赢得时间。当然，被捕获的二氧化碳也可以变费为宝，用于罐装可乐。据能源研究机构统计，当前全球发电行业所排放的二氧化碳占全球总排放量的40%，而CCS技术的应用将能够使发电行业二氧化碳的排放量减少20%到40%。碳捕捉作为减排新宠正悄然走俏。近日，欧洲委员会宣布投入14亿美元在欧洲各国建立13个CCS示范工程，大大超过了对风电以及其它新能源技术的投资。美国能源部也计划在未来10年内投入4.5亿美元，在美国7个地区进行CCS项目实验。中美两个总量占世界30%的碳排放大国，能源结构也都高度依赖火电，美国为45%，中国则高达78%。据英国卫报报道，中美之间正在就协同抗击气候变化密切接触，并已达成三条谅解备忘录，其中之一就是CCS等技术的合作研发。在中国，能源企业正积极投入CCS技术的自主研发和示范项目建设。2004年华能集团就在国内率先提出了绿色煤电计划，并于2005年底，联合大唐、华电、国电、中电投、国投、神华、中煤七家大型央企组建了绿色煤电公司，将用10年时间，分三个阶段，开发出可推广的绿色煤电示范电站。据绿色煤电有限公司生产科技与国际部林凯经理透露，今年7月初，第一阶段的依托项目天津25万千瓦级IGCC(整体煤气化燃气-蒸汽联合循环)电站示范工程将举行开工典礼，2011年底投产发电。神华集团则在研究利用CCS技术减少煤制油项目的二氧化碳排放。据气候组织CCS项目经理尹乐介绍，神华目前正在研发和评估国内首个碳捕捉和封存项目鄂尔多斯100万吨直接煤制油配套工程，预计1-2年内进行规模实施。中国政府也愿意推动CCS的科研与示范项目建设，但前提是得到发达国家更多的技术和资金支持。技术和资金目前也是全球发展CCS的主要瓶颈。据绿色煤电有限公司生产科技与国际部研发工程师刘宇介绍，虽然二氧化碳的捕捉和运输技术都比较成熟，地质埋存也有先例，但到目前为止，全世界还没有一座大型的完整的二氧化碳捕集、运输到封存的产业链系统，同时，CCS的大规模推广又依赖于大型示范工程经验的积累。目前CCS技术成本很高，捕捉每吨碳大约需20-40美元。降低成本的最终途径，要靠技术进步和产业化的推进。解决这一系列问题都必须依赖各国政府的政策、资金支持和国际间合作。气候组织CCS项目经理尹乐说，“No policy, no CCS。”去年G8会议提出，在2010年以前，由各国政府支持在全球范围内建设20个CCS示范项目，以保证到2020年时实现CCS商业化。今年5月27日，全球首次CCS高级别会议在挪威卑尔根召开。会议目标非常明确：推动CCS纳入COP15协议框架的进程以及将CCS纳入全球碳交易体系。 国内首个碳捕获和封存示范项目将用于煤制油 日前，国内首个碳捕获和封存示范项目正在神华集团进行研发、评估。该项目为神华100万吨/年煤直接液化示范工程配套项目，将大大减少煤制油过程中排放的二氧化碳，以实现煤炭清洁转化。目前包括地质封存等各种封存方式都在考虑之列，项目预计1-2年内进行规模实施。 二氧化碳的捕集方式主要有三种：燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集。无论哪种捕集方法，简而言之是将燃煤发电厂产生的气体收集起来，经过脱硫等工序，将二氧化碳分离并收集起来。捕集到的二氧化碳必须运输到合适的地点进行封存，可以使用汽车、火车、轮船以及管道等运输方式。一般说来，管道是最经济的运输方式。碳捕获中国开局 两个示范项目已启动哥本哈根会议结束后的2009年岁末，全球最大的燃煤电厂“碳捕获”项目在上海进入调试阶段，建成后每年可捕集10万吨高纯度二氧化碳。这个隶属中国华能集团上海石洞口第二热电厂的项目，自2009年7月启动，项目总投入1.5亿元人民币，由此见证“碳捕获与封存”(Carbon Capture and Storage，以下简称CCS)在中国的惊人发展。不过，这仅是华能集团的第二个碳捕获项目第一个项目位于北京东郊的高碑店热电厂，建成一年多已捕获二氧化碳3000余吨。CCS技术是将能源生产和利用过程中产生的二氧化碳捕集后进行封存，避免其排放入大气，引起或加剧气候变化的一种新型技术。除了直接的二氧化碳减排，还可实现石油、煤炭等化石能源的可持续利用。全球目前燃煤产生的二氧化碳是90亿吨/年。科学界最为乐观的估计是，地下可埋存10万亿吨二氧化碳，保守估计亦达2000亿吨，这相当于未来数百年通过燃煤产生的二氧化碳排放的总量，或截至目前人类的二氧化碳总排量。“CCS技术可以快速、大规模地降低大气的二氧化碳浓度，在继续使用煤作为主要能源的条件下，实现二氧化碳减排目标。”中科院南海海洋研究所研究员周蒂对此技术的应用前景颇为乐观。在美国、德国和印度，一半以上的发电是靠烧煤，而中国这一比例则高达70%。“这也就意味着，为中国燃煤电厂排放的二氧化碳寻找出路的问题，将长期困扰我们。”中科院武汉岩土力学研究所研究员李小春告诉记者。两个示范项目德国2001年耗资7000万欧元研究CCS技术之际，中国尚未对此充分重视。作为中国CCS的专家，西安热工研究所有限公司总工程师许世森，清楚地感受到他领导的石洞口、高碑店项目给自己带来“国际地位”他经常遇到一些国外专家的合作邀请。“早先，对于碳捕获的研究仅是一些实验室在做，在十五期间的国家课题中几乎没有涉及CCS。有人认为，中国要一步一步来。”许世森说。转机出现在2006年，经国家发改委推动，CCS技术被作为中澳两国合作的重点。华能集团由此获得一个任务：在2008年奥运会开幕之前建立一个CCS示范项目。掌舵华能集团的李小鹏立即指示成立课题组，并明确目标“到奥运会之前投入运行”。这一计划得到北京市政府的支持。2007年9月3日，中国华能集团、澳大利亚联邦科学工业研究组织签署了关于洁净发电及二氧化碳捕集与处理等技术研究的合作框架。作为参与方的西安热工研究所有限公司，正是华能集团控股公司。高碑店项目于2007年8月正式开工，包括设计在内整个工程耗时近八个月，耗资2850万元。当这一装置正式运行时，很多专家们表露出惊讶。自此，CCS在中国引起了越来越多的关注，CCS的研究热了起来，高碑店热电厂成了学习基地，据电厂负责人描述，“差不多每周都有团队前来参观”。碳捕获工艺目前分为三种，即燃烧后捕获、预燃烧捕获和含氧燃料燃烧捕获工艺。高碑店、石洞口两项目即是燃烧后捕获，通常是利用醇胺类溶剂从发电站废气中捕获二氧化碳。据介绍，石洞口项目的规模将远大于高碑店。与此同时，华能集团所主导的另一项目“整体煤气化联合循环发电技术”(IGCC)示范工程，已于2009年7月在天津临港工业区开工建设。IGCC能在煤炭燃烧前从气化的煤炭中捕获到其中的碳，捕获之后，电厂主要燃烧氢气，可以做到二氧化碳的“近零排放”。这是国家发改委批准的第一个IGCC上马项目，华能集团70亿元“绿色煤电”投资试水，被寄望于对该技术的示范和探索。“大规模的示范才能够获得相应的数据，如果走不出实验室、走不到工业示范这一步，实验室研究起到的推动作用会比较小。”许世森说。易捕获、难封存实际上，高碑店和石洞口两项目仅仅运用了CCS技术的前半部分碳捕获，对于封存技术并未涉及。碳封存是指将大量捕获到的二氧化碳，存储在地质结构之中，从而减少二氧化碳排放。目前常见的三种封存方式，是碳封存于地下底层的自然孔隙中、地质深层盐水层及深海封存。中科院研究员周蒂告诉记者，二氧化碳的海洋封存分为海底以下封存和海水层封存。将二氧化碳封存在海底以下，从技术上来讲是完全可行的。挪威曾在1996年即完成一项碳回灌海底工程。联合国相关机构检测证明，其至今仍是安全的。但在海水层中封存碳还有很大的不确定性。“因为碳溶于水后，质量变大会下沉到海底。这是否影响海底生态有待考证。”周蒂说。除海洋封存外的另外两种封存方式，也同样存在着不确定性。“目前的难点是对地质的勘探是否准确，对一个地点的地质构造是否有把握；埋存下去后要进行监测，到底能保存多久，可能会从什么地方泄露？所有这些都需要进行示范。”许世森说。目前，不少国家与商业公司正在进行有关碳封存的研究工作。中国内地对于碳封存技术的研究业已升温，中科院、电力、石油等部门对此都有兴趣。2009年6月末，欧盟委员会通过了一个最高资助额将达5000万欧元的新计划，资助中国碳捕获与封存项目的建设与运行。与此同时，中美之间在CCS技术和项目上的合作也已经展开。中科院武汉岩土力学研究所研究员李小春透露