德国CO2捕获和封存技术发展展望

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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