温室效应及CO2地下储存

环 境 岩 土 工 程第十一讲温室效应及大气污染,一 、温室效应及CO2地下储存,一、气候变化与温室效应,在过去的100年（1906-2005年）中，全球平均地表气温升高0.74。,近100年来中国的地表平均气温上升明显，升温幅度约为0.5-0.8度。,CO2, CH4, N2O, H2O,地表吸收,地表吸收,温室,太阳短波辐射,地球和大气长波辐射,大气层,太阳短波辐射,地球和大气长波辐射,增温效应,增温效应,如没有温室气体，地球表面平均温度约为18，而实际温度为15。,温室效应基本原理,温室效应：太陽輻射進入地球時，地球也放出長波輻射，但地球的長波輻射卻會遭到大氣層中某些微量氣體的選擇吸收。這些微量氣體選擇吸收了地球的輻射能後，有都分會再反射回到地球，因而使得大氣保存了部分輻射能，於是造成地球的溫度比其輻射平衡時的溫度高，因而可以使地球溫度升高，我們稱這種作用為大氣的溫室效應。,受控的6种人为温室气体：CO2（二氧化碳）CH4（甲烷）N2O（氧化亚氮）HFCs（氢氟碳化物）PFCs（全氟化碳）SF6（六氟化硫）,二、温室效应成因及其特点,温室气体：水汽、二氧化碳 、甲烷、含氯氟烃、臭氧,原因：化石燃料 海洋污染 燃烧森林,ppm：体积浓度表示法，百万分之一,大气中的温室气体浓度变化趋势 工业革命前：280PPM 现在：379PPM 预计2050年：550PPM,温室气体排放水平及趋势（1990年） 全球年排放：60亿吨碳，并逐年增长 美国：14亿吨碳，占全球排放的24 中国：6.5亿吨碳，占全球排放总量的11。,温室气体排放水平及趋势（2007年） 全球年排放：276亿吨CO2 美国：59亿吨CO2 ，人均19.4吨 中国：67.2亿吨CO2 ，人均5.1吨。,1988年11月，WMO和UNEP（联合国环境规划署）共同成立了政府间气候变化专业委员会（IPCC），组织全世界3000多的科学家开展全球气候变化科学评估活动。IPCC分别于1990年、1995年、2001年和2006年完成了四次全球气候变化科学评估报告。,温室效应的危害,过去100年（19062005年）全球地表平均温度升高0.74。2005年全球大气二氧化碳浓度379PPM，为65万年来的最高值。与1980年1999年相比，21世纪末全球平均地表温度可能会升高1.1-6.4。21世纪高温、热浪以及强降水频率可能增加，台风强度可能加强。,IPCC第四次科学评估报告第一工作组的部分结论：,20世纪全球海平面上升约0.17米，19612003年平均上升速率约为1.8毫米；19932003年平均上升速率为3.1毫米。20世纪后半叶可能是过去1300年中最暖的50年；20世纪可能是过去1000年中最暖的100年。北极海冰面积明显减小，春季海冰厚度减少40。北半球多年冻土层正在融化。,IPCC第四次科学评估报告第一工作组的部分结论：,1）加强环境意识教育，促进全球合作,三、控制温室效应的对策,2008年6月5日：世界环境日主题“转变传统观念，推行低碳经济”Kick the Habit! Towards a Low Carbon Economy.,1989“警惕全球变暖” Global Warming; Global Warning.,1991“气候变化需要全球合作” Climate Change. Need for Global Partnership.,1979年第一次世界气候大会呼吁保护气候1988年联合国大会通过为当代和后代人类保护气候的决议1990年联合国大会决定启动公约谈判1992年联合国气候变化框架公约开放签约，我国签署并批准1994年气候公约生效1997年京都议定书通过2005年2月16日京都议定书正式生效2008年1月通过巴厘路线图2008年12月波兹南大会2009年12月哥本哈根会议,联合国为对付气候变化而采取的行动：1990年12月，第45届联大决定制订联合国气候变化框架公约；1991年2月正式启动谈判。经过历时一年多共5轮谈判，1992年5月9日通过了联合国气候变化框架公约；1994年3月21日生效。,联合国气候变化框架公约,气候公约的目标: “将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上”气候公约确定的原则：共5条基本原则，核心是下面两个： - 共同但有区别的责任的原则 - 促进所有国家，特别是发展中国家可持续发展的原则,联合国气候变化框架公约,气候公约缔约方应承担的义务：发达国家在气候公约下的义务： 报告本国温室气体排放水平及采取减排的政策和行动 向发展中国家提供新的和额外的资金和技术援助 帮助发展中国家提高应对气候变化的能力建设将本国2000年温室气体排放水平回复到1990年排放水平,联合国气候变化框架公约,发展中国家： 依据所获得的援助提交以国家温室气体排放清单为核心的“国家信息通报” 采取或合作采取有利于保护气候的政策和行动,联合国气候变化框架公约,1997年12月11日，通过了联合国气候变化框架公约京都议定书。议定书是气候公约第4条“承诺”的一项补充，规定了发达国家在2008年至2012年的具有法律约束力的温室气体减排义务。,京都议定书,发达国家在京都议定书下的义务：在2008年至2012年，需将其人为温室气体排放水平在1990年基础上平均减少5%。其中，欧盟为8，美国7，日本6，澳大利亚增长8。向发展中国家提供新的和额外的资金和技术援助帮助发展中国家提高应对气候变化的能力建设 发展中国家在京都议定书下的义务：继续履行在公约下的义务,京都议定书,1）加强环境意识教育，促进全球合作2) 绿化对策3) 控制人口，提高粮食产量，限制毁林4）调整能源战略,三、控制温室效应的对策,调整能源战略,提高生产效率尤其是提高能源效率；削减化石燃料消费；寻找替代化石燃料的能源。在没有显著的技术发展和进步的条件下，减排将影响国家的能源、经济和社会发展。,在保护生态基础上有序开发水电。把发展水电作为促进中国能源结构向清洁低碳化方向发展的重要措施。在做好环境保护和移民安置工作的前提下，合理开发和利用丰富的水力资源，加快水电开发步伐，重点加快西部水电建设，因地制宜开发小水电资源。 (中国应对气候变化国家方案),1）加强环境意识教育，促进全球合作2) 绿化对策3) 控制人口，提高粮食产量，限制毁林4）调整能源战略5）温室气体吸收/焚烧/分解/储存技术,三、控制温室效应的对策,四、CO2地下储存技术,CO2地下储存主要包括三个组成环节碳捕集、碳运输和碳储存和一个辅助环节碳储监测。,将固定点源(多数为发电厂或类似的工业点源) 产生的CO2,通过收集长期储存于海洋或相对封闭的地质构造中,从而阻止或显著减少CO2向大气中的人为排放,即CO2储存技术。,(1) 捕获(capture)收集并浓缩工业和运能源所产生的CO2；(2) 运输(transport)把捕获的CO2输到合适的封存地点;(3) 封存(storage)把CO2注入地下的合适的地质构造、深海中,或者通过工业流程使之固化为碳酸盐。,CO2地下储存主要环节,预燃烧捕集，是指首先将燃料进行脱碳处理，捕集生成的CO2气体，并将其余燃料气体(主要是氢气等)送人燃烧室。这一方案中捕集设备内的CO2气体浓度较高，分离提纯相对比较容易，甚至使用简单的减压分馏技术就能够满足要求。而且燃料实现了脱碳，燃烧气体主要是无污染的氢气，代表了未来燃料发展的方向。但缺点是能量损失大。,1）碳捕集,燃烧后捕集，是指将发电厂燃烧产生的废气送入捕集设备，分离提纯其中的CO2气体以供使用。,1）碳捕集,吸收法吸附法膜分离法复合分离法新兴技术,物理吸收法化学（溶剂）吸收法,物理吸附法化学吸附法,碳捕集技术的研究重点目前主要集中在有效的降低发电成本和提高发电效率上。按照捕集方案和对象的不同，目前捕集发电站中CO2的成本达30-50美元/吨CO2，发电效率降低30-50。,1）碳捕集,由于一般情况下燃烧后废气中CO2的含量较低 (7%14%)，提纯过程可能需要多次反复进行。而庞大的气体处理量也无形中增加了捕集成本。这一方案也可以用于处理其他使用化石能源燃烧提供热能的行业产生的废气。,这一环节是目前研究最为成熟的环节。只需将现有的油气管道进行适当的改造，就可以有效的满足碳运输的需要。天然气运输的成功经验也能很好的为碳运输提供借鉴。值得注意的是，由于CO2在遇水的情况下会生成碳酸，从而对管道产生腐蚀作用，因此运输气体的脱水将是十分必要的。,2）碳运输,较为理想的CO2储存地主要有衰竭油气田、贫瘠煤田、深部卤水层和深海。,2）碳储存,枯竭或开采到后期的油、气田通过将CO2注入枯竭或开采到后期的油气田可以把残留的油气推出,达到提高采收率的目的,这一工艺被称为CO2EOR ( CO2 Enhance Oil Recovery)。在高压条件下,CO2 在原油中的溶解度随着压力的增加而增加,将使原油体积膨胀、粘度降低、易于流动,从而推动油气向生产井的方向流动,其中大部分的CO2溶解于未能被开采的原油中或贮存于地层孔隙中,只有少量的CO2 随原油、水和天然气从生产井排出,这部分CO2还可以通过分离和压缩由注气井循环注入储油层。这种地下储存技术既储存CO2,又提高油气开采量,是一种更为经济实用的方法。,不可采的贫瘠煤层在煤系地层中,普遍存在着因技术或经济原因而被放弃开采的煤层,是储存CO2的另一个潜在的地质构造。当CO2注入到煤层后,在煤层的孔隙中扩散,并最终被煤体所吸附,达到储存CO2的目的,该技术被称为CO2ECBM (CO2 Enhance Coalbed Methane)。有实验表明,煤层表面对CO2的吸附能力大约是对甲烷吸附能力的两倍。根据这一特性,当CO2被注入煤层时,由于它对煤层有更大的亲和力,可以在封存CO2的同时,在煤层表面有效地替换甲烷,使吸附状态的甲烷转变成游离状态,从而大大增强甲烷气体的产出率,通过甲烷经济价值的实现有效地降低注入CO2的成本。,利用注CO2增采煤层气技术可使我国总的煤层气可采量达1.632 1012m3,可储存CO2约1.20781010t,相当于2002年全国CO2排放量的3.6倍。,不可采的贫瘠煤层,深部煤层对CO2 成功处置有4 项基本条件：相对均质的煤储层；饱和气煤层埋藏于适当的深度(5002 000 m) ；位于简单的构造带；有非常高的渗透性。 为了防止储存后CO2 的逸出, 首先考虑难以开采的深层煤层,这部分煤层的埋深往往超过1500 m。,深部卤水层自由态（超临界态）圈闭溶解随地层水流动化学反映固结目前每年已有约一百万吨的CO2被储存在北海挪威海域的深部卤水层中。深部卤水层分布很广，遍布世界各地，具有极大的储藏潜力。,海洋在对CO2的深层海洋储存过程中,注入的CO2将以固体CO2水合物(CO2nH2O,6 n 8) 的形式存在。该水合物是由CO2分子和H2O分子在范德瓦耳力的作用下形成的混合物。当深度超过3000m,CO2的密度将大于海水的密度,最终沉积于海洋底部达到储存CO2的目的。,二 、臭氧层破坏问题,臭氧层主要特征离地面2030km的平流层中占当地空气含量的1/105,大气对紫外线辐射的吸收,大气的两个最低层，对流层和平流层的温度曲线。大部分大气质量都集中在对流层，但是臭氧却主要集中在平流层,臭氧层变化与臭氧洞臭氧层的作用：平流层中的臭氧：吸收紫外线 对流层中的臭氧：为温室气体臭氧洞： 出现时间：每年9月11月表现：臭氧层出现浓度减少区域，对紫外线的抵挡功能削弱；发生地区： 1984 南极上空首次1989 北极上空首次其它地区也有类似情况出现,臭氧层破坏的原因人类过多使用氟氯烃（CFCS）影响臭氧层物质的来源：,臭氧层的作用,大气对紫外线辐射的吸收,臭氧层破坏现象,19551995每年十月份南极臭氧浓度（单位：DU，10-3cm）。数据点包括了基于地面和卫星的观测。在这一时期内总臭氧浓度下降了50。（资料来源：NASA, 2000）,南极臭氧空洞,极地平流层云在南极臭氧空洞的形成过程中起重要作用吸附并聚集CFCs及哈龙非均相反应场所为什么北极没有形成臭氧空洞？北极为海洋环境，较南极大陆环境温暖周围分布不规则大陆，大气层较南极不稳定不易形成极地平流层云,臭氧层破坏的危害,臭氧含量减少1，地面紫外线增加23危害人体健康损坏人体的免疫系统，使呼吸道疾病增加 可破坏蛋白质与DNA结构，引发皮肤癌 可使眼睛受损，白内障发病率增高 陆生生态系统植物质量下降水生生态系统水面附近生物减少城市空气和建筑材料光化学烟雾，材料老化大气结构辐射收支变化，气候变化,臭氧层破坏的控制策略,开发消耗臭氧层物质的替代技术无氟氯昂制冷设备制定淘汰消耗臭氧层物质的措施环境管理手段 经济手段国际行动1985年， 28个国家 维也纳公约1987年， 46个国家 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔公约,三 、致酸前体物与酸雨,酸雨的界定：指PH值5.6 的降水、包括雨、雪、霜、雹、雾和露等各种降水形式。地理分布几乎整个欧洲美国和加拿大东部东亚，中国南方地区,酸雨的起因：由于燃料燃烧和天然排放的SO2和NOx所造成的。酸雨的形成：1.SO2 的氧化,2. Nox的氧化,20世纪90年代末我国酸雨区域分布,酸雨的危害,淡水湖泊、河流酸化，水生生物减少甚至绝迹影响土壤特性，贫瘠化破坏森林的生长腐蚀建筑材料及金属结构危害人体健康角膜和呼吸道刺激,致酸前体物质,SO2自然源微生物、火山、森林火灾、海水飞沫人为源燃料燃烧，化工NOx自然源闪电、林火、火山，占总量的50人为源燃烧，机动车，50,控制措施,针对酸沉降前体物质洗煤开发低硫燃料改进燃烧技术烟气脱硫机动车净化,国际行动,1972年，联合国人类环境会议，首次提出酸雨问题1979年，33个国家，长距离跨国大气污染公约（LRTAP）1985年，欧洲20个国家，硫排放控制协定,四、石油及天然气储存,深部地下石油储存,安全的贮存方式,地下储备,有利于防止恐布袭击 大量节省土地资源，保护地面环境基建成本低研究基础不多，缺乏丰富的设计经验,石油战略储存方式：,陆上储罐,海上储罐,基建周期短，设计经验较丰富安全性差，有可能成为恐怖袭击目标基建成本高占地大，环境影响大,密封性好、易开挖、建库成本低,密封性一般、难开挖、建库成本高,仅用于储气,盐岩最佳候选场址,花岗岩中水密封,深部盐岩溶腔,废弃油气田,例如：,国际公认,深部地下石油储存,Krst propane gas treatm