碳收集中的二氧化碳捕获封存技术(CCS)

碳收集中的二氧化碳捕获封存技术(CCS)

CO2作为含碳能源消耗过程中产生的最主要温室气体，设法对其进行节能减排而捕捉和封存成为各国关注的焦点。本文综述了碳捕获和碳封存的技术方法，以及CCS技术在储存方面存在的问题。

CCS技术概述

二氧化碳（CO2）捕获和封存技术（Carbon Capture and Storage）简称CCS技术。CCS 技术是减少排放二氧化碳，迈向低碳，应对全球气候变暖的重要手段。

CCS技术是将工业和有关能源产业所生产的二氧化碳分离出来，再通过碳储存手段，将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方。通过此过程，CO2将被压缩、输送并封存在地质构造、海洋、碳酸盐矿石中，或是用于工业流程。

它主要用于处理大型的CO2点源排放，例如大型化石燃料或生物能源设施，主要CO2排放型工业、天然气生产、合成燃料工厂以及基于化石燃料的制氢工厂等。

CCS技术目前仍有很多亟待解决的问题，包括：

①二氧化碳的永久安全埋存；

②二氧化碳能否对环境产生负面影响，特别是生物多样性；

③如何采取国际协商一致的程序以独立核查监测二氧化碳的相关活动；

④怎样降低碳捕集埋存的成本，以大规模实施这一技术等。

找到解决这些问题的方法需要进行相应的工业实践及理论研究。

在理论上，CO2的捕获封存技术包含了捕获和封存两个方面。碳捕获分为燃烧前捕获、富氧燃烧捕获和燃烧后捕获。碳封存方式有地质封存、工业利用、矿石碳化及生态封存等，其中地质封存是主流方式。

碳捕获

1.燃烧前捕集技术

燃烧前捕集技术的反应阶段如下：

首先化石燃料先同氧气或者蒸汽反应，产生以CO2和H2为主的混合气体（称为合成气）。

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2～7MPa。

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。这一过程也就是考虑了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、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。

2.燃烧后捕集技术

燃烧后捕集是从含有NOX和SO2的烟气中分离CO2并作回收处理，将烟气中的CO2分离回收，有化学吸收法、物理吸附法、膜分离法及化学链分离法等。

化学吸收是燃烧后处理CO2的常用方式，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。它是利用碱性溶液与酸性气体之问的可逆化学反应。例如单乙醇胺（MEA）吸收。

而有的是发展燃烧后氧化钙/碳酸钙化学循环二氧化碳捕获，利用钙回路中的氧化钙把水泥窑等释放源中排放出来的二氧化碳捕捉下来。

化学吸收技术已大规模用于天然气工业，优点在于能分离出较纯的CO2。尽管化学吸收剂在规模和投资上与SO2洗涤器相当，但吸收剂能除去发电厂烟气排放总量的1/4～1/3，可以大大减少电厂的发烟量。膜气体分离技术是后燃烧处理捕捉CO2的另一种方式。

3.富氧燃烧捕集技术

富氧燃烧捕集技术是用纯度非常高的氧气助燃，燃料在几乎不含氮的纯氧中燃烧，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。

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。

燃气流中的CO2浓度、燃气流压力以及燃料类型（固体或气体）都是选择捕获系统时要考虑的重要因素。此外，植树造林、光合作用、海洋施肥、气体水合物及矿物碳化等技术也为CO2捕捉与封存提供了新思路。并行不悖的是同时将非化石能源占一次能源消费比重逐渐提高。

目前我国的二氧化碳捕集和封存整体上还处于实验室阶段，而且大都采用燃烧后捕集的方式。工业上的应用也主要是源于提高采油率。但在未来，随着研究的深入，相信会有更多富有成效的CO2捕捉与封存技术将问世，这对经济的循环发展、大气环境保护和人群的健康意义巨大。

碳封存

比较而言，CO2封存技术相对于CO2捕集技术更加成熟，CO2封存技术主要的有地质封存，海洋封存以及将CO2固化成无机碳酸盐。

潜在的技术封存方式主要是地质封存（分存在地质构造中，例如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池构造），利用现有油气田封存CO2，是将CO2注入油气层起到驱油作用，既可以提高采收率，又实现了碳封存，兼顾了经济效益和减排效果。煤层气封存技术是指将CO2注入比较深的煤层当中，置换出含有甲烷的煤层气。

海洋封存是直接释放到海洋水体中或海底以及将CO2固化成无机碳酸盐。海洋封存常用两种方法，一种是经固定管道或移动船只将CO2注入并溶解到1000米以下水中；另一种则是经由固定的管道或者安装在深度3000米以下的海床上的沿海平台将其沉淀，此处的CO2比水更为密集，预计将形成一个“湖”，从而延缓CO2分解在周围环境中。

碳封存的潜在风险

大量的CO2注入地下，其潜在的风险不可忽视。对于地质储层中CO2渗漏所引发的风险分为两大类：全球风险和局部风险。

全球风险包括，如果封存构造中的部分CO2泄漏到大气中，那么释放出的CO2可能引发显著的气候变化。

关于局部风险，可能发生渗漏的有两种情景。

第一种情景，注入井破裂或废弃油气井泄漏有可能造成CO2突然快速的释放，造成空气中CO2浓度急剧增高，空气中CO2的浓度大于7-10%将立刻危害人们的生活和健康。

第二种情景，通过未被发现的断层、断裂或漏泄的油气井发生渗漏，其释放到地面更加缓慢并扩散。在这种情况下，灾害主要影响饮用蓄水层和生态系统。

对于海洋存储，注入几千兆吨CO2将产生能够测量到的注入区的海洋化学成分的变化，而注入数百千兆吨的CO2将使注入区发生更大的变化，最终在整个海洋体产生可供测量的各种变化。据报导海洋中CO2的增加能影响海洋生物的钙化的速度、繁殖、生长，导致周期性供氧及活动性放缓和死亡率上升。

结语