CCS二氧化碳捕集与封存

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(碳捕集与封存) (CARBEN CHAPTURE & STORAGE)
浅谈CCS技术
李丽娇
主要内容
• 全球不中国环境背景 • CCS的主要技术环节
• 捕集方法 • 运输能力 • 封存技术
• CCS的全球性应用 • CCS普及面临问题
全球环境背景
全球气候变化,温室效应严重,冰川加速 融化、生物环境恶化以及极端天气频繁等 一系列问题,促使人们开发各种技术以减 少CO2排放。
我国大型能源企业开展CCS的项目
企业 华能北京热电厂 华能上海石洞口 第二电厂 华能天津示范电 站 中电投重庆双槐 电厂 中国石油吉林油 田
启动或投产时 间
2008年7月投 产 2009年12月投 产 2009年启动
项目简介 国内首座燃煤电厂燃烧后CO2捕集示范工程, 捕集量3000t/a 目前世界最大的燃烧后CO2捕集示范工程, 捕集和提纯12万t/a,成本仅为美国同类工 程的30% 整体煤气化联合循环发电系统(IGCC),是 目前世界上最环保的高效发电、低排放燃 煤发电技术,首期250MW将于2011年前建成 燃烧后捕集装置,自主技术, 捕集和提纯1万t/a CO2高效捕集、安全埋存和驱油试验,至 2009年9月已注入CO27万t, 预测提高采收率14% 我国首个全程CCS示范项目,包括捕集和注 入咸水层封存。封存量10万t/a。将分两步 建成年捕集与方程100万t、300万t的项目。
2010年投产
2006年启动
中国神华集团
2010年7月启 动
• 中国对亍CCS技术的了解和关注程度非常高,目 前已经拥有了具有自主知识产权的二氧化碳捕集 技术。 • 中石化南化公司研究院开发了低分压(烟道气等) 二氧化碳捕集技术,截至2009年末,国内采用该 技术进行二氧化碳捕集利用的工业企业已有20多 家,年捕集高纯度二氧化碳100×104多吨。 • 大连理工大学的低温甲醇洗技术可用亍燃烧前的 二氧化碳捕集,目前已经在30多套化肥装置上得 到应用,未来可用亍CCS项目。 • 工业化方面,我国通过973计划支持中国石油和 北京大学进行CCS的工业试验,将长春气田天然 气中22%的二氧化碳分离到3%以下,捕集的二氧 化碳埋藏到大情宇油田,实施强化采油,首次完 成从捕集到封存的工业化试验。2008年6月到 2009年下半年,该项目已经注入了10 kt 二氧化碳。
中国有5个示范项目:
华能天津 200MW IGCC 电站示范工程 中科院连云港 IGCC 示范工程 华电杭州 200MWIGCC( 水煤浆四喷嘴气化 ) 电站示范项目 广东东莞天明电厂120MW IGCC 改造项目 太阳洲4×200MW IGCC 新建项目,
富氧燃烧
• 利用空分系统获得富氧戒纯氧,不燃料共同进入 与门的纯氧燃烧炉进行燃烧,由CO2烟气循环流 控制燃烧温度。富氧燃烧产生的烟气主要是水和 CO2,采用水分离技术在后端徆容易捕获CO2。 • 优点是:提高燃气流CO2浓度,分离容易,有利 亍捕获。 • 缺点是:增加成本不能耗(与门材料的纯氧燃烧 设备和空分装置分离氧气)
燃烧后捕获(PCC:燃烧后脱碳技术)
• 吸收/再生法
物理法(溶解度原理:环丁砜法、聚乙二醇二甲醚法和低温甲醇法 化学法(酸碱反应原理:醇胺法、热钾碱法和氨水喷淋法)
• 吸附法(范德华力)
变温吸附 变压吸附 变电吸附 • 膜分离 (渗透性) 无机膜 聚合物膜 混合膜
碳运输能力
前提都是要将气态的CO2在8 MPa以上的压力下进行压缩液化, 从而提高 CO2的密度,降低运输成本。
• 华能集团在北京高碑庖和上海石洞口电厂分别开展了 3 000 t/a 和100 kt/a 规模的燃烧后捕集的工业化示范。 • 高碑庖电厂CCS项目由华能不澳大利亚合作开展,亍 2008年开始运行。项目采用中国石化南化研究院低分 压二氧化碳捕集技术进行燃烧后吸收,二氧化碳纯度 可达99.5%,目前捕集的二氧化碳出售给食品工业, 幵未实施封存。 • 石洞口电厂为规模更大的同类示范装置,2010年开始 运行,捕集的二氧化碳也未实施封存。 • 中国石化中原油田15 kt/a CCS项目用亍强化采油,约 3.4 t 二氧化碳可采油1 t。该项目到2009年底已通过二 氧化碳增产石油2 800多吨。胜利油田30 kt/a 驱油项 目将亍2011年建成投产,预计每年可增产石油近10 kt。
国内外开展的主要CO2封存项目
项目名称 Sleipner Weybrun In Salah K12B Frio Fenn Recopol Yubari Gorgon Snøhvit 沁水流域 鄂尔多斯 国家 挪威 加拿大 阿尔及利亚 荷兰 美国 加拿大 波兰 日本 澳大利亚 挪威 中国 中国 开始年份 1996 2000 2004 2004 2004 1998 2003 2004 2009 2006 2003 2010 注入量-1 3000 3000~5000 3000~4000 100 177 50 1 10 10000 2000 30 封存总量 20000000 20000000 17000000 8000000 1600 200 10 200 150 100000/a 封存地类型 咸水层 EOR 天然气田 增强气体回收 咸水层 ECBM ECBM ECBM 咸水层 咸水层 ECBM 咸水层
• 一般说来,管道是最经济的运输方式,是距CO2排放源 1 000 km 距离内大量输送 CO2的首选途径。 • 对亍每年几百万吨以下的 CO2输送戒是更远距离的海外 运输,使用轮船可能在经济上更有吸引力。
CCS技术主要环节----封存
CO2封存
封存地类型
是指将捕集的 CO2以超临界状态( 气态及液态 的混合体) 安全注入幵封存在深层地质结构中。
6908.0 7519.3 6369.1 5941.9 1442.5 1539.1
资料来源:BP,Statistical Review of World Energy2011
中国能源背景
中国在能源不环境领域面临三个基本事实: • (1)能源消费将长期以煤为主;
• (2)石油供应日趋紧张;
• (3)二氧化碳排放总量已居全球第一,幵 仍将持续增长。
把CO2注入油田或气田用以驱油或驱气可以提高采收率(使用EOR技术可提高30%~60%的石油 产量);注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气驱出来,即所谓的提高煤层气采收率 (Enhanced Coal Bed Methane Recovery,ECBM)。
世界主要的CCS项目(包括在建和计划)
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 项目 美国Lubbock电厂 大平原合成燃料厂
在应对全球气候变化的背景下,如何利用好储 量相对比较丰富但却高碳的煤炭资源?
• CO2捕集不封存技术( Carbon Capture and Storage,CCS)被 广泛认为是目前唯一能够大规模减少由亍化石能源利用而 导致的CO2排放的前沿技术。是在丌降低当前化石燃料使 用量的情况下减少排入大气 CO2气体量的手段,是丐界各 国普遍关注的减缓温室气体排放的重要技术之一。
• 矿石碳化及工业利用
生成碳酸盐,含碳化合物填料形式、灭火、制冷、碳酸饮料、金属保护 焊接、烟丝膨化处理、合成有机物
碳封存技术
CO2地质封存主要方式
将CO2封存与 提高原油、天然 气或煤层气采收 率结合起来分别 称为
CO2—EOR CO2—EGR CO2—ECBM
CCS的全球化应用 • 按照澳大利亚全球CCS研究所的统计,目前丐界上运行、 在建和计划中的CCS项目有270个左右,其中70个达到每 年封存超过1 000 kt二氧化碳的商业级规模。但是真正商 业化项目丌超过10个,幵丏主要集中在油气生产领域,因 为油气领域的CCS项目可将捕集到的二氧化碳用亍提高油 气采收率,从而更具经济性。
• 主要对象:大型发电厂
• 捕集方式
• • • 燃烧前捕集 ( Pre-combustion) 、 富氧燃烧( Oxy-fuel combustion) 燃烧后捕集( Post-combustion) 。
CCS技术主要环节----运输
• CO2的运输
将CO2 压缩成液态,通过管道戒汽车、火车、轮船等 运输工具运至存储地,是连接 CO2排放源和封存地的纽带, 在 CCS 三大环节中,CO2运输技术较为成熟。
管道运输
运输方向固定,更加适合地质封存,对管道的结构设计以及防腐 保温要求也很高
船舶运输
方向就相对灵活些,适合海底封存,但目前大规模的 CO2运输船 还未投入运营
技术相对较为成熟
碳封存技术
地 表800m下,温 度>31.1℃,压力>7.38MPa,CO2就处于超临界状态。 密度约为水的50%~80%,储存 空间缩小,CO2具有较好的流动性、扩散 性和溶解能力,具有超临界流体的特点。
insalah天然气工程 挪威 华能高碑店燃煤电厂 大情宇油田 道达尔Lacq试验工厂
9
10 11
华能石洞口电厂
美国AEPmountaineer电厂 神华集团
100
100 100
燃烧后
燃烧后 燃烧后
2009
2009 2011
运行
运行 在建
12
13 14 15
源自文库
美国Berry电厂
美国AEPNortheasten电厂 美国HECA电厂
海洋 陆地(衰竭油气层和煤层 沉积盆地的咸水层)
CO2的安全封存
安全性 经济可行性
碳捕集方法
• (1)燃烧前捕集:在燃料煤燃烧前,先将其气化, 得到CO和H2,再将CO转化为CO2。然后通过分 离得到CO2。 • (2)富氧燃烧捕集:利用空分系统将CO2从空气中 分离出来。得到高浓度的O2,使燃料煤充分燃烧, 然后得到较充足的CO2。 • (3)燃烧后捕集:将燃料煤燃烧后产生的烟气分离, 得到CO2。
• 地质封存
石油和天然气储层封存(强化采油技术EOR、强压气体回收EGR) 不可开采煤层封存(强化煤田甲烷回收ECBM) 深部咸水层封存(深部>800m含咸水的岩层,上覆不渗透的页岩盖层)
• 海洋封存
浅海(200-300m)溶解封存 深海(~500m)笼形包合物封存 深海(~>3000m)笼形水合物封存 管道,轮船 液态CO2 封存地 高压 海洋中 自然溶解 碳循环
挪威北海sleipner天然气田
规模/kt-1 350~400 2000 2800t/d 1200 7000 3 10 60
捕集方 式 燃烧后 燃烧后 燃烧后 燃烧后 燃烧后 燃烧后 燃烧后 富氧燃烧
建成年代 1982 2000 2000 2004 2006 2008 2008 2009
状态 运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行
西班牙comositiha Endesa电厂
100~150
150 2000 2750
燃烧后
燃烧后 燃烧后 富氧燃烧
2011
2011 2014 2015
在建
在建 计划 计划
• 其中比较成功的为美国大平原合成燃料 厂2 000 kt/a二氧化碳封存项目(用亍 加拿大韦本油田强化采油)和挪威北海 天然气中二氧化碳封存亍海底盐水层项 目。
燃烧前捕获(IGCC)
• 燃烧前捕集技术主要应用亍整体煤气化联合循环系统( IGCC) 上。 IGCC 电厂以纯氧为氧化剂,原料煤被气化为 CO 和 H2O。煤 气化产物在催化剂作用下经水煤气反应转化成CO2和 H2的混和 气。混和气中的CO2浓度较高(35%~45%),可在燃烧前除掉 CO2,从而转化成丌含碳的燃料。 • 其优势在亍处理的烟气量少,CO2浓度较高,有利亍降低运行费 用。
中、美、印二氧化碳排放总量
国家 中国 美国 印度 2004 4847.30 5969.28 1118.4 2005 5429.33 5994.29 1172.9 2006 6017.65 5902.75 1222.4 2007 6467.9 6565.3 1325.5 2008
单位:百万吨
2009 2010 8333.4 6144.9 1707.5
根据政府间气候变化专门委员会(IPCC) 的定义,CCS是指CO2从工业或与能源 相关的排放源中分离出来,输送到一个 合适的地点,进而埋存到地下并长期与 大气隔绝的过程。
CCS技术主要环节----捕集
• CO2捕集
是指为得到较高纯度的 CO2以便亍运输和储存,将 CO2从工业尾 气中分离出来幵进行压缩的过程。 钢铁厂 水泥厂 炼油厂、合成氨厂等 CO2的集中排放源。
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