碳捕捉和储存技术.docx

碳捕捉和储存技术CCS碳捕捉和储存技术 CCS 12 月 7 日,联合国气候变化大会如期在哥本哈根拉开帷幕,来自 192 个国家和 地区的代表出席了这次峰会.几日下来,大会火药味十足,俨然成吵架大会. 虽然各国的减排目标还处于拉锯战中,如何达到这些减排目标将是接下 来各国关注的问题,于是,碳捕捉技术再次成为媒体关注焦点. 相对于人造火山或是太空反光镜这类不靠谱的科技狂想,二氧化碳捕集封存 技术(CCS 技术)被认为更能拯救地球.众所周知,人类为防止气候变暖需要节 能减排,特别是减少二氧化碳的排放.减排路径有许多,但对于以燃煤为主要能 源的国家,减少燃煤使用代价高昂,因此 CCS 成为重要替代选择,因此对那些不 愿改变能源消费结构的国家来说,这有极大吸引力. 国人也许对碳捕获技术稍感陌生,殊不知它正是当今世界上国际最热门的 气候变化领域最前沿, 最重大的话题之一, 国际政治领袖们无不投以巨大关注. 早在去年年底,央行行长周小川就曾畅谈过碳捕获的深意,并认为金融业在 这方面大有可为.而根据浙大相关专家的看法,国外许多科研机构早已经从中嗅 到了巨大的利益诱惑,并悄悄把目标瞄准了国内碳排技术市场. 原始大气中二氧化碳的浓度非常高,并不适宜人类生存,地球是通过把二氧化碳 固化后埋在地下(即成煤成油的过程),从而降低了大气中二氧化碳的浓度,变 得适宜人类生存了.现在的情况,正好相反,人类通过开采煤,油,把埋在地下 的二氧化碳挖了出来,再排放到大气中,大气的二氧化碳浓度就增加了,随之而 来的就是温室效应带来的一系列影响. 这实际是对工业革命,化石能源疯狂利用的一种嘲讽和报复.后工业时代注定要 解决工业革命的麻烦. 1850 年全球 CO2 排放量仅为 2 亿吨,到 2005 年则增加到 259 亿吨.这其中,全 球化石燃料的消费主要集中在工业,电力和交通运输部门,其 CO2 排放量约占全 球 CO2 排放总量的 63.09%72.96%. 现在,全球各国首脑希望人类在 2050 年时,把气温控制在不超过 1850 年时多 2 摄氏度. 如何减少大气中的二氧化碳排放量,科学家们已经想了各种办法. 第一步是碳捕获. 据方梦祥教授介绍, 目前国际上比较成熟的是化学吸收法, 简单来说就是利用 CO2 和某种吸收剂之间的化学反应, CO2 气体从烟道气中分 将 离出来,目前科学家已经找到了多种性能优良而环保的吸收剂.还有一种方法叫 膜分离法,化石燃料燃烧后的烟气在通过膜时被分类处理了,有的会溶解并 通过,有的却通不过被拦截了.为了提高二氧化碳的减排效率,科学家还发 明了一种富氧燃烧法,用纯氧燃烧使得排放的 CO2 纯度更高.据悉,目前国际上 像美,英,挪威包括中国都有一些碳捕捉试验项目,其中碳的捕捉效率可以高达 90%. 捕碳还不是最难的,而且,就算是把捕捉到的 CO2 再利用,拿去生产 碳酸饮料,最后 CO2 还是排到了大气中,科学家需要把 CO2 安全而永久地封 存起来,这种碳捕捉与储存技术被称为 CCS(即 Carbon Capture and Storage 的缩写)技术. 科学家目前主要的思路是封到地下, 包括深海存储和地质储存. 先说深 海存储,要知道,海洋是全球最大的 CO2 贮库,其总贮量是大气的 50 多倍, 在全球碳循环中扮演了重要角色.将 CO2 进行海洋储存的方式,主要是通过管道 或船舶将 CO2 运送到海洋储存地点,然后将 CO2 注入海底,在海底的 CO2 水最后 会碳化并保存下来.这个方法也有一定隐患:CO2 是通过船舶用高压打入海底 的,万一 CO2 发生泄漏后果不堪设想,特别是海震时常发生. 目前科学家认为相对可行的是地质储存, CO2 打入地下 12 千米的盐水层, 把 在这样的深度,压力会将二氧化碳转换成所谓的超临界流体,并缓慢固化, 就像地下的煤炭石油一样.在这样的状态下,二氧化碳才不容易泄漏.另外, 这片岩体的结构要好,有足够多的空间来容纳二氧化碳,而且具有连续性,面积 够大.据预测全球盐水层的储量达到 10 万亿吨,可以储存 1000 年. 到现在为止,全球共有三个成功的 CCS 项目在进行中.美国 Weyburn-Midale 项 目填埋的是北达科他萨斯喀彻温省一座废弃油田的煤炭气化厂产生的二氧化碳. 英国石油公司经营的阿尔及利亚萨拉油田项目把从当地生产的天然气中提取的 二氧化碳输入地下. 挪威大型石油天然气公司国家石油公司也在北海有两处类似 的项目.另外,全球有上百个 CCS 项目正在建设中. 在国内,继北京的华能高碑店项目后,华能石洞口第二电厂碳捕获项目 7 月 份在上海开工,该项目总投资 1.5 亿元,今年年底将建成,预计年捕获二氧化碳 10 万吨,并号称是全球最大的燃煤电厂碳捕获项目. 虽然目前 CCS 技术仍在实验阶段,其技术能否收到预期效果还有待证实,但 成本之高已经叫人咋舌.根据麻省理工大学去年发表的一份报告,捕捉每吨二氧 化碳并将其加压处理为超临界流体要花费 30-50 美元, 将一吨二氧化碳运送至填 埋点埋藏需要花费 10-20 美元.这也就是说,发电厂每向大气中排放一吨二氧化 碳就要支付 40-70 美元,欧盟现行的碳价格则为 8-10 欧/吨,这一数字也接近 联合国政府间气候变化专门委员会建议的碳价格的中间值. 方梦祥教授也给记者简单算了一笔账: 比如, 燃烧 1 吨煤要排放出 2 吨的 CO2, 现在的煤价按 600 元/吨计,加上碳排放增加的 600 多元,成本增加了一倍,而 燃烧 1 吨煤可以发电 300 度,摊到每度电上,就是电价增加 70%-90%,而如果把 生产,运输,销售中增加的碳价格核算到每件商品上,最后就能算出该商品的碳 排放价.如果征收起碳税来,这个数字将是很可观的.无怪乎,有专家称石 油交易之后碳排放交易最具潜力,全球碳排放市场将成为未来最大的市场. 与此同时,各国资本已经开始觊觎这个产业,欧盟委员会已明确表示,欧盟 计划直接投资 80 亿欧元用于 CCS 领域的技术研发.这对我们来说,既是挑战 也是机遇,现在,国外许多机构早已经瞄准了国内碳排技术市场,像我们浙江大 学已经跟欧盟,美国能源部,英国等建立起技术合作关系,其实,我们国内的碳 捕捉技术成本相比国外要低廉很多,如果可以抢占一些市场份额还是大有可为 的,可惜,目前国内企业很少能有这样的眼光.方梦祥教授说.(青年时报) -碳捕获技术简介 目前,主要有四种不同类型的 CO2 收集与捕获系统: 燃烧后分离(烟气分离),燃料前分离(富氢燃气路线),富氧燃烧和工业分离 (化学循环燃烧),每种捕获技术的技术特点及其成熟度见下表. 在选择捕获系统时,燃气流中 CO2 浓度, 燃气流压力以及燃料类型(固体还是 气体)都是需要考虑的重要因素. 对于大量分散型的 CO2 排放源是难于实现碳的收集,因此碳捕获的主要目标 是像化石燃料电厂,钢铁厂,水泥厂,炼油厂,合成氨厂等 CO2 的集中排放源. 针对排放的 CO2 的捕获分离系统主要有 3 类:燃烧后系统,富氧燃烧系统以 及燃烧前系统. 燃烧后系统介绍 燃烧后捕获与分离主要是烟气中 CO2 与 N2 的分离.化学溶剂吸收法是当前 最好的燃烧后 CO2 收集法,具有较高的捕集效率和选择性,而能源消耗和收集成 本较低.除了化学溶剂吸收法,还有吸附法,膜分离等方法. 化学吸收法是利用碱性溶液与酸性气体之间的可逆化学反应. 由于燃煤烟气 中不仅含有 CO2,N2,O2 和 H2O,还含有 SOx,NOx,尘埃,HCl,HF 等污染物. 杂质的存在会增加捕获与分离的成本,因此烟气进入吸收塔之前,需要进行预处 理,包括水洗冷却,除水,静电除尘,脱硫与脱硝等. 烟气在预处理后,进入吸收塔,吸收塔温度保持在 4060,CO2 被吸收剂吸 收,通常用的溶剂是胺吸收剂(如一乙醇胺 MEA).然后烟气进入一个水洗容器以 平衡系统中的水分并除去气体中的溶剂液滴与溶剂蒸汽,之后离开吸收塔.吸收 了 CO2 的富溶剂经由热交换器被抽到再生塔的顶端.吸收剂在温度 100140和 比大气压略高的压力下得到再生.水蒸汽经过凝结器返回再生塔,而 CO2 离开再 生塔.再生碱溶剂通过热交换器和冷却器后被抽运回吸收塔. 富氧燃烧系统介绍 富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的介质. 燃烧产物 主要是 CO2 和水蒸气,另外还有多余的氧气以保证燃烧完全,以及燃料中所有组 成成分的氧化产物,燃料或泄漏进入系统的空气中的惰性成分等.经过冷却水蒸 汽冷凝后,烟气中 CO2 含量在 80% 98%之间.这样高浓度的 CO2 经过压缩,干燥 和进一步的净化可进入管道进行存储.CO2 在高密度超临界下通过管道运输,其 中的惰性气体含量需要降低至较低值以避免增加 CO2 的临界压力而可能造成管 道中的两相流,其中的酸性气体成分也需要去除.此外 CO2 需要经过干燥以防止 在管道中出现水凝结和腐蚀,并允许使用常规的炭钢材料. 在富氧燃烧系统中,由于 CO2 浓度较高,因此捕获分离的成本较低,但是供给 的富氧成本较高.目前氧气的生产主要通过空气分离方法,包括使用聚合膜,变 压吸附和低温蒸馏. 燃烧前捕获系统介绍 燃烧前捕获系统主要有 2 个阶段的反应. 首先, 化石燃料先同氧气或者蒸汽反应,产生以 CO 和 H2 为主的混合气体(称 为合成气),其中与蒸汽的反应称为蒸汽重整,需在高温下进行;对于液体或 气体燃料与 O2 的反应称为部分氧化,而对于固体燃料与氧的反应称为气 化.待合成气冷却后,再经过蒸汽转化反应,使合成气中的 CO 转化为 CO2,并产 生更多的 H2.最后,将 H2 从 CO2 与 H2 的混合气中分离,干燥的混合气中 CO2 的 含量可达 15%60%,总压力 27MPa. 从混合气体中分离并捕获和存储,H2 被用 CO2 作燃气联合循环的燃料送入燃气轮机,进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电. 这一过程也即考虑碳的捕获和存储的煤气化联合循环发电(IGCC).从 CO2 和 H2 的混合气中分离 CO2 的方法包括:变压吸附,化学吸收(通过化学反应从混 合气中去除 CO2,并在减压与加热情况下发生可逆反应,同从燃烧后烟道气中分 离 CO2 类似), 物理吸收(常用于具有高的 CO2 分压或高的总压的混合气的分离), 膜分离(聚合物膜,陶瓷膜)等. 碳捕捉与封存技术 碳捕获和封存(以下简称 CCS)是一种将工业和能源排放源产生的 CO2 进行收集, 运输并安全存储到某处使其长期与大气隔离的过程.CCS 主要由捕获,运输,封 存三个环节组成. 碳捕获 CO2 的捕获,指将 CO2 从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来,并将其压缩 的过程. 对于大量分散型的 CO2 排放源是难于实现碳的收集,碳捕获的主要目标是化 石燃料电厂,钢铁厂,水泥厂,炼油厂,合成氨厂等 CO2 的集中排放源.目前针 对化石燃料电厂的捕获分离系统主要有三种,即燃烧后捕获系统,燃烧前捕获系 统和氧化燃料捕获系统. CO2 捕获已经在一些工业应用中采用,马来西亚一家工厂采用化学吸附工艺, 每年从燃气电厂的烟道气流中分离出 02106t 的 CO2,用于尿素生产.美国北 达科他州煤气化工厂采用物理溶剂工艺,每年从气流中分离出 33106t 的 CO2, 用于生产合成天然气,捕获的一部分 CO2 用于加拿大的强化采油项目. 碳运输 CO2 的运输,指将分离并压缩后的 CO2 通过管道或运输工具运至存储地.第 一条长距离的 CO2 输送管道于 20 世纪 70 年代初投入运行. 在美国,有超过 2, 500 公里的 CO2 输送管道,通过这些管道,每年有大约 40106t 的 CO2 被运输到德克 萨斯州用于强化采油. 碳封存 CO2 的存储,指将运抵存储地的 CO2 注入到如地下盐水层,废弃油气田,煤 矿等地质结构层或者深海海底或海床以下的地质结构中. 这个过程涉及许多在石油和天然气开采和制造业中研发和普遍应用的技术, 如用泵向井下注入 CO2,并通过在井底部的凿孔或筛子使 CO2 进入岩层. 此外 CO2 回注油田可以提高采油率,在煤层中注入 CO2,可以回收煤层气,这个 过程也就是通常所说的强化采油(EOR)和强化采煤层气(ECBM).目前有三个工业 规模(大于 1108tCO2/a)的项目在采用这种技术:北海的斯莱普内尔(Sleipner) 项目,加拿大的韦本(Weyburn)项目和阿尔及利亚的萨拉赫(Salah)项目. 碳运输技术简介 在 CO2 运输方面,目前最可行的办法是利用管道输送. 管道是一种已成熟的市场技术,将气态的 CO2 进行压缩可以提高密度,从而 可降低运输成本.也可以利用绝缘罐将液态 CO2 装在罐车中进行运输.在某些情 况下,使用船舶运输 CO2 从经济角度讲更具有吸引力,尤其是需要长途运输或需 将 CO2 运至海外时,但由于这种情况需求有限,故而目前运输规模较小. 在技术上, 公路和铁路罐车也是切实可行的方案. 然而,除小规模运输之外,这类运输系统与 管道和船舶相比则不经济,不大可能用于大规模运输. 目前,美国等国家在管道运输技术方面已很成熟,需要解决的问题是如何降 低运输成本. 运输成本主要取决于管道长度和管道直径,而由于捕获(包括压缩)成本非常 高,使得运输成本在整个成本中所占比例较低.因此只要捕获和封存成本较低, 或为了获得其他一些收益(如提高油田采收率),许多国家不惜长距离运输的高成 本远距离输送 CO2. 例如美国为提高原油采收率,采用远距离输送高压液态 CO2,最长的输送管 是绵羊山脉(Sheep Mountain)运输管道,它将南科罗拉多州的 CO2 运至得克萨斯 的二叠纪盆地,距离为 656km. 碳封存技术简介 碳封存是指将捕获,压缩后的 CO2 运输到指定地点进行长期封存的过程. 目前,主要的封存方式有地质封存,海洋封存和碳酸盐矿石固存等等.另外, 一些工业流程也可在生产过程中利用和存储少量被捕获的 CO2. 但是,从普通电厂排放, 未经处理的烟道气仅含有大约 3%16%的 CO2,可压缩 性比纯的 CO2 小得多,而从燃煤电厂出来经过压缩的烟道气中 CO2 含量也仅为 15%,在这样的条件下储存 1t CO2 大约需要 68m3 储存空间.因此,只有把 CO2 从 烟气里分离出来,才能充分有效地对它进行地下处理. 在将 CO2 封存到地下之后,为了防止 CO2 泄漏和或迁移,需要密封整个存储空 间. 因此,选择一个合适的具有良好封闭性能的封存盖层也十分重要,它可以起到 一个盖子的作用,以确保能把 CO2 长期地封存在地下. 比较有效的办法是利用常规的地质圈闭构造,它包括气田,油田和含水层, 对于前两种,由于他们是人类能源系统基础的一部分,人们已熟悉他们的构造和 地质条件,所以利用它们来储存 CO2 就比较便利和合算; 而含水层由于其非常普遍,因此在储存 CO2 方面具有非常大的潜力. 根据碳封存地点和方式的不同,可将碳封存方式分为地质封存,海洋封存, 碳 酸盐矿石固存以及工业利用固存等. 其中,每种封存方式又包括不同的具体技术, 他们的发展现状见下表. -碳捕捉与封存技术的发展现状 现在, CCS 技术已受到国际科技和产业界的密切关注.由于其与现有能源系统基 础构造的一致性,受能源资源条件限制较小,该技术尤其受到工业化国家的广泛 关注与密切重视,美国,欧盟和加拿大等都制定了相应的技术研究规划,开展 CCS 技术的理论,试验,示范及应用研究.根据国际能源署的统计,截至到目前,全世 界共有碳捕获商业项目 131 个,捕获研发项目 42 个,地质埋存示范项目 20 个,地 质埋存研发项目 61 个. 其中,比较知名的有挪威 Sleipner 项目, 加拿大 Weyburn 项目和阿尔及利亚 In Salah 项目等. 近年来,欧美国家又开始把火力发电厂排放的 CO2 作为主要储存对象,开始 进行地下储存的实验.2002 年 11 月开始,美国能源部在西维吉尼亚新港口美国 电力能源公司(AEP)的山顶电厂开展利用地质学方法存储 CO2 的研究项目; 2003 年 2 月,欧盟委员会资助的二氧化碳储存研究项目在丹麦,德国,挪威与英 国开展储存发电厂排放的 CO2 储层性质的研究;目前,在示范项目方面,全球范围 内已有几个 250MW 规模的 IGCC 燃煤电厂建成.在 CCS 实验项目方面, 2004 年 9 月 14 日在澳大利亚墨尔本召开的世界碳固存领导人论坛上,国际合作推动的 10 个实验改进技术项目得到确认,与会的国家对碳固存的国际合作均表示出浓厚的 兴趣. 以上述已经进行的项目和实验说明, CCS 技术是一项极具潜力的减少 CO2 排 放的前沿技术,该技术有可能在经济发展与环境保护两个方面实现双赢局面.因 此,我国也应密切关注 CCS 技术的研究现状和最新进展,及早开展相关技术研究 规划和理论与试验的示范与应用. 案例: 以美国为例, 美国于 2000 年开始由美国能源部主持正式开展 CO2 封存研究和发展项目,其中将地质封存和海洋封存列为主要研究领域,同时研究 陆地生态系统(森林,土壤,植被等)对二氧化碳的隔离作用,并制订了详细的技 术路线图,详情见下表 2005 年美国已开展了 25 个 CO2 地下构造注入,储存与监测的外场试验,并已进 入验证阶段. -我国碳捕集与封存技术发展前景及行动 中国的国情,发展阶段和能源结构决定了碳捕集与封存技术(CCS)是中国应对 气候变化的一项重要战略选择,也是全球碳捕集与封存最具潜力的市场;虽然该 技术仍处于研发和示范阶段,但国内高校,科研机构和企业已积极行动,取得进 展,中国 CCS 中心筹建的可行性研究也在进行之中;全面认识 CCS 技术本身及发 展中存在的问题,对于中国提高技术研发能力,应对气候变化能力和综合竞争力 具有重要意义. 中国应对气候变化的重要选择:碳捕集与封存 京都议定书的生效为人类共同应对气候变化提供增添了希望,但通过提 高能效,使用可再生能源等来减少二氧化碳排放的技术手段仍比较单一,而以能 源驱动的现代社会,化石燃料仍将继续是主要的能源供给,二氧化碳等温室气体 的减排面临巨大压力.要实现温室气体浓度稳定在一定水平,还需要采用综合的 减排措施,在这样的背景下,IPCC 特别推荐碳捕集与封存技术,以期来共同灵 活应对温室气体到减排. 所谓二氧化碳的收集与储存,及时收集化石燃料燃烧产生的二氧化碳,并在 天然地下储层中长期储存,以减少二氧化碳向大气排放.这项技术手段不但是全 球温室气体减排的重要选择,而且是减少大气中二氧化碳浓度的根本措施,能够 真正实现能源利用的近零排放. 近年来,中国快速的经济增长对能源的需求日益增加,温室气体排放量已位 居世界前列,而中国又是一个深受气候变化影响的发展中国家,极端天气事件频 发.目前以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源结构,使碳捕集与 封存在中国应用前景极其广阔, 也必将成为中国碳减排和应对气候变化的重要技 术选择. 中国 CCS:仍处于研发阶段 从 20 世纪 70 年代起,我国开始注意二氧化碳提高石油采收率的研究工作. 但与国际先进的做法相比,中国的 CCS 研究与开发还处于前期.二氧化碳捕集只 适用于一些二氧化碳纯度高,比较容易捕集的炼油,合成氨,制氢,天然气净化 等工业过程.整体看,目前我国的二氧化碳捕集与封存仍处于实验室阶段,而且 大都采用燃烧后捕集的方式,工业上的应用也主要是提高采油率. 但是近年来中国在 CCS 的研究上作了很多工作,从 2003 年开始中国政府就 参加了碳捕集领导人论坛.973 计划,863 计划在内的国家重大课题都 对 CCS 进行了研究.此外,华能和神华等大型公司也对 CCS 进行规划,研究和示 范.2008 年 7 月 16 日,我国首个燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程华能北京 热电厂二氧化碳捕集示范工程正式建成投产, 标志着二氧化碳气体减排技术首次 在我国燃煤发电领域得到应用. 作为发展中国家第一个 CCS 中心, 煤炭信息研究院将与国际能源署合作开展 筹建中国 CCS 中心的工作.它将积极推动中国 CCS 技术的研发与示范,技术 转移和信息共享. CCS 面临的现实挑战 虽然 CCS 作为一种消除温室气体的根本技术途径,具有很大的发展潜力,但 它的应用将极大地改变传统的能源生产方式,影响经济成本;对地质结构,海洋 生态,人体健康和地球循环系统具有极大不确定性,影响人类生存环境;它的应 用还将改变人们现有认知,现存法律法规及政策,影响社会承受度.所以,CCS 面临一下问题: 成本太高.目前估计 CCS 的应用将使发电成本增加大约 0.01-0.05 美元/千 瓦时,并消耗 20%以上的能源,这将阻碍 CCS 的发展. 健康,安全和环境风险.在 CCS 的应用中,将存在管道运输相关联的风险, 地质封存渗漏引发的风险,二