摘要:二氧化碳捕集與封存是應對全球氣候變化的決定性方案之一。二氧化碳捕集方式主要有三種:燃燒后、燃燒前和富氧燃燒。地質封存、海洋封存以及礦石碳化是二氧化碳封存的主要方式。

Abstract: Carbon dioxide capture and

storage is a decisive scheme to reply the global climate change. There are three ways to capture carbon dioxide: Post-combustion， Pre-combustion， and Oxy-fuel combustion. Geological storage， ocean storage and mineral carbonation are main styles.

前言

化石燃料占當今全球能源使用量的75-80%，人類二氧化碳總排放量的3/4來源于化石燃料的使用。如果不采取特殊的措施將我們對氣候的影響降到最小，化石燃料使用排放的二氧化碳將對我們生存的環(huán)境造成嚴重的危害:全球溫度上升1.4-5.8℃、季節(jié)更替改變和無法預知的事件，給我們的子孫后代帶來災難。因此，二氧化碳減排勢在必行。同時，在找到新能源替代化石燃料以前，對排放的二氧化碳合理處置也是我們亟待研究和解決的重點。

1碳捕集和封存

碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，簡稱CCS)是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中的一種技術。這種技術被認為是未來大規(guī)模減少溫室氣體排放、減緩全球變暖最經(jīng)濟、可行的方法。

2二氧化碳捕集

二氧化碳捕集的目的是產生能運輸?shù)絻Υ娴攸c的二氧化碳高壓濃縮液[1]。目前比較大的二氧化碳固定點源有:化石燃料的燃燒(電力、水泥生產、煉油廠、鋼鐵工業(yè)、化石工業(yè)以及石油和天然氣加工等)和生物質(生物乙醇和生物能)等。

二氧化碳的捕集方式主要有四種:燃燒后捕集(Post-combustion)、燃燒前捕集(Pre-combustion)、富氧燃燒(Oxy-fuel combustion)以及工業(yè)分離(Industrial Separation)。工業(yè)分離從技術原理上，可以歸入前三種。

在燃燒后捕集二氧化碳技術中，二氧化碳在化石燃料燃燒后通過化學或物理吸附法被分離出來。燃燒后捕集技術通常應用于常規(guī)發(fā)電站。此技術可從發(fā)電站的煙道氣或者其它大的點源捕集二氧化碳。但是，由于煙道氣中含有二氧化碳和氮氣，且二氧化碳含量低，捕集規(guī)模龐大，耗費大量的能源，發(fā)電站要求具有一定商業(yè)規(guī)模。

目前燃燒前捕集二氧化碳技術廣泛應用于化學肥料、化學藥品、氣體燃料(H2、CH4)和動力生產。燃燒前捕集技術是化石燃料高壓富氧氣化生成CO和H2混合氣體，再將混合氣體通過水蒸氣，CO再與蒸汽反應生成二氧化碳并得到更多的H2。在燃燒前從排除的氣流中分離出相對較純的二氧化碳和H2。分離出的H2可作為無碳燃料。

在富氧燃燒中，氧氣代替空氣與燃料燃燒，產生以二氧化碳和水蒸汽為主的煙道氣。水蒸汽可通過冷卻凝析出。該技術捕集的幾乎純凈的二氧化碳可直接運輸?shù)絻Υ鎴鏊Υ妗?/p>

燃燒后脫碳的技術核心是氨吸收脫除二氧化碳，難點在于分子水平吸附劑的開發(fā)。燃燒前脫碳的關鍵技術是轉化制氫，涉及高溫下氫的膜分離技術，包括模式轉化裝置、膜材料等方面的技術開發(fā)。富氧燃燒技術的關鍵是氧氣供應及高技術渦輪機的開發(fā)。

3二氧化碳運輸

捕集到的二氧化碳必須運輸?shù)胶线m的地點進行封存，為減小體積，需要將二氧化碳壓縮至超臨界狀態(tài)，提高運輸效率。管道運輸是最經(jīng)濟有效的運輸方式。2008年，美國約有5800千米的二氧化碳管道，這些管道大都用以將二氧化碳運輸?shù)接吞?，注入地下油層以提高石油采收?Enhanced Oil Recovery，EOR)。

4二氧化碳封存

二氧化碳封存是指將從各種點源中捕集的二氧化碳，運輸至埋存地，并注入地質結構中封存起來。二氧化碳封存方式眾多，主要有地質封存、海洋封存和礦石碳化。

地質封存

地質封存一般是將超臨界狀態(tài)(氣態(tài)及液態(tài)的混合體)的二氧化碳注入地質結構中，這些地質結構可以是石油和天然氣儲層、咸水層、無法開采的煤層等。IPCC的研究表明，二氧化碳性質穩(wěn)定，可以在相當長的時間內被封存。若地質封存點是經(jīng)過謹慎選擇、設計與管理的，注入其中的二氧化碳的99%都可封存1000年以上。

把二氧化碳注入油田或氣田用以驅油或驅氣可以提高采收率(CO2-EOR或CO2-EGR技術)，使用EOR技術可提高30%~60%的石油產量。在CO2-EOR項目中，50-67%二氧化碳氣體會隨著原油采出并將其分離、壓縮后循環(huán)注入油藏以降低成本;在CO2-EGR技術實施過程中還要考慮儲層蓋層完整性、二氧化碳純度、注入時間、注入速率等因素。

將二氧化碳注入煤層，封存的同時，也可有效的替換甲烷，提高煤層氣采收率(CO2-ECBM技術)。常規(guī)的減壓法開采煤層采收率僅為50%，而將二氧化碳注入煤層，甲烷采收率可達到90%，同時二氧化碳被吸附以達到封存目的。

二氧化碳注入深部含鹽水層，溶解在水中，部分與礦物質緩慢發(fā)生反應，形成碳酸鹽，達到永久封存目的。咸水層一般在地下深處，富含不適合農業(yè)或飲用的咸水，這類地質結構較為常見，同時擁有巨大的封存潛力。不過與油氣田相比，目前人們對這類地質結構的認識還較為有限。

也有研究提出玄武巖、油氣富集的頁巖、鹽洞和廢棄礦井等也存在適合二氧化碳儲存的場所。

海洋封存

海洋封存是指將二氧化碳通過輪船或管道運輸?shù)缴詈：５走M行封存。海洋封存二氧化碳潛力巨大，同時也對海洋環(huán)境造成負面的影響，海洋封存二氧化碳使海水表面二氧化碳濃度增加，改變了海洋的化學特征，造成了表層海洋酸化等，此外，封存在海底的二氧化碳也有可能會逃逸到大氣當中。因此，二氧化碳海洋封存需要關注滲漏可能造成沉積環(huán)境的改變及局部海洋酸化的風險。

礦石碳化

礦石碳化是利用堿性和堿土氧化物，如氧化鎂(MgO)和氧化鈣(CaO)將二氧化碳固化，這些氧化物與二氧化碳反應后生成碳酸鎂(MgCO3)和碳酸鈣(CaCO3)，達到永久封存目的。如天然形成的含硅酸鹽礦物質，蛇形巖，在世界各地分布眾多，將燃煤產生的二氧化碳萃取物注入巖石，會生成穩(wěn)定的碳酸鹽。

5前景

全球應對氣候變暖和環(huán)境改變的舉措正如火如荼的進行著:2009年，全球發(fā)電設備巨頭阿爾斯通和全球化工業(yè)領先企業(yè)陶氏化學公司合建的碳捕集試驗電廠成功運行;英國RWE npower投資的Aberthaw電廠2010年投入使用;歐盟第六框架計劃的中國-歐盟二氧化碳捕集與封存合作項目，旨在提供技術指導，并于2010年之前在中國設計一座燃煤電廠，進行二氧化碳捕集與封存;澳大利亞溫室氣體技術合作研究中心(CO2CRC)的Otway項目，將通過天然氣井向地下巖層灌注10萬噸二氧化碳;北達科塔大學能源與環(huán)境中心負責管理的平原CO2減排合作伙伴方，將在加拿大阿爾伯塔和威利斯盆地進行二氧化碳封存，將二氧化碳灌注到一個主要的咸水層結構等等。

二十一世紀為天然氣世紀，世界能源發(fā)展總趨勢是向低碳化以至無碳化方向發(fā)展。二氧化碳捕集與封存勢必是應對全球氣候變化的決定性方案之一。

參考文獻:

[1] Bert Metz，Ogunlade Davidson，et al. IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage[M]. UK:Cambridge University Press，2005.

[2] \" UNEP CCS-guide Can carbon dioxide storage help cut greenhouse emissions\"? 2006.4

[3] \"NETL 2007 Carbon Sequestration Atlas\"，2007

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_storage

[5] http://www.captureready.com/