碳捕捉与封存技术研究

于德龙, 吴 明, 赵 玲, 汪宇彤

（1. 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油大学（北京）， 北京 102249）

随着世界各地极端天气频频出现，由CO2等温室气体造成的气候变化日益严峻，共同推动环保减排已成为全球共识，为防止因全球变暖造成的灾难后果，全球共同推动了碳捕捉与封存技术[1]（Carbon dioxide Capture and Storage，CCS）。碳捕捉与封存技术包含捕获、运输和封存三个部分，且每部分又有多种技术可供选择，也就是说具体的碳捕捉与封存技术就是各环节部分各种技术特定组合。

1 碳捕捉与封存技术（CCS）

碳捕捉与封存技术是指将二氧化碳从工业生产过程中最大限度分离出来，输送至指定地点封存，并与大气长期隔绝过程。碳捕捉与封存整个过程由二氧化碳捕捉、二氧化碳输送和二氧化碳封存三个环节组成。碳捕捉与封存是一种新型的岩土工程，具有潜力大、规模大、与化石能源结构相容性能好、成本低、技术成熟度高等优点，被认为具有非常高减排潜能，有助于减缓能源结构转变和降低综合减排成本带来的冲击。国外已经投入非常大研发资金并且制定了相应研究路线[2]，如表 1。我国 CCS研究才刚刚起步，政府支持力度很大，同时自然科学基金委、863和973计划等都对CCS项目给予了高度支持和重视[3-5]。同时科研机构、高等院校外和一些大型企业均开展相关研究和示范工程，如表2。

2 CO2捕捉

CO2捕捉指将二氧化碳从化石燃料燃烧产生的烟气中分离并增加至一定压力的过程。目前捕捉的对象主要集中于大型的CO2排放源，如水泥厂、燃煤电厂、钢铁厂、合成氨厂等[6]，且其中燃煤电厂是我国CO2减排首选方向。图1显示国内CO2排放点及排放源[7]。,目前CO2燃烧捕捉技术可分为:燃烧前CO2捕捉、燃烧后CO2捕捉和富氧燃烧CO2捕捉三类。

表1 国外大规模CCS项目Table 1 The large CCS project at abroad

表2 国内CCS示范项目Table 2 Demonstrative CCS project at home

图1 国内CO2排放点及排放源Fig.1 Domestic CO2 emission site and emission source

2.1 燃烧前捕捉

燃烧前捕捉是在燃料燃烧前将燃料中的碳元素通过化学反应转化成二氧化碳而除去。该方法适合于联合循环发电电厂。燃烧前捕捉方法捕捉CO2过程为:在化石燃料燃烧前，先将化石燃料气化转化为CO和H2合成气；冷却后，再通过蒸汽转化反应，将合成气中CO转化为CO2后将CO2从混合气体中分离出来最终实现能源与碳分离。燃烧前气体具有杂质少和压力高优点，但捕捉CO2浓度高和分压高。该方法可采用工艺广泛、能耗比较小、分离设备尺寸相对小、投资低。

2.2 燃烧后捕捉

燃烧后捕捉是燃烧设备在烟气通道安装二氧化碳分离单元，捕捉燃烧后烟气中二氧化碳组分。燃烧后碳捕捉特别适合于传统煤电厂。该方法过程：化石燃料燃烧产生的烟气依次通过相关单元系统完成脱销、除尘、除硫处理，最后进入吸收CO2单元，利用化学吸收剂(如MDEA、DEA)或物理吸附剂（如分子筛）吸收烟气中 CO2，吸附或吸收的CO2经过加压、脱水后通过各种途径输送和封存。但该方法燃烧后烟道气流量大，CO2浓度低、能耗相对较高，分压较小，但是燃烧设备尺寸庞大，投资和运营成本高。

2.3 富氧燃烧捕捉

富氧燃烧捕捉是化石燃料在纯氧中燃烧得到浓度较高的CO2后加压、脱水即可直接输送和封存。该方法也适合于传统煤粉电厂。富氧燃烧捕捉CO2过程为：首先，空气中氧气通过空气分离单元提纯，让化石燃料在纯氧环境中充分燃烧生成CO2，然后将高浓度CO2烟气冷却、脱硝、除硫和除尘处理，最后通过加压和脱水实现CO2捕捉并通过各种输送途径外输和封存。但这种方法需要特殊纯氧环境燃烧设备设施和技术手段，这是一个瓶颈，纯氧燃烧温度很高，而这对燃烧材料的耐热性又是一个巨大的挑战。

3 CO2输送

CO2输送是将捕捉、干燥和压缩后的CO2通过各种输送手段输运至存储目的地。常用输送方式有管道、船舶和罐车三类，且各具特点[8]。

3.1 管道输送

管道输送是长距离、大规模输送CO2最经济方法。管道输送一般有气态输送、液态输送和超临界输送三种方式。超临界输送最为常见。超临界状态为7.38 MPa，31.1 C，管内CO2压力一般维持在8 MPa以上。按照国外经验，按输量200~300万t/a计算，输送每吨CO2成本约1~6美元/200 km。同时，还要考虑地理条件等对管输的成本影响，如山区和河流、管道穿越人口稠密区等都将很大程度上提高输送成本。而海上管道不受这些条件所限制，其输送成本往往比陆上同等条件管道成本低约30%~50%。

3.2 罐车输送

罐车输送是将上述燃烧捕捉并净化的CO2液化处理后储存于绝热低温储罐 (一般1.7 MPa，-30 ℃)中。罐车输送一般指铁路罐车输送和公路罐车输送，在两者技术上并没有太大区别，仅输送规模和距离不同而已。对于目前来说，罐车输送是CO2输送最主要形式。公路输送适合于短距离、小容量输送，铁路输送适合于长距离、大容量输送。往往实际中，两者相互配合输送。尽管罐车输送具有适应性强、操作灵活等优点，但同时也存在一些缺点，如：间断性供应、输送成本较高、蒸发泄露等。

4 CO2封存

据报告，CO2封存技术目前共有四大类别封存工艺，它们分别是海洋封存、矿石碳化、地质封存和工业利用。同时，国内封存能力可满足未来几百年甚至千年二氧化碳封存需要，如图2。

4.1 海洋封存

海洋封存即将CO2注入深海实现CO2与大气长期隔绝。但考虑到将CO2注入海洋会使海水pH值减小影响海洋生态平衡。因此，海洋封存一直没有被采用，只是进行实验室模拟和理论探讨。海洋封存机理是因为CO2溶于水，生成碳酸。水体与大气在海洋等表面不间断进行碳交换实现动态循环。若大气中碳浓度增加,海洋则缓慢吸收二氧化碳；若大气中碳浓度降低，海洋则缓慢释放二氧化碳直至水体与大气达到平衡，如此往复，实现平衡。封存的机理即将海洋被动、缓慢逐渐吸收大气中碳方式转变为主动、大量、快速注入而实现二氧化碳的大量封存。

图2 国内CO2封存地点分布图Fig.2 Domestic CO2 storage site map

4.2 矿石碳化

矿石碳化是通过碱性和碱土氧化物与CO2在一定条件下反应生成碳酸钙和碳酸镁而被固化，达到长期与大气隔开。但目前矿石碳化技术仍处于研究发展阶段，距离实际应用有待时日。矿石碳化封存是人为作用于自然界中存在的碱土氧化物化石，如钙镁硅酸盐矿石等风化、侵蚀的一个过程。自然界中富含钙镁硅酸盐矿物，如橄榄石、硅灰石、蛇纹石等。虽然这些碱土氧化物矿物质可以和二氧化碳自发反应生成稳定碳酸盐而将二氧化碳固化，且碱土氧化物封存泄露风险几乎不存在而很好的将二氧化碳实现封存。但是因其反应作用过程极为缓慢，对短期大规模减排没有明显效果。

4.3 地质封存

地质封存是将二氧化碳注入到地下地质结构储存于岩石孔隙中且不会随着时间推移而泄露。通常情况，当地质纵向深度大于800 m时，地层压力一般大于CO2临界值，因而CO2处于超临界状态。目前来说，地质封存是各国家大规模封存最有效最经济方法之一，因其优点显著而被国际上推动的CCS封存方法[9,10]。地质封存机理可分为物理封存和化学封存两类，其中物理封存方法包括：构造底层封存、束缚气封存、水动力封存和煤层吸附封存；化学封存方法包括：溶解封存和矿化封存。部分机理从CO2注入就开始作用，如水动力封存、地层封存等；而另一部分机理产生作用却非常缓慢。

在地质封存过程中，并不单一机理在单独起作用，不同封存时间，主导作用机理也不尽相同：对于二氧化碳注入初期，起主导作用的是构造地层封存，随时间推移溶解封存、束缚气封存作用显著，随时间进一步推移，矿化封存机理变为主导。封存时间越长，封存稳定性越高，安全性也将越高。

4.4 工业利用

工业利用封存CO2即将CO2封存在含碳化学制品中实现CO2长期与大气相隔绝。为了减少温室效应而减排的CO2量极大，通过工业利用而封存的CO2量非常小且只是短暂封存，一般为几天至数月，因此通过工业利用减排CO2作用效果微小[11]。

5 结 语

碳捕捉与封存技术是指将二氧化碳从工业生产过程中最大限度分离出来，并输送到指定地点封存，并与大气长期隔绝过程。CO2捕捉技术可分为：燃烧前捕捉、燃烧后捕捉和富氧燃烧捕捉三类，各具优缺点和适用情况，实际应用应根据具体情况具体分析；CO2常用输送方式有管道输送、船舶输送和罐车输送三类，各具优缺点和适用范围，对于大规模长距离应首选管道输送，长距离海洋输送应首选船舶输送，对于短距离小输量应首选罐车输送；CO2封存共有四大类别封存工艺：海洋封存、矿石碳化、地质封存和工业利用，其中地质封存对减排贡献最大，矿石碳化和工业利用贡献有限，海洋封存仍处研究之中。国外已经投入大量研发资金和人力并制定了相应的研发路线，而国内研究工作刚刚起步仅一些示范项目，国内发展任重道远。

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［2］王众,张哨楠,匡建超. 碳捕捉与封存技术国内外研究现状评述及发展趋势[J]. 能源技术经济, 2011,23(5):42-47.

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