二氧化碳的减排捕获和封存技术的综合报告

二氧化碳的减排、捕获和封存技术的综合报告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。1、 二氧化碳减排技术取得重大突破1月27日，我国最大的高碳天然气处理项目吉林油田长岭气田天然气处理项目正式投运。该项目采用活化MDEA胺法脱碳工艺，可将高碳气田中的二氧化碳分离、储存、外运并注入地下，对于我国乃至世界加快高碳气田开发、缓解天然气供给紧张局面，同时减少二氧化碳排放、发展低碳经济，具有重要的战略性示范作用。 去年底刚刚投产的长岭气田是我国首个集天然气开采、净化、二氧化碳驱油一体化的高含二氧化碳气藏开发示范项目。其原料气中的二氧化碳含量高达30%。此前，我国开发的天然气田，其原料气中只含硫化氢。而天然气中含有二氧化碳的处理要比含有硫化氢的处理难度大，而且能耗高。更为关键的是，从天然气中分离出来的二氧化碳的处置是一大难题。据大庆油田建设集团安装公司项目经理康铁介绍，发达国家目前采用的办法也仅是将脱出的二氧化碳直接排放到大气中，这显然会造成大气污染，促使全球气候变暖。 长岭气田天然气处理项目对二氧化碳的处理与分离后处置的方法，主要经过由天然气脱水、天然气脱碳、二氧化碳压缩等14套系统组成的综合性处理站，对采出的含碳量超标的天然气进行处理，将气碳分离， 然后将二氧化碳压缩制冷为液体，外运后重新注入地下。该项目采用的工艺技术为甲基二乙醇胺即MDEA溶液脱碳，工艺兼有物理吸收和化学吸收的特点，溶剂对二氧化碳的负载量大、吸收压力高；再生时靠闪蒸降压即可解析出大量的二氧化碳，在这一状况下脱碳，贫液不需要全部再生，也能满足产品气净化要求，从而减少再生所需的热耗。二氧化碳在MDEA溶液中的溶解热最低，因而吸收与再生之间的温度差最小，且再生温度低，可以降低脱碳过程的水、电、汽消耗。据专家介绍，该工艺仅消耗蒸汽13.3吨/小时，每年可节约低压饱和蒸汽约40万吨。而且，二氧化碳可再利用，有效减少了大气污染。 据了解，此次投产的是长岭气田天然气处理项目一期工程。一期工程的投产后，长岭气田天然气生产能力达到300万立方米/天。二期工程将于2010年11月30日投产，届时长岭气田天然气总生产能力可达500万立方米/天，总体经济效益约650万元/天【1】。2、碳捕获现在，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，将CO2气体从烟道气中分离出来，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%。碳捕获今日现有的和正在研发的主要技术主要有：化学溶剂：首先注重胺类，如MHIs KS-1技术；物理溶剂：主要是Rectisol和Selexol混合溶剂；氧气燃烧：煤炭和天然气装置的氧气燃烧；及其一些研究新兴技术如：高级膜、离子液体、低温技术、固体吸附剂、冷冻氨、藻类生物吸附等。2.1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),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。2.2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。2.3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。2.4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。CO2从混合气体中分离并捕获和存储,H2被用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。3、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。3.1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1tCO2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。3.2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InSalah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【2】。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