碳捕获与封存技术

碳捕获与封存技术（CCS）

2010-01-18 11:21:51| 分类：行业研究阅读315 评论1 字号：大中小订阅

目前二氧化碳在大气中的含量水平为百万分之三百八十五，而其正以每年3%的速度增长。按这个速度发展，到2100年，空气中的二氧化碳的聚集量将达到百万分之一千一百，整个地球的气候条件将逐步接近史前年代：地球大气层和金星的大气层相类似，二氧化碳取代氮气成为主要成分;温室效应造成的高温将不适合任何动物的生存，人类社会则将在这一进程中崩溃。

造成这一切的主要原因，就在于人类的工业化进程使得碳的排放量已经远远超过了自然体系捕获碳的能力。如何阻止这一进程发展下去是个棘手的问题。作为补救措施之一，人类已经开始尝试将碳捕获与封存(CCS)作为一种产品推向前台，并已经在部分地区进行试点。

自然碳捕获

地球形成之初，大气层的主要成分是二氧化碳和甲烷，是个不适宜居住的星球。但自然改变了这一切。经过数亿年的时间，大部分二氧化碳都被“蓄碳池”体系所吸收。海水、绿色植被都是蓄碳池体系的组成部分。现今地球的海水里充满了远古时代的碳，其总量大约有35万亿吨。而经过数千万年的时间，地球上的原始森林也吸进了数万亿吨的二氧化碳。被植物所捕获到的大多数二氧化碳经过数十亿年的时间，都演变成更加固定的地质形态，包括石灰石、页岩，也包括煤炭、石油和天然气等碳氢化合物。

直到大约500年前，这种自然碳捕获的过程都进行得十分顺利。碳的循环在当时达到了一定的平衡：腐烂的植物或者火焰每排放一个二氧化碳分子，森林或海洋就会重新吸收一个同样的分子。空气中的二氧

化碳浓度为百万分之二百七十。

然而，从公元1500年开始，这种平衡被逐渐打乱。由于农业的发展和对木材的需要耗尽了森林，地球吸进碳的能力逐步下降。更为重要的是，对能源需求贪得无厌的工业革命引发了碳氢化合物燃烧量的骤增，从而扭转了数亿年来碳储存的平衡。从18世纪末以来，人为的二氧化碳排放量已经从微不足道的每年1亿吨上升到每年63亿吨，大约比生物圈所能吸收的量多了一倍。由于每年进入大气层中的碳量比被捕获的碳量多出32亿吨左右，所以大气层中碳的聚集量开始上升，增加到了现在的每百万分之三百八十以上。

皮尤全球气候研究中心研究员本?普雷斯顿说：“即使人类今天停止了所有二氧化碳的排放，那么我们还得等上两三个世纪的时间，才能等到自然界的蓄碳池将已经在大气层中多余的二氧化碳吸收掉，让二氧

化碳的聚集量恢复到工业化以前的水平。”

在这种背景下，人类开始了人为碳捕获与封存技术的尝试。

碳捕获与封存

二氧化碳捕获和封存技术在具体实践中同样分为“碳捕获”和“碳封存”两个步骤进行。对于碳捕获而言，人们现在已经掌握了三种主要的技术路径：燃烧后捕获(post-combustion)、燃烧前捕获(pre-combustion)

和富氧燃烧捕获(oxyfuel-combustion)。

燃烧后捕获是指从化石燃料燃烧后产生的废气中采用液体溶剂和加热的方式将二氧化碳分离出来，而燃烧前捕获则是首先将化石燃料转化为氢气和二氧化碳的混合气体，然后二氧化碳被液体溶剂或固体吸附

剂吸收，再通过加热或减压得以释放和集中。

与燃烧后捕获相比，燃料前捕获中碳的压力和浓度均相对较高。这使得碳的分离更为容易，同时也提供了进一步应用新型碳捕获技术的可能性。而如今正在实验室或试点项目中小规模使用的富氧燃烧技术，同样涉及燃料燃烧过程，但不同之处在于助燃剂是氧气而非空气。其燃烧后的废气也主要由水蒸气和高浓

度的二氧化碳构成。

碳埋存技术的现实应用则需要首先寻找到适宜封存二氧化碳并使其与大气完全隔绝的地质层。而从地质学角度看，实际上有三类地质层均能用来埋存二氧化碳，其中最具吸引力的当属现有的油田和气田。基于人们对产油层和产气层的地质概况的深入了解，油田和气田已被证实可以容纳碳氢化合物。而更重要的是，将二氧化碳回注油田能显著提高油田采收率多达5%至15%，并可相应地延长油井生产寿命——这种“化

腐朽为神奇”之术实质上已成功地帮助了不少产量日减的油田得以增产延寿。

第二类地质层是不含碳氢化合物的圈闭(一种能阻止油气继续运移并能在其中聚集的场所)，但它具有

和含油层、含气层和煤层类似的结构。

第三种就是底水-深度蓄水盐层，由于盐层的分布面积广大，因而被推举为一种长久的碳埋存解决方案。

案例研究

尽管捕获、运输和存储过程的每一个环节都经过了验证和使用，但是，迄今为止，全循环的系统还没有试验过。全世界范围已有十多个碳捕获计划正在筹备中。2008年9月，世界上第一个完整的碳捕获和存储技术示范项目在德国一家燃煤发电厂开始运转。该示范性试验项目建于德国北部Schwarze Pumpe发电厂旁边，每年将捕获10万吨二氧化碳，随后将之压缩，埋藏在枯竭的Altmark天然气田表面以下3000米的地方。该气田距离发电厂大约200公里。示范项目耗资7000万欧元（5700万英镑），能够输出12兆瓦的电力和30兆瓦的热能，足以供应1000多户家庭。

美国西弗吉尼亚州登山者（Mountaineer）项目将于2009年启动，有可能成为第一个把所有燃烧后捕获技术综合在一起的示范发电厂。这家发电厂只是一项更为雄心勃勃的计划的试验田。该计划从俄克拉荷马州一家燃煤发电厂捕获和存储二氧化碳，将于未来几年内开始运转，每年捕获150万吨二氧化碳，并掩

埋于附近的油田。

中国在碳捕获与封存方面积极与澳大利亚、英国等技术发达国家合作，积极发展碳捕获与储存的试点项目。2008年7月，中国华能集团与澳大利亚联邦科学工业研究组织（CSIRO）正式宣布在北京成立的燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程建成投产。这项由华能控股的西安热工研究院设计完成的华能北京热电厂二氧化碳捕集示范工程，坐落于北京郊区，是中国首个燃煤电厂烟气二氧化碳捕集示范工程，预计其年回收二氧化碳能力可达为3000吨。2009年3月，神华集团表示其正在研究利用碳捕获和封存技术减少煤制油项目的二氧化碳排放，目前正在进行示范项目的研究、开发和评估工作。这一为神华集团位于鄂尔多斯100万吨直接煤制油示范项目配套的工程，将大大减少生产过程中二氧化碳的排放，以实现煤的清洁利用。研究表明，利用现代煤直接液化工艺，每生产一吨成品油，大概需要排放约3吨左右的二氧化碳，其中大

部分纯度很高，捕集的成本相对较低。

尽管科学家多年来一直认为，碳捕获和储存对于遏制气候变化来说是一项至关重要的技术，但到目前为止，该技术建设和运营成本昂贵，再加上二氧化碳会否逸出等问题在技术上存在不确定性，这一技术的发展一直受到限制。而该技术到底是不是对抗全球变暖的好办法，环保组织也意见不一。

跟踪相关公司技术开展工作进程。

昂贵的技术

黄斌，这个研究二氧化碳捕捉的学者毫不避讳CCS技术存在的问题。在接受记者采访前一天，他还到华能北京高碑店热电厂看了一眼CCS装置运行情况。

黄斌是华能西安热工研究院二氧化碳控制与减排研究所所长。

华能北京高碑店热电厂是我国目前惟一在热电厂实现工业级应用碳捕集技术的项目。该项目于去年7

月开始运行。黄斌所在的单位为此提供技术支持。

高碑店热电厂每年约排放400万吨二氧化碳，碳捕集系统能够捕集其中的0.075%，约3000吨，而

捕集能耗占电厂能耗则在30%以上。

显然，其捕集的二氧化碳并不多，“几乎不到1%”。之所以如此，因为二氧化碳捕集装置的能耗一般

都比较高，耗资比较大。