摘要：隨著低碳經(jīng)濟(jì)的走紅，碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage，簡稱CCS）技術(shù)已初現(xiàn)端倪，CCS技術(shù)作為一項存儲二氧化碳以減少溫室氣體排放的環(huán)保工程，得到了世界各國的重視，其前景非常廣  

   關(guān)鍵詞：碳捕獲；碳運(yùn)輸；碳封存

碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage，簡稱CCS）是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來，并用

各種方法儲存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。CCS技術(shù)包括二氧化碳捕獲、運(yùn)輸以及封存三個環(huán)節(jié)，它可以使單位發(fā)電碳排放減少85%—90%。

關(guān)于這項技術(shù)的研究可以追溯至1975年，當(dāng)時的美國將二氧化碳注入地下以提高石油開采率，但將它作為一項存儲二氧化碳以減少溫室氣體排放的環(huán)保工程，則開始于1989年的麻省理工大學(xué)，直至近年來，這項技術(shù)得到更多的重視和研究。它被認(rèn)為是一種可能的減少空氣中二氧化碳濃度的方法。目前，據(jù)專家介紹，從技術(shù)層面來說，應(yīng)用于碳捕獲、運(yùn)輸以及封存的各項技術(shù)其實都是已有的、成熟的，只不過在此前并未應(yīng)用于CCS方向，問題主要存在于現(xiàn)有發(fā)電廠的改造以及新建發(fā)電廠的技術(shù)和資金投入。

1 碳捕獲技術(shù)

二氧化碳的捕獲方式主要有三種：燃燒前捕獲（Pre-combustion）、富氧燃燒（Oxy-fuel combustion）和燃燒后捕獲（Post-combustion）。無論哪種捕獲方法，簡而言之是將燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的氣體收集起來，經(jīng)過脫硫、氮氧化物等等制備后，將二氧化碳分離并收集起來。

表1 碳捕獲技術(shù)特點和現(xiàn)狀

CCS捕獲技術(shù)	技術(shù)特點	發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)分離	利用工業(yè)材料分離固碳，技術(shù)成熟，但應(yīng)用有限	成熟市場
燃燒后分離	過程簡單，但CO2濃度低，化學(xué)吸收劑昂貴	技術(shù)可行
燃燒前分離	CO2濃度高，分離容易，但過程復(fù)雜，成本較高	技術(shù)可行
富氧燃燒	CO2濃度高，但壓力較小，步驟較多，供氧成本高	示范階段

 

針對排放的CO₂的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類：即燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。

     1.1 燃燒后系統(tǒng)

     燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO₂與N₂的分離。化學(xué)溶劑吸收法是當(dāng)前最好的燃燒后CO₂收集法,具有較高的捕集效率和選擇性,而能源消耗和收集成本較低。除了化學(xué)溶劑吸收法,還有吸附法、膜分離等方法。

    化學(xué)吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之間的可逆化學(xué)反應(yīng)。由于燃煤煙氣中不僅含有CO₂、N₂、O₂和H₂O,還含有SOx、NOx、塵埃、HCl、HF等污染物。雜質(zhì)的存在會增加捕獲與分離的成本，因此煙氣進(jìn)入吸收塔之前，需要進(jìn)行預(yù)處理,包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等。

     煙氣在預(yù)處理后，進(jìn)入吸收塔，吸收塔溫度保持在40~60℃，CO₂被吸收劑吸收，通常用的溶劑是胺吸收劑(如一乙醇胺MEA)。然后煙氣進(jìn)入一個水洗容器以平衡系統(tǒng)中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與溶劑蒸汽，之后離開吸收塔。吸收了CO₂的富溶劑經(jīng)由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100~140℃和比大氣壓略高的壓力下得到再生。水蒸汽經(jīng)過凝結(jié)器返回再生塔，而CO₂離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運(yùn)回吸收塔。

     1.2 富氧燃燒系統(tǒng)

      富氧燃燒系統(tǒng)是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質(zhì)。燃燒產(chǎn)物主要是CO₂和水蒸氣，另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全，以及燃料中所有組成成分的氧化產(chǎn)物、燃料或泄漏進(jìn)入系統(tǒng)的空氣中的惰性成分等。經(jīng)過冷卻水蒸汽冷凝后，煙氣中CO₂含量在80% ~98%之間。這樣高濃度的CO₂經(jīng)過壓縮、干燥和進(jìn)一步的凈化可進(jìn)入管道進(jìn)行存儲。CO₂在高密度超臨界下通過管道運(yùn)輸，其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO₂的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流，其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO₂需要經(jīng)過干燥以防止在管道中出現(xiàn)水凝結(jié)和腐蝕，并允許使用常規(guī)的炭鋼材料。

      在富氧燃燒系統(tǒng)中，由于CO₂濃度較高，因此捕獲分離的成本較低，但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產(chǎn)主要通過空氣分離方法，包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸餾。

     1.3 燃燒前捕獲系統(tǒng)

     燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個階段的反應(yīng)。

     首先，化石燃料先同氧氣或者蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生以CO和H₂為主的混合氣體(稱為合成氣)，其中與蒸汽的反應(yīng)稱為“蒸汽重整”，需在高溫下進(jìn)行；對于液體或氣體燃料與O₂的反應(yīng)稱為“部分氧化”，而對于固體燃料與氧的反應(yīng)稱為“氣化”。待合成氣冷卻后，再經(jīng)過蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，使合成氣中的CO轉(zhuǎn)化為CO₂，并產(chǎn)生更多的H₂。最后，將H₂從CO₂與H₂的混合氣中分離，干燥的混合氣中CO₂的含量可達(dá)15%~60%，總壓力2~7MPa。CO₂從混合氣體中分離并捕獲和存儲，H₂被用作燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

     這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。從CO₂和H₂的混合氣中分離CO₂的方法包括：變壓吸附、化學(xué)吸收(通過化學(xué)反應(yīng)從混合氣中去除CO₂,并在減壓與加熱情況下發(fā)生可逆反應(yīng),同從燃燒后煙道氣中分離CO₂類似)、物理吸收(常用于具有高的CO₂分壓或高的總壓的混合氣的分離)、膜分離(聚合物膜、陶瓷膜)等。

  

    2. 碳運(yùn)輸技術(shù)

捕獲到的二氧化碳必須運(yùn)輸?shù)胶线m的地點進(jìn)行封存，可以使用汽車、火車、輪船以及管道來進(jìn)行運(yùn)輸。一般說來，管道是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。2008年，美國約有5800千米的二氧化碳管道，這些管道大都用以將二氧化碳運(yùn)輸?shù)接吞�，注入地下油層以提高石油采收率（Enhanced Oil Recovery，EOR）。

管道運(yùn)輸?shù)某杀局饕?部分組成：基建費用、運(yùn)行維護(hù)成本以及其它的如設(shè)計、保險等費用。特殊的地理條件，如人口稠密區(qū)等對成本很有影響。陸上管道要比同樣規(guī)模的海上管道成本高出40％～70％。由于管道運(yùn)輸是成熟的技術(shù)，因此其成本的下降空間預(yù)計不大。對于250 km的運(yùn)距，管道運(yùn)輸?shù)某杀疽话銥?～8美元/tCO₂。當(dāng)運(yùn)輸距離較長時，船運(yùn)將具有競爭力，船運(yùn)的成本與運(yùn)距的關(guān)系極大。當(dāng)輸送5 Mt CO₂、運(yùn)距為500km時，船運(yùn)的成本為l0～30美元/tCO₂。當(dāng)輸送同樣的CO₂，運(yùn)距增加到1500km時，船運(yùn)成本將降到20-35美元/tCO2，與管道運(yùn)輸?shù)某杀鞠喈?dāng)。

 

   3. 碳封存技術(shù)

二氧化碳封存的方法有許多種，一般說來可分為地質(zhì)封存（Geological Storage）和海洋封存（Ocean Storage）兩類。地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)（氣態(tài)及液態(tài)的混合體）的二氧化碳注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以是油田、氣田、咸水層、無法開采的煤礦等。把二氧化碳注入油田或氣田用以驅(qū)油或驅(qū)氣可以提高采收率；注入無法開采的煤礦可以把煤層中的煤層氣（甲烷）驅(qū)出來，提高煤層氣采收率。若要封存大量的二氧化碳，最適合的地點是咸水層。咸水層一般在地下深處，富含不適合農(nóng)業(yè)或飲用的咸水，這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為常見，同時擁有巨大的封存潛力。不過與油田相比，目前人們對這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識還較為有限。海洋封存是指將二氧化碳通過輪船或管道運(yùn)輸?shù)缴詈：５走M(jìn)行封存。這種封存辦法也許會對環(huán)境造成負(fù)面的影響，比如過高的二氧化碳含量將殺死深海的生物、使海水酸化等，此外，封存在海底的二氧化碳也有可能會逃逸到大氣當(dāng)中（有研究指出，海底的海水流動到海面需要1600年的時間）�？偟膩碚f，人們對海洋封存的了解還是太少。

   4. 我國CCS技術(shù)發(fā)展概況

　　我國于1992年6月和1998年5月分別簽署了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》。作為發(fā)展中國家。我國近期不必承擔(dān)減少或限制溫室氣體排放的義務(wù)。但我國CO₂排放總量大，目前已位居世界第二，僅次于美國。據(jù)有關(guān)專家初步估算，預(yù)計2025～2030年左右，我國CO₂排放量將達(dá)到67-10st。成為世界第一大排放國。作為負(fù)責(zé)任的大國，我國政府高度重視氣候變化與溫室氣體排放問題，1990～2005年間我國萬元GDP能耗年均下降率達(dá)4.1%。相當(dāng)于節(jié)約8×10st以上標(biāo)準(zhǔn)煤，減少了18～10stCO₂排放。同時，政府提出了在2006～2010年間單位GDP的能源消耗降低20％的節(jié)能減排目標(biāo)。政府也明確表示，在可持續(xù)發(fā)展的框架下，與國際社會一起，積極尋求應(yīng)對氣候變化的有效途徑，并根據(jù)自己的能力和國情為減緩氣候變化做出應(yīng)盡的努力。

　　國家對CCS技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視，CCS技術(shù)作為前沿技術(shù)已被列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃；在國家科技部2007年的《中國應(yīng)對氣候變化科技專項行動》中，CCS技術(shù)作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的技術(shù)重點被列入專項行動的四個主要活動領(lǐng)域之一�！笆晃濉逼陂g，國家“863”計劃也對發(fā)展CCS技術(shù)給予很大支持。2007年6月國家發(fā)改委公布的《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》中強(qiáng)調(diào)重點開發(fā)CO₂的捕獲和封存技術(shù)，并加強(qiáng)國際間氣候變化技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與轉(zhuǎn)讓。

我國與國際社會一起積極開展了CCS技術(shù)研究與項目合作。2007年啟動了“中歐碳捕獲與封存合作行動（COACH）”，12個歐方機(jī)構(gòu)和8個中方機(jī)構(gòu)參與了COACH行動。2007年11月20日，啟動了“燃煤發(fā)電二氧化碳低排放英中合作項目”。2008年1月25日，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司以下簡稱“中聯(lián)煤”與加拿大百達(dá)門公司、香港環(huán)能國際控股公司簽署了“深煤層注入/埋藏二氧化碳開采煤層氣技術(shù)研究”項目合作協(xié)議。自2002年以來，中聯(lián)煤和加拿大阿爾伯達(dá)研究院已在山西省沁水盆地南部合作，成功實施了淺部煤層的CO₂單井注入試驗。中國石油作為肩負(fù)經(jīng)濟(jì)、政治和社會責(zé)任的大型國企，為展現(xiàn)保護(hù)環(huán)境的良好社會形象，率先在國內(nèi)開展了利用CCS技術(shù)提高油田采收率的研究與應(yīng)用工作，于2007年4月啟動了重大科技專項及資源綜合利用研究。

   5. CCS技術(shù)的最新進(jìn)展

　　CCS技術(shù)目前處于研究階段，隨著全球面臨的氣候問題日益嚴(yán)峻，各國政府非常重視對CCS技術(shù)研究的支持。美國、歐盟、澳大利亞、加拿大、挪威等國家或政府間組織都制訂了相應(yīng)的研究規(guī)劃，開展 CCS技術(shù)的理論、試驗、示范和應(yīng)用研究，并且已經(jīng)有了成功的實例。其中，美國走在世界最前列，針對CCS技術(shù)的科研規(guī)劃和項目組織實施較為周密完善。美國于2000年開始由能源部主持正式開展CO₂封存研究和發(fā)展項目，將地質(zhì)封存和海洋封存列為主要研究方向，并制訂了詳細(xì)的技術(shù)路線圖。2005年美國已開展了25個CO₂地下構(gòu)造注入、儲存與監(jiān)測的現(xiàn)場試驗，并已進(jìn)入驗證階段。為加強(qiáng)國際合作，2003年，美國發(fā)起成立了“碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇”， 目前共有美國、加拿大、歐盟、英國、澳大利亞、日本、德國、挪威、巴西、意大利、印度、中國、哥倫比亞、墨西哥、俄羅斯、南非、法國等22個成員，共同組織開展理論與實驗研究。

當(dāng)前，國際上CCS技術(shù)研發(fā)所關(guān)注的主要問題包括：CO₂在地質(zhì)封存系統(tǒng)中吸附和遷移的機(jī)理與規(guī)律。在地層中的相態(tài)及其變化規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)及固化條件；注CO₂采油過程中的物理化學(xué)理論問題、復(fù)雜滲透流體力學(xué)原理、各類CO₂提高采收率(EOR)數(shù)值模擬基礎(chǔ)模型；長距離管道運(yùn)輸CO₂的化學(xué)腐蝕機(jī)理與規(guī)律等。

整體上而言，目前CCS技術(shù)仍處于試驗階段，技術(shù)上的不成熟所導(dǎo)致的高成本致使CCS難以大規(guī)模的推廣。麥肯錫估計捕獲和處理每噸二氧化碳的成本大概在75-115美元，與開發(fā)風(fēng)能、太陽能等新能源的價格相比并不具備太大的競爭優(yōu)勢。2008年的G8峰會上，八國集團(tuán)曾經(jīng)提出，在2020年前后普及CCS技術(shù)，并在2010年底前啟動20個大型CCS示范項目。鑒于其高昂的成本，時至今日，規(guī)劃中的項目未有一個上馬實施。此外，由于被捕獲的二氧化碳工業(yè)應(yīng)用前景非常差，封存是碳捕捉的最終路徑，CCS技術(shù)的普及同時也取決于二氧化碳的排放價格，預(yù)計當(dāng)二氧化碳價格介于25-30美元/噸時，CCS技術(shù)的推廣就會加快。

    6. CCS技術(shù)的前景廣闊

二氧化碳捕獲和埋存技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，已經(jīng)蓄勢待發(fā)�！岸趸疾东@和埋存技術(shù)并不存在技術(shù)障礙和實質(zhì)性障礙”，來自碳捕獲與埋存協(xié)會（CCSA）的Jeff Chapman指出，“眼前唯一需要的就是好的政策。”享譽(yù)國際的環(huán)境問題智囊團(tuán)“世界資源研究所”（WRI）對此觀點表示贊同——資金是現(xiàn)成的，技術(shù)是現(xiàn)成的，需要的只是一個能夠讓金融中介獲得與其投資相應(yīng)的回報的規(guī)范框架。

不少國家都已開始為二氧化碳捕獲和埋存技術(shù)的推廣和應(yīng)用創(chuàng)造鼓勵性的政策環(huán)境。作為煤炭大國和能源消費大國的中國，也在積極鼓勵和推動相關(guān)研發(fā)工作的開展，以期盡快掌握這一關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)化石燃料尤其是煤炭的脫碳利用。

本文來自：逍遙右腦記憶 http://m.portlandfoamroofing.com/gaozhong/395861.html

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