自工業(yè)革命以來，大氣中CO2含量增加了42%，隨之而來的是溫室效應(yīng)增強、全球平均溫度上升、極地海冰融化、海平面上升、極端氣候頻發(fā)等一系列問題。

△二氧化碳含量增加導(dǎo)致溫室效應(yīng)增強△全球平均溫度持續(xù)上升△北極海冰范圍急劇下降△海平面持續(xù)上升

為了應(yīng)對全球氣候變化，近年來提出了多項天馬行空的地球工程方案，例如人造火山，太空反光鏡等等。相對于這些高（kan）大（bu）上（dong）的科技狂想，碳捕集與封存技術(shù)更接地氣兒。

<>什么是碳捕集與封存 >

碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放的CO2捕獲并分離，輸送至油氣田、海洋等合適地點，進(jìn)行長期封存的技術(shù)。

△這一技術(shù)被認(rèn)為是未來大規(guī)模減少溫室氣體排放，減緩全球變暖最經(jīng)濟(jì)、可行的方法

簡單而言，碳捕集與封存技術(shù)分為三步：捕集、運輸和封存。

<>CO2捕集 >

碳捕集有三種方式：燃燒前捕集，富氧燃燒捕集，燃燒后捕集。無論哪種捕集方法，都是將工廠產(chǎn)生的氣體收集起來，經(jīng)過脫硫、脫氮氧化物等制備后，將CO2分離并收集起來。

一、燃燒前捕集

在富氧高壓條件將煤炭氣化為煤氣，再將煤氣分離得到CO2和H2，此時CO2濃度高，極易捕集，生成的H2可作為燃料使用。△燃燒前捕集示意圖△燃燒前捕集系統(tǒng)簡單，效率高、能耗低、用水少、環(huán)保，但投資成本高

二、富氧燃燒捕集

煤在富氧條件下中充分燃燒，產(chǎn)生高濃度的CO2氣體，可以直接捕集。△為控制爐內(nèi)火焰溫度、維持合適的傳熱特性，高濃度氧氣需與回收的部分煙道氣混合△富氧燃燒捕集可操作性強，但制氧技術(shù)投資、能耗高

三、燃燒后捕集

在燃燒后排放的煙道氣中捕集CO2。常規(guī)CO2分離技術(shù)有物理吸收法、化學(xué)吸收法和膜分離法。△燃燒后捕集流程圖△燃燒后捕集適用范圍最廣，但捕集系統(tǒng)龐大，耗費資源量大

1. 物理吸收法△物理吸收法工作流程△收集氣體△萃取CO2△分離固態(tài)CO2

2. 化學(xué)吸收法利用CO2溶于水形成酸的特征，在通過脫碳吸附裝置時，化學(xué)吸收劑吸收廢氣中的CO2。△吸附裝置為集成結(jié)構(gòu)，最大程度的增大了與空氣的接觸面積，內(nèi)部涂有可循環(huán)利用的吸收劑

3. 膜分離法利用膜選擇性滲透的特點，在壓差作用下CO2氣體可以穿過薄膜，得到純度較高的CO2。△膜分離法能耗低，設(shè)備緊湊 膜分離法不僅可以處理發(fā)電廠排放的氣體，還可以分離空氣中含有的CO2。△加拿大碳工程公司（Carbon Engineering）將啟動碳回收項目，預(yù)計一年可回收10萬噸CO2（相當(dāng)于30萬輛汽車的排放量）

燃煤電廠一直都是CO2排放大戶，燃燒后捕集技術(shù)的獨特優(yōu)勢，使其可用于絕大多數(shù)火力發(fā)電廠，對于70%的電量來自于煤電的我國而言，燃燒后捕集技術(shù)的應(yīng)用意義重大。目前我國已有多家企業(yè)應(yīng)用該技術(shù)。

△安裝脫碳裝置，“捕捉”釋放的CO2△大型發(fā)電廠各部件簡介圖△華能上海石洞口第二電廠，其脫碳裝置于2009年12月30日正式投運，開創(chuàng)了我國燃煤電站實現(xiàn)CO2規(guī)模化捕集的先河△重慶合川電廠，擁有我國首個萬噸級燃煤電廠CO2捕集裝置

<>CO2運輸 >

二氧化碳運輸就是將捕集到的CO2運輸?shù)胶线m的地點進(jìn)行封存，主要有罐裝運輸和管道運輸兩種方式。

一、罐裝運輸

主要通過鐵路或公路進(jìn)行運輸，也有部分采用船舶運輸。△罐裝運輸適合短途、小量運輸

二、管道運輸

最常用的CO2運輸方法。一次性投資大，適宜長距離、大運量運輸。△管道是最經(jīng)濟(jì)的運輸方式△管道運輸CO2要維持8MPa以上的壓力，以確保CO2以液態(tài)形式輸送。截止到2008年，美國已建成約5800km的CO2運輸管道，連接CO2捕集區(qū)和石油生產(chǎn)區(qū)△在緊急情況下可關(guān)閉管道運輸安全閘，確保CO2運輸?shù)陌踩煽?br>
CO2封存 >

二氧化碳的封存是整個環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的一步，封存方法大致分為三類：生物封存、海洋封存和地質(zhì)封存。

一、生物封存

生物封存就是植物通過光合作用來吸收CO2。△植物光合作用效果最明顯

二、海洋封存

海洋可以自發(fā)吸收CO2，每年可凈吸收約2億噸碳，接近全球年碳排放量的1/3。△但海洋自發(fā)吸收過程僅限于表層、次表層海水

因此，專家們提出可以借助人工方法加快海洋碳封存的速度、提高海洋吸收CO2的能力。人工方法是將CO2注入深層海水或者灌注于海床，主要有：海洋水柱封存、海洋沉積物封存和CO2置換天然氣水合物封存三種方式。

△人工封存

1. 海洋水柱封存利用船舶或管線將CO2注入海水中，借助海洋中相對穩(wěn)定的碳循環(huán)體系，達(dá)到封存的目的。△海洋中存在由HCO3-、H2CO3及溶解態(tài)CO2和CO32-構(gòu)成的相對穩(wěn)定的緩沖體系△當(dāng)深度為1000米~2500米時，注入氣態(tài)或液態(tài)的CO2，CO2會溶于海水；當(dāng)深度大于3000米時，注入液態(tài)CO2，其密度大于海水，會下沉至海底，在低洼處形成CO2湖（簡稱碳湖）

2. 海洋沉積物封存海洋沉積物封存就是將CO2注入到海床沉積層中，由于CO2的密度大于孔隙水，CO2沉于孔隙水之下，實現(xiàn)CO2的封存。△海洋沉積物封存CO2 在深海低溫、高壓環(huán)境下，CO2在沉積層中形成類似冰的晶狀水合物，實現(xiàn)水合物封存，而且水合物的形成可以降低沉積層滲透率，增加密閉性，進(jìn)一步鞏固CO2的封存效果。△深海低溫高壓環(huán)境CO2水合物形成過程 3. CO2置換天然氣水合物封存海底天然氣水合物（即可燃冰）儲量大，但直接開采時，易因甲烷氣體瞬間釋放而導(dǎo)致海底滑坡、地震等嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。△全球天然氣水合物分布廣、儲量大△直接開采天然氣水合物易導(dǎo)致海底滑坡 CO2置換取代CH4的位置，這樣既能減少大氣中CO2含量，又維護(hù)了水合物沉積層的穩(wěn)定性，具有環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的雙重價值。

可燃冰開采技術(shù)詳見石油課堂013期文章：從百慕大“殺手”到未來能源之星——可燃冰△CO2置換CH4

三、地質(zhì)封存

將CO2經(jīng)輸送管線或載運工具輸送至適當(dāng)?shù)攸c后，注入特定深度及特定地質(zhì)條件的地層中進(jìn)行封存。△CO2地質(zhì)封存適宜的地層有深部鹽水層、油氣層及不可采煤層

1. 深部鹽水層封存深部鹽水層為不適宜人類飲用的鹵水層，若具備良好的封閉性，就可以用于封存CO2。△深部鹵水層 從直井低速注入超臨界CO2和H2S，封存效果最好。這是因為CO2溶于水需要一定時間，注入速度過快，易導(dǎo)致CO2溶解不充分，從而存儲量降低。△超臨界狀態(tài)下，CO2密度大，不易竄逸，封存性好△CO2與H2S混合注入會增加存儲量△注入井通常采用直井，若儲層特征明確，可選用水平井注入，效果更佳

世界首例達(dá)到工業(yè)規(guī)模的CO2鹽水層封存項目在挪威北海油田Sleipner西部。△自1996年起，該儲層每年儲存約一百萬噸CO2，相當(dāng)于挪威CO2年排量的3%

2. 油氣層封存油氣層封存有兩種：注入枯竭油氣層封存和利用CO2驅(qū)油。

（1）注入枯竭油氣層油氣層為孔隙度和封閉結(jié)構(gòu)良好的儲集層，待其枯竭后可利用現(xiàn)有的油氣井生產(chǎn)設(shè)備注入CO2達(dá)到封存效果。（2）CO2驅(qū)油（CO2-EOR）將CO2注入油層，利用其膨脹原油體積、降低原油粘度及萃取、氣化原油的特性提高原油采收率。△CO2驅(qū)油示意圖△注入CO2提高采收率△藍(lán)色代表注入的CO2，棕色代表石油 CO2驅(qū)油優(yōu)勢：超臨界CO2的形態(tài)類似于液體，黏度接近氣體，此時的CO2是一種很好的溶劑，其溶解性、穿透性均超過乙醇、乙醚等有機溶劑。

CO2可以將原油中輕質(zhì)組分分離抽提出來。CO2與原油反復(fù)接觸抽提后，可形成混相，從而更好的驅(qū)替原油。△CO2混相驅(qū)過程 注入地層中的部分CO2會隨著時間推移，與地下流體、礦物質(zhì)等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸礦化，形成碳酸鹽巖，從而達(dá)到永久封存的效果。△單次注入CO2因礦化封存于地下的比例高達(dá)50%-60% 剩余部分的CO2會隨油氣產(chǎn)出返回地面，分離這部分CO2，可實現(xiàn)循環(huán)利用。△這樣的循環(huán)驅(qū)油過程，既能有效封存CO2，又能節(jié)約開采成本，提高油氣產(chǎn)量

3. 不可采煤層封存通常將CO2封存于薄煤層或埋深超過終采線的深部煤層。注入煤層的CO2在煤層孔隙中擴(kuò)散、吸附，最終封存于煤層之中。CO2在煤層中的吸附能力大約是甲烷的2倍。注入煤層的CO2將被優(yōu)先吸附，而甲烷則從吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，最終被采出地面。△傳統(tǒng)煤層氣開采采用抽水法來減小井內(nèi)壓力，使甲烷從孔隙界面解吸附，釋放到開采井中

Burlington資源公司在美國西南部San Juan盆地的一個氣田內(nèi)建立了“CO2強化煤層甲烷回收(CO2-ECBM)”的試驗工程。△注入CO2使甲烷回收率增加約75%  全球大型CCS項目開發(fā)現(xiàn)狀

溫室效應(yīng)的加劇使各國十分重視CCS項目，目前全球范圍內(nèi)計劃完成大型CCS項目共計138個，未來這一數(shù)字將會持續(xù)增長。△全球現(xiàn)有CCS項目一覽圖

現(xiàn)有的CCS項目主要分為三類：大型發(fā)電廠CCS項目，非發(fā)電廠CCS項目和商業(yè)化CO2驅(qū)油項目。△世界5大洲超過60MW的大型CCS項目開發(fā)情況△世界五大洲大型CCS項目數(shù)對比圖

1. 歐洲挪威是全球最早開展CO2捕集和封存的國家。目前英國有7個，挪威有3個，荷蘭有2個，德國和法國各1個，共計14個CCS項目。
2. 美洲美洲CCS項目主要集中在美國和加拿大，美國有20個，加拿大7個，另外阿爾及利亞有1個。
3. 亞洲亞洲的CCS項目主要分布在中國、韓國、阿拉伯聯(lián)合酋長國和沙特阿拉伯，共計11個，其中中國7個，韓國1個，阿拉伯聯(lián)合酋長國2個，沙特阿拉伯1個。
中國在大慶、東莞、勝利、天津、連云港的發(fā)電廠應(yīng)用了CO2捕集技術(shù)，榆林的煤化工廠和鄂爾多斯的煤炭液化廠也應(yīng)用了CO2捕集技術(shù)。△鄂爾多斯CO2捕集封存項目應(yīng)用物理溶劑吸附法，目前每年捕集二氧化碳3.6萬噸△中國華能集團(tuán)的高效煤基能源系統(tǒng)（GrenGen）△中國神華CCS項目監(jiān)測井，監(jiān)測CO2分層注入情況

4. 大洋洲澳大利亞一共有兩個CCS項目，分別是非發(fā)電廠Otway和Gorgon。△澳大利亞Gorgon項目

5. 非洲巴西國家石油公司在非洲的Lula油田進(jìn)行了CO2驅(qū)油作業(yè)?！靼臀鱈ula項目

<>CCS項目發(fā)展的困境與展望 >

碳捕集與封存技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，但目前仍存在許多問題：

一、泄露

CO2可能發(fā)生泄漏是CCS項目面臨的最大問題。
A.如果CO2大規(guī)模泄漏，將會引發(fā)顯著的氣候變化；
B.地下淺層CO2泄漏不僅會污染地下水，還會對植物、土層動物造成致命影響；
C.如果CO2在管道運輸中發(fā)生泄露，空氣中CO2濃度超過7%，將會威脅人的生命安全。

二、能源消耗大、建設(shè)運行成本高

CCS技術(shù)的捕集、運輸、封存都要消耗大量的能源，應(yīng)用CCS技術(shù)的電廠比沒有使用該技術(shù)的電廠要多消耗25%～50%的能源。CCS技術(shù)建設(shè)運行成本高，其中捕集成本所占比例最高。經(jīng)估算，應(yīng)用該項技術(shù)會使發(fā)電成本增加約0.01～0.05美元/(kW·h)。因此，若想進(jìn)一步發(fā)展碳捕集與封存技術(shù)，除了要逐步減少能耗，還需獲得政策法規(guī)和財稅的大力支持。

雖然碳捕集與封存技術(shù)目前仍面臨諸多困難，但隨著溫室效應(yīng)和能源危機的加劇，二氧化碳的吸收和利用受到了越來越廣泛的關(guān)注。相信隨著研究的不斷深入，技術(shù)的不斷進(jìn)步，二氧化碳封存技術(shù)必將能夠克服其弊端，取得更加卓越的效果。我們的天空會更湛藍(lán)，我們的空氣會更純凈，我們的未來會更美好.

來源：石油課堂

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