德国CO2捕获和封存技术发展展望

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全球科技经济嘹望2009年9月第24卷第9期

大规模用于天然气分离COz的技术相似;燃烧前收集碳技术现已大规模应用于生产氢气;富氧燃烧收集CO:的技术还处于示范阶段。

1.燃烧后捕获:燃烧后捕获是在排放废气中把COz捕获,是目前从大气中捕获CO:的主要方法。燃烧后捕获系统从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气体中分离CO:。这些系统通常使用液态溶剂从主要成分为氮(来自空气)的烟气中捕获少量的CO:成分(一般占体积的3%一15%)。对于现代粉煤(PC)电厂或天然气复合循环(NGCC)电厂,目前的燃烧后捕获系统通常采用某一种有机溶剂。由于必须利用化学吸收剂从废气中把CO:捕捉住,使得捕获成本偏高。

2.燃烧前捕获:是由源头直接产生高浓度的CO:。燃烧前捕获是在一个有蒸汽和空气或氧的反应器中处理一次燃料,产生主要成分为一氧化碳和氢的混合气体(“合成”气体)。在第二个反应器内(“变换反应器”)通过一氧化碳与蒸汽的反应生成其余的氢和COz。可从最后产生的由氢和CO:组成的混合气体分离出一个CO:气流和一个氢流。若把该合成气做为燃烧或发电用的燃料,燃烧后排放废气中的COz浓度就可高达40%-60%。这时再利用捕获技术把CO:浓度至90%以上,显然较直接燃烧后的低浓度CO:的捕获更经济。如果CO:被封存,氢就成为无碳的能源载体,可用来燃烧发电,但成本较高。燃烧前捕获系统可以在采

燃烧后

燃烧前

氧燃料

上业过程用综合汽化复合循环(IGCC)技术的电厂中使用。

3.富氧燃烧:还有一种由燃烧源头直接产生高浓度CO:的方法,就是利用富氧燃烧。一般燃烧是以空气提供燃烧所需的氧气,氧气浓度仅约2l%,若改以高浓度或95%以上的氧气,则称为富氧燃烧或纯氧燃烧。这是燃料中的碳与氢在纯氧中燃烧,由于少了空气中的氮气,燃烧后的废气含有90%以上的CO:,便不需要再经由CO:捕获或分离程序,通过对气流进行冷却和压缩清除水汽就能直接把CO:压缩封存或再利用。目前富氧燃烧技术仍在研究发展中,德国对该项技术的研究处于领先水平,已制造出了示范模拟设备。

(二)COz的运输

除非工厂直接位于地质封存地上部,否则收集到的CO:必须运送到一个合适的场所进行封存。由于CO:既不是爆炸气体,又无毒无味,所以适合于铁路、公路和船运,如果运输量较大,可以采用管道运输,可降低运输的成本。在运输工程中,CO:气体处于高压下,以便于运输和提高运输效率,降低运输成本。

(三)C02的封存

CO:封存方式又分成4种:一是通过化学反应将COz转化成固体无机碳酸盐;二是工业直接应用,或作为多种含碳化学品的生产原料;三是注入海洋1000米深处以下;四是注入地下岩层。第四种方式最具潜力,向地层深处注入C0:的技术,

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图1CO。捕获方法示意图

在很多方面与油气工业已开发成功

的技术相同,有些技术从20世纪80

年代末就开始使用了。

1.矿石碳化

矿石碳化是指利用碱性和碱土

氧化物,如氧化镁((MgO)和氧化

钙(CaO)将CO:固化,这些物质目

前都存在于天然形成的硅酸盐岩

中,例如:蛇纹岩和橄榄石。这些

物质与CO:化学反应后产生诸如碳

酸镁(MgCO,)和碳酸钙(CaCO,,

通常称作石灰石)这类化合物。地

壳中硅酸岩的金属氧化物数量超过

了固化所有可能的化石燃料储量燃

烧产生的C02量。矿石碳化产生出

・能源开发利用与节能减排专题・

能够长时间稳定的二氧化硅和硅酸盐,因而能够

在一些地区进行处置,如硅酸盐矿区,或者在建

筑用途中加以利用,尽管与产生的数量相比这种

二次利用可能相对很小,C0:在碳化后将不会释放

到大气中。因此,几乎没有必要监测这些处理地

点,而相关的风险非常小。利用天然硅酸盐的矿

石碳化技术正处于研究阶段,但是利用工业废弃

物的某些流程目前处于示范阶段。

2.工业利用

工业利用是指工业上对COz的利用,包括C02

作为反应物的生化过程,例如:那些在尿素和甲醇生产中利用CO:的生化过程,以及各种直接利用CO:的技术应用,比如:园艺、冷藏冷冻、食品包装、焊接、饮料和灭火材料的应用。目前,全球的C0:利用量每年约1.2亿吨,大多数(占总数的2/3)是用于生产尿素,其余用在肥料和其他产品的生产。有些CO:从天然井中提取,而有一些来自工业源,主要是高浓缩源,例如:制氨和制氢厂,在生产过程中捕获CO:作为生产流程的一部分。目前,工业流程利用的大部分CO:典型的封存时间期限只有几天到数月,被封存的碳降解为COz,然后再次排人大气。如此短的时间尺度对于减缓气候变化没有实质意义。除此之外,整体工业利用量只有1.2亿吨CO#年,这相对主要人为源的排放非常小。可以得出结论,预计工业利用被捕获的COz对减缓气候变化的贡献不大。

3.海洋封存

一个潜在的CO:封存方案是将捕获的CO:直接注入深海(深度在1000米以上),大部分CO:在这里将与大气隔离若干世纪。该方案的实施办法是:通过管道或船舶将CO:运输到海洋封存地点,从那里再把CO:注人海洋的水柱体或海底。海洋封存尚未采用,也未开展小规模试点示范,仍然处在研究阶段。海洋占地表的70%以上,海洋的平均深度为3800米。由于CO:可在水中溶解,所以,大气与水体在海洋表面不断进行CO:的自然交换,直到达到平衡为止。若CO:的大气浓度增加,海洋则逐渐吸收额外的C02。

4.地质封存

三种类型的地质构造可用于C02的地质封存:石油和天然气储层、深盐岩层构造和不可开采的

图2C02海洋封存示意图

煤层。在每种类型中,CO:的地质封存都将CO:压缩液注人地下岩石构造中。含流体或曾经含流体(如天然气、石油或盐水等)的多孔岩石构造(如枯竭的油气储层)都是潜在的封存CO:地点的选择对象。

封存在800米深度以下,此处的周边压力和温度通常使CO:处于液体或超临界值的状态。在这种条件下CO:的密度是水密度的50%~80%。该密度接近某些原油的密度,产生驱使CO:向上的浮力。因此,选择封存储层具有良好封闭性能的冠岩十分重要,以确保把CO:限制在地下。当被注入地下时,CO:通过部分置换已经存在的流体(“现场流体”)来挤占并充满岩石中的孔隙。在石油和天然气储层中,用注人的C0:置换现场流体可为封存CO:提供大部分孔隙容积。在深水盐层构造中,随着CO:与现场流体和寄岩发生化学反应,就出现所谓的地质化学俘获机理。向衰竭或将要衰竭的油

图3C0:地质封存示意图

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