碳捕捉与封存技术浅论

杨 磊

（ 黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001）

0 引言

全球变暖是目前世界上主要环境问题之一［1－3］。在导致气候变化的各种温室气体中，二氧化碳对地球升温影响最大。据统计，全球因燃烧化石燃料每年向大气中约排放65亿t碳(约250亿t二氧化碳)，人类活动中排放的二氧化碳70%来自化石燃料的燃烧，我国约有80%的二氧化碳排放来自于燃煤。空气中二氧化碳浓度的持续走高引起人们的高度重视。自南非德班世界气候大会后，关于低碳经济和低碳生活的研究和舆论逐渐成为全世界的热点和时尚。

政府间气候变化委员会(IPCC)于2005年向各国提出了碳捕捉与封存(Carbon Capture and Storage，简称CCS)技术，以大幅度减少温室气体的排放。由于CCS与现有能源系统基础构造一致，受资源条件限制较小，一经提出便受到工业化国家的广泛关注和重视:2007年世界自然基金会(WWF)明确将CCS作为应对全球气候变化的六种途径之一;2010年的砍昆全球气候大会将CCS纳入清洁发展机制(CDM);美国、加拿大、欧盟等已将CCS作为未来能源战略和碳减排战略的重要组成部分，制定了相应的技术研究规划并开展了相应的研发和项目示范;据了解，我国已把CCS技术作为前沿技术列入国家中长期科技发展规划，并在相关技术领域取得突破。

1 CCS技术

碳捕捉与封存技术是指二氧化碳从工业或相关能源的源头分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。碳捕捉与封存技术包括碳捕获、碳运输、碳封存三个技术环节。

1.1 碳捕捉

二氧化碳捕捉是CCS整个过程中首先要解决的问题，其方法就是将二氧化碳从排放燃烧源中分离、收集、净化和压缩，减少工厂中二氧化碳的排放，从而降低大气中的二氧化碳含量。可利用的二氧化碳捕捉技术主要包括燃烧前捕捉技术、富氧燃烧捕捉技术及燃烧后捕捉技术［4－5］。

燃烧前捕捉技术是将CO2在化石燃料燃烧前分离出来［2］。首先将化石燃料气化生成H2和CO，CO转化为 CO2，H2作为能源燃烧转化为H2O，CO2则被分离出来。集成气化组合循环技术(IGCC)就是将煤变成合成气的一项技术，是一种典型的燃烧前捕捉CO2的技术。

富氧燃烧捕捉技术是指化石燃料在纯氧或富氧中燃烧，烟道气中以CO2和水蒸汽为主，然后将水蒸汽冷凝，便分离出CO2。

燃烧后捕捉技术是指从化石燃料在空气中燃烧所产生的烟道气中将CO2分离捕捉［4］。其主要捕获分离方法为化学吸收法(本菲尔法、甲基二乙醇胺法)、吸附法(变压、变温)、物理吸引法(聚乙二醇二甲醚法、低温甲醇洗法)和膜分离等方法。

1.2 碳运输

碳运输技术目前发展较为成熟，应用较为广泛，其主要运输方式有管道运输和罐装运输。管道运输分为气态、液态、超临界态输送，由于输送介质的相态不同，其输送工艺也有一定的差别。目前的管道输送主要采用超临界态输送。罐装运输主要方式是通过铁路或公路进行运输。

1.3 碳封存

碳封存技术就是把捕捉的CO2安全地存储于地质结构层，从而有效的减少CO2对大气的排放。分为地质封存、海洋封存、化学封存三种方式。

地质封存是指将CO2注入海底盐沼池、油气层、煤井等不同的地质体中。CO2地质封存储存深度一般在800 m以下，因为这样的温度和压力可以使CO2保持在超临界状态。

海洋封存是指用管道或者船舶运输将CO2储存在深海的海洋水或者深海海床上。

化学封存是指经过一系列复杂的化学反应将CO2转化为一些稳定的碳酸盐，从而达到永久封存CO2的目的。

2 CCS技术分析

目前CCS技术的研究主要有如下几个方面:其一针对碳捕捉，主要是从经济性角度即如何降低碳捕捉的经济成本，其二针对碳封存，主要是从环境风险角度即如何降低碳封存所可能带来的环境风险，其三是通过CCS技术的示范工程积累实践经验。

2.1 碳捕捉技术发展现状

碳捕捉技术中的富氧燃烧捕捉技术由于制氧成本太高使它在经济上没有明显的优势，而无法在实际应用中大规模推广使用;燃烧后捕捉技术也由于设备投资和运行成本较高，在生产实践也未大规模应用。虽然碳捕捉的成本相对较高，但是研究表明随着技术的不断成熟，碳捕捉的成本将会大幅降低到人们容易接受的水平。综上所述，成本问题是碳捕捉技术工业化的瓶颈，各国的科研人员针对碳捕捉技术的研究方向也主要集中在如何降低碳捕捉的经济成本，下文笔者将介绍几种降低碳捕捉成本的新技术:

美国加州的克迪科斯公司(Codexis)的研究人员正在研究利用转基因酶降低碳捕捉成本的技术，碳酸酐酶有助于溶剂甲基二乙醇胺与二氧化碳结合，但这种酶只能在25℃左右存活，温度超过55～65℃就马上失效。通过转基因技术得到的转基因碳酸酐酶能在85℃以上的温度下存活半小时，这个特性使其能在燃煤发电厂的高温烟窗里发挥作用，提高碳捕捉溶剂吸收效率100倍。

日本JFE工程公司使用了水和一种特殊的有机化合物，当排放的废气和水以及这种有机化合物混合时，二氧化碳会在室温和接近常压的环境下转化成像果冻一样的黏稠状态。这种固体物质随后被收集，稍微一加热，二氧化碳又转变为气体，而且水和有机化合物可以被重复利用。该工艺每捕捉一吨二氧化碳折合成人民币需花费200元。

美国莱斯大学、加州大学伯克利分校、伯克利国家实验室和电力研究所的科学家针对400多种矿物吸附剂做研究，发现通常被用做工业材料的沸石可以大幅提高碳捕捉技术的能源效率，他们的分析表明许多种沸石在二氧化碳捕捉方面都比胺溶剂的能源效率高。(沸石是一种主要由硅和氧构成的常见矿物，在自然界有40种，人工合成的有160种。沸石内部都充满了气孔，这些气孔就像一个微型反应容器，吸收、组合化学物质进行化学反应［5］。

美国国家能源技术实验室的科研人员进行了多种离子液体的物理特性和二氧化碳吸收机理研究，结果表明，在给定的离子液体中，离子液体对二氧化碳具有更好的选择性，同时发现离子液体具有很高的二氧化碳吸收负荷和更低的再生热需求，并且离子液体与传统的有机溶剂不同，由于蒸气压力低，在脱碳过程中不会产生挥发性有机物，另外离子液体可以反复多次使用。

2.2 碳封存的风险

科技部部长万钢在第三届“碳封存领导人论坛”部长级会议后接受媒体采访时曾表示，碳捕捉技术比较成熟，而碳封存技术的应用前景和安全性等还有待考虑。美国、挪威等国曾将二氧化碳注入已开采过的油气田，将残存的油气挤出来，不仅提高了石油的采收率，也延长了油气田的使用寿命，然而，正如万部长所说，碳封存所带来的风险也不容小视。

二氧化碳地下封存渗漏可引发两类风险:全球风险，即如果封存构造中的部分二氧化碳泄露到大气中，那么释放出来的二氧化碳可能引发显著的气候变化。

局部风险，即如果从封存构造中泄露二氧化碳，可能会造成二氧化碳和盐水进入蓄水层，影响地下水，给饮用水带来污染;也可能给人类和生态系统造成局部灾害。

二氧化碳海洋封存的风险为:

溶于水中的二氧化碳会使得水中的酸性增加，当然也可以采用加入一定的碱性矿物来中和二氧化碳的酸度。但从目前的试验来看，二氧化碳注入海洋短期之内会对注入点附近的生物产生一定的影响，而对海洋生态系统的长期影响还需要进一步观察。另外，二氧化碳注入后在深海的留存时间、形态变化、运移方向等情况也需要长期监控。

二氧化碳化学封存作为一种新的封存二氧化碳的技术，在经济效益上和减排效率上还存在着诸多不可预测性。

2.3 CCS技术的工程实用举例

全球第一家经改造而配备CCS技术的发电厂于2009年5月在法国南部落成。这座电厂位于法国拉克，能源巨头道达尔对其中的一个煤气锅炉进行了升级。每年有6万t二氧化碳从这里被运送和存储到其附近一座被废弃的天然气田。它是世界上第一条完整的碳捕捉链:首先燃烧天然气，然后分离出燃气中二氧化碳，最后将其深埋地下。

德国空气化工产品有限公司利用专有的二氧化碳捕捉、纯化和压缩技术的富氧燃烧碳捕捉技术，在欧洲的能源公司Vattenfall AB公司位于德国黑泵电厂(SchwarzePumpe)的研发工厂基础装置于2011年投入使用。该装置在为期3 a的示范运行中，空气产品公司通过开发出的能够降低二氧化碳捕捉成本的技术，侧重于富氧燃烧烟气中二氧化碳的纯化和压缩过程，同时通过提高碳捕捉与封存(ccs)技术的效率，使该技术在世界各地的环保市场上具备竞争力。采用空气产品公司的技术从富氧燃烧中纯化和压缩二氧化碳，使其纯度适用于封存;新型膜技术，将直接处理Vattenfall公司德国黑泵电厂30 MW的富氧燃烧试验工厂壁挂式锅炉的烟气，获得高达98%的碳捕捉率;此外，专有的使用分级压缩工艺的酸压缩技术用于优化压缩过程中压力、保持和停留时间，从而能够在其过程中使二氧化碳有效纯化和去除其中的氧气等其他气体杂质，酸压缩技术能够在富氧燃烧流程中节约成本，最大限度地降低酸性物质的浓度，并且可以在二氧化碳封存过程中防止腐蚀。

新疆广汇新能源公司与美国JOC公司于2011年8月在新疆哈密签订了碳捕捉节能减排项目战略合作协议。根据协议，美国JOC公司计划投资2亿美元，与广汇新能源公司合作二氧化碳捕捉及相关锅炉改造项目。通过对煤在燃烧中排放的二氧化碳进行碳捕捉并将其压缩到枯竭的油田和天然气领域或者其他安全的地下场所储存，就能够大大降低二氧化碳的排放量。新疆广汇通过此次和美国JOC公司的合作，成为国内首家引进富氧燃烧技术及二氧化碳捕捉专利技术的公司，对煤的燃烧采用富氧燃烧技术，锅炉增加富氧，减少二氧化碳的排放，获得纯度更高的二氧化碳气体，再回收压缩为液体。二氧化碳液体作为产品可以出售给石油、食品添加剂等企业。石油企业也可将现在的注水、注气改为注入二氧化碳，不仅可以提高油田的单井石油采收率，还能掩埋二氧化碳，将二氧化碳置换原油而长期储存于油岩中，实现石油的绿色开发。

我国大唐国际发电股份有限公司和亚洲开发银行主办的《燃气电厂碳捕捉与封存研究》项目自2012年8月启动后，已于2013年10月完成了报告草稿。该项目以大唐国际北京高井热电厂燃气机组烟气二氧化碳为研究对象，是世界首次在燃气电厂开展CCS技术研究的示范项目。

3 结论

文中简要介绍了CCS技术的提出背景及其技术内涵，并对该技术的碳捕捉发展现状及降低其经济成本的研究方向，碳封存的风险分析及目前国际国内的部分工程实用等外延方面进行了一些论述。总的来说，CCS技术的应用前景是广阔的，目前存在的问题也应该是暂时的，我国作为碳排放大国应该在该技术领域深入研究并进行相关工程项目的实践。另外，笔者亦借此文发表一些不成熟的看法:我们不应该单单从技术难度、经济成本、风险等方面看待CCS技术，还应该站在全球生物圈的高度看待该技术。全球变暖的原因在于温室气体过度排放，人类的工业文明所带来的以二氧化碳为主的温室气体也必然成为了地球碳循环的一部分。工业文明之前地球的碳循环相对简单、也长期平衡，简单地说，植物消费二氧化碳，动物生产二氧化碳，二者形成了平衡。工业文明的出现打破了这个简单的平衡，二氧化碳的供给大于了消费，所以温室气体过度排放导致全球变暖。因此，如何在不影响地球生物圈的生态的基础上消费多余的二氧化碳温室气体是问题的关键，这里需要的不仅仅是科技的运用，还应该包括政治的智慧、文化的沟通及经济的手段。过度排放的温室气体是人类文明带来的，相信人类文明也必然能够找到化解其影响的办法!

［1］刘 宇，曹 江，朱声宝.挑战全球气候变化——二氧化碳捕集与封存［J］.前沿科学，2010(1):40－51.

［2］郭树平.黑龙江省碳储量及碳汇潜力分析［J］.森林工程，2011.3:9 －11+16.

［3］王勇英，周建明.浅谈二氧化碳捕获与封存技术［J］.煤炭技术，2011(3):57 －62.

［4］胡海清，陆昕，孙龙.土壤活性有机碳分组及测定方法［J］.森林工程，2012，5:18－22.

［5］吴黎明，潘卫国，郭瑞堂，等.富氧燃烧技术的研究进展及分析［J］.锅炉技术，2011(1).

［6］陈 锋，姚 荣.二氧化碳捕获与封存技术［J］.能源研究与信息，2011(4):193－202.

［7］刘仁生，曹晨忠，赵 兵，等.二氧化碳捕捉材料的研究进展［J］.煤炭加工与综合利用，2010(3):46－48.