李 波

(中國海洋石油總公司節(jié)能減排監(jiān)測中心，天津300452)

自1860年有儀器觀測以來，全球地面氣溫上升明顯，年均升高0．6℃ ±0．2℃，近百年來最暖的年份均出現在1983年以后。在全球范圍內，20世紀90年代是最熱的10年，其中1998年又是20世紀最熱的一年，它比1860年至2000年間的平均值高出0．55℃，成為自1860年人類開始紀錄氣溫以來平均氣溫最高的一年。如果情況持續(xù)惡化，到本世紀末，地球氣溫將攀升至二百萬年來的最高位［1－2］，引發(fā)全球氣候變化的主要原因是過去一百多年間，人類一直依賴石油、煤炭等化石燃料來提供生產生活所需的能源，燃燒這些化石能源排放的二氧化碳(CO2)等溫室氣體使得溫室效應增強。

時至今日，全球仍有80%的能源來自煤炭、石油和天然氣等化石能源。核能、風能、太陽能和生物質能等新能源，雖然環(huán)保前景喜人，但受高成本和技術不成熟等客觀因素制約，完全取代傳統(tǒng)的化石能源還需很長時間。因此，發(fā)展可靠技術減少化石燃料的溫室氣體排放是一個明智的“緩兵之計”。CO2捕集與封存(CCS)技術應運而生，該技術不僅能將CO2封存于地下或海底，某些情況下還能實現CO2“變廢為寶”，被看作是最具有發(fā)展前景的解決全球氣候變暖的方法之一。

1 CO2捕集技術

目前全球每年排放CO2在3×1010t以上，其中約有40%來自發(fā)電廠，23%來自運輸行業(yè)，22%來自水泥廠、鋼廠和煉油廠［3］。CO2捕集技術最早應用于煉油、化工等行業(yè)，這些行業(yè)排放的CO2濃度高、壓力大，捕集成本并不高。燃煤電廠排放的CO2則恰好相反，捕集能耗和成本較高，現階段的CO2捕集技術尚無法完全解決這一問題。按工藝流程不同，CO2捕集技術主要分為三類—燃燒前捕集、富氧燃燒捕集(燃燒中捕集)和燃燒后捕集。

1．1 燃燒前捕集

燃燒前捕集主要應用在以煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(IGCC)為基礎的發(fā)電廠。首先，化石燃料與O2或空氣發(fā)生反應，產生由一氧化碳(CO)和氫氣(H2)組成的混合氣。混合氣冷卻后，在催化轉化器中與蒸汽發(fā)生反應，使混合氣體中的CO轉化為CO2(含量可達60%)，并富產H2。最后，將H2從混合氣中分離，用作燃料送入燃氣輪機，進行燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。CO2從混合氣體中分離并被捕獲和儲存。該技術的主要特點有:①原料氣氣量小，總壓與CO2分壓較高;②原料氣不含O2、灰塵等雜質;③原料氣中的硫化氫(H2S)和CO2可采用同一種溶劑脫除，也可對其進行選擇性脫除;④脫碳精度要求不高。該技術的缺點在于傳統(tǒng)電廠無法應用，需要重新建造專門的IGCC電站，其建造成本是現有傳統(tǒng)發(fā)電廠的2倍以上。

1．2 燃燒后捕集

燃燒后捕集是從煙氣中分離CO2，其核心是CO2分離技術。主要有物理吸收法(聚乙二醇二甲醚法、低溫甲醇洗法)、化學吸收法(本菲爾法、甲基二乙醇胺法)、吸附法(變壓、變溫)和膜分離等方法。當前最好的分離方法為胺吸收法。煙氣首先進行預處理(水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等)后進入吸收塔，胺與CO2發(fā)生化學反應形成一種含CO2的化合物，然后吸收劑進入再生塔加溫再生，化合物分解，分離出吸收劑和高純度的CO2。該技術的主要優(yōu)點是適用范圍廣，系統(tǒng)原理簡單，對現有電站繼承性好。但捕集系統(tǒng)因煙氣體積流量大、CO2分壓小，脫碳過程的能耗較大，設備的投資和運行成本較高，造成CO2的捕集成本較高。

1．3 富氧燃燒捕集

富氧燃燒捕集技術試圖綜合前兩種技術的優(yōu)點，做到既可以在傳統(tǒng)電廠中應用，排出的CO2的濃度和壓力也較高。由于該技術主要著力在燃燒過程中，也被看作是燃燒中捕集技術。與傳統(tǒng)電廠直接用空氣助燃的燃燒技術不同，富氧燃燒用純度非常高的O2助燃，同時在鍋爐內加壓，使排出的CO2在濃度和壓力上與IGCC差不多，經過冷卻后CO2含量在80% －98%。在富氧燃燒系統(tǒng)中，由于CO2濃度較高，可不必分離而直接加壓液化回收處理，因此捕獲分離的成本較低?？此仆昝罒o缺的捕集技術，卻有一個巨大的技術難題——制氧成本太高，這也使得富氧燃燒捕集技術在經濟性上并沒有太大優(yōu)勢而無法大規(guī)模推廣應用。

2 CO2輸送

CO2輸送的首選途徑是用管道進行輸送。大多數CO2輸送管道由位于上游的多臺壓縮機驅動流體，有些管道還配有若干中途壓縮站。在CO2包含了水汽的地方，可以將水汽從CO2氣流中分離出來以防止腐蝕，同時也避免由于使用由防腐材料制造的管道而造成運輸成本升高。目前，CO2的管道輸送已作為一項成熟的技術進行市場化運作。國際上第一條CO2輸送管道于20世紀70年代初在美國投入運行。該管道長2 500多km，每年將4×107t的CO2輸送到德克薩斯州的油田用于強化采油(EOR)［4］。

在某些情形下，如遠距離輸送CO2至海外，從經濟角度來看，使用船舶運輸更具有吸引力。就像使用海洋油輪大規(guī)模運輸石油液化氣(LPG)一樣，也可以使用船舶以大致相同的方式來輸送CO2。此外，也可將液態(tài)CO2裝在罐中用汽車或火車運輸，但與管道輸送和船舶運輸相比，這類運輸系統(tǒng)不經濟，不可能用于大規(guī)模CO2輸送。

3 CO2封存

3．1 地質封存

根據文獻報道，三種類型的地質構造可用于CO2的封存:1)石油和天然氣儲層(CO2強化采油(CO2－EOR);CO2強壓氣體回收(CO2－EGR);采空的油氣田)、不可開采的煤層(CO2強化煤田甲烷回收(ECBM))和深鹽沼池構造和深部咸水含水層。在每種類型中，CO2的地質封存都是將CO2壓縮液注入地下巖層構造中。含流體或曾經含流體(如天然氣、石油或鹽水等)的多孔巖石構造(如采空的油氣儲層)都是潛在的封存CO2的場地。

3．1．1 石油和天然氣儲層

(1)CO2－EOR。CO2－EOR已經實施了30年，被人們公認為是一項成熟的技術。該技術通過向地層注入CO2，降低原油粘度，從而達到提高原油采收率的目的。它包括非混相驅油和混相驅油。非混相驅油是依靠CO2在原油中溶解，使原油體積膨脹和降低原油粘度實現驅油?；煜囹層褪窃诘貙痈邷貤l件下，油中的輕質烴類分子被CO2提取到氣相中，形成富含烴類的氣相和溶解了CO2的原油的液相兩種狀態(tài)。當壓力足夠高時，CO2將原油中的輕質和中間組分提取，原油溶解瀝青、石蠟的能力下降，這些重質組分將從原油中析出并殘留在原地，原油粘度大幅度下降，從而達到驅油目的。混相驅油效率很高，條件允許時，可以使排驅劑所到之處的原油百分之百的采出，但要求壓力很高，組成原油的輕質組分C2－6含量很高，否則很難實現混相驅油［5］。CO2－EOR技術是目前實際應用案例最多的封存技術，主要是由于該技術可以提高原油產量，產生很大的經濟效益。

美國是CO2驅油項目開展最多的國家。目前，美國有82個CO2－EOR項目。例如從事油田開發(fā)的Oxy公司在美國德克薩斯州和墨西哥州的Permian盆地，注入CO2約3．4×107 m3/d，現回收石油約18萬桶/天。歐洲石油公司也積極開發(fā)CO2－EOR項目。例如BP公司也將向北海即將衰竭的Miller油田注入1．3×106t/a CO2，可回收約4000 萬桶石油，延長油田壽命15 －20 年［6－8］。在國內，大慶油田從1985年開始，為改善厚油層開發(fā)效果，提高采收率，在三個區(qū)塊開展了小規(guī)模CO2－EOR礦場試驗。目前，大慶油田已將CO2－EOR技術納入戰(zhàn)略儲備技術，擴大CO2產能建設和驅油試驗區(qū)規(guī)模，并逐步將試驗區(qū)從外圍油田向老區(qū)油田延伸。截至2008年年底，已有6個采油廠建起CO2驅油試驗區(qū)，累計增油超過4 000 t。勝利油田從1998年開始進行CO2單井吞吐增油技術試驗，至2001年底共施工30多口井，平均單井增產原油500 t以上，獲得了很好的經濟效益［9－10］。

(2)CO2－EGR。CO2－EGR是一種對采空的氣田再加壓提高天然氣產量的方法，能夠應用于開采了80% －90%的天然氣田。該技術的原理是:由于壓力和重力作用，注入的CO2將流進封存層，不管CO2處于何種相態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)還是超臨界)，在一定的壓力和溫度下，CO2都比甲烷(CH4)密度大，而且向下流動、置換CH4氣體、對封存層加壓力。如果CO2注入到氣層的底部，那么就將向能夠開采的頂部“驅趕”未開采的天然氣，從而增加天然氣產量。

(3)采空的油氣田。采空的油氣田可以充填CO2，操作非常簡單，只需要一眼注入井就可以。此外，由于現有的地下空間被再利用，減少了油氣田的投資成本。根據研究報道，采空氣田的封存潛力遠遠大于采空油田的封存潛力，CO2總封存量能夠達到1×1012t，是當今全球大約50年的排放量。但是，由于存儲壓力達不到原始的地層壓力，而且部分地層可能被水注滿，因此采空的油氣田實際的封存潛力可能要小于上述報道值。

3．1．2 不可開采的煤層

ECBM技術是指將CO2注入比較深的煤層當中，置換出含有CH4的煤層氣，傳統(tǒng)的煤層CH4回收技術可以達到40%－50%的回收率，使用ECBM可使回收率達到90% －100%。同時該技術可封存大量的CO2，據文獻報道，世界各地深部不可開采的煤層可封存CO2大約1．48×1011t。特別需要注意的是ECBM不適用于滲透性差的煤層，而且儲煤層深度不能超過2000m。因為煤層越深，溫度和壓力越高，較高的溫度減少了煤層中甲烷的含量，較高的壓力降低了煤層的滲透性［4，11］。

3．1．3 深鹽沼池構造和深咸水含水層

深鹽沼池構造和深咸水含水層封存是指將CO2封存于距地表800米以下的鹽沼池構造和咸水含水層當中。需要注意的是，此深度地層壓力和溫度通常使得CO2處于液態(tài)或者超臨界值狀態(tài)。在這種條件下，CO2的密度是水密度的50% －80%，接近某些原油的密度，產生驅使CO2向上移動的浮力。因此，選擇的封存儲層應具有良好的封閉性能，確保把 CO2限制在地下［4，12］。

3．2 海洋封存

海洋是巨大的CO2庫。若大氣中CO2濃度增加，則大氣與水體在海洋表面不斷進行CO2的自然交換，直到達到平衡。據報道，在過去的200年間，人為排放到大氣中的 CO2總共 1．3 ×1012t，海洋吸收了 5 ×1011t，被吸收的CO2大部分存留在海洋表面，并導致海洋表面的pH值下降了大約0．1，深海中的pH值則基本沒有變化。因此，深海還具有很大的CO2吸收能力，并在一定范圍內不使海洋的pH值發(fā)生太大的變化。海洋封存正是指通過管道或船舶將CO2輸送到海洋封存場地，在此把CO2注人海底(深度在1000m以上)，使其與大氣隔離若干世紀［13］。雖然海洋具有可觀的封存CO2的能力，但是該技術尚不成熟，目前并未采用，也未開展小規(guī)模試點示范，仍然處在實驗室研究階段。

4 CCS面臨的問題

4．1 難以接受CCS技術的高昂成本

不同行業(yè)的CCS成本各異。對油氣行業(yè)來說，CO2驅油一般能使一個老油田的產量增加5%，但目前尚缺少對CO2捕集與在油田里永久封存的總體成本評估。對于燃煤電廠來說，CCS會增加成本40% －80%。在IGCC電廠加裝CCS會增加成本40% －60%，而在常規(guī)超臨界燃煤電廠加CCS會使發(fā)電成本增加60%－80%。按照現有項目估算，CCS項目的商業(yè)化運行成本是每噸CO270美元左右。在高昂的成本面前，企業(yè)普遍難以接受［14］。

4．2 封存涉及一系列復雜的具體問題

CO2封存非常重要，沒有封存就沒有CCS。許多人假設地球上有很大的封存能力，但實際上CO2封存存在許多問題。封存工作需要在地質和地球物理方面進行大量的研究，找到最適合封存CO2的地質構造，研究它的封存能力，確定打井數量，探討降低封存成本的途徑。

4．3 長期封存的安全性問題

CCS的一個關鍵問題是在地質學上審核安全長期儲存CO2的場地。國際能源機構指出，據初步估計，22世紀以前地球上的CCS儲存總容量，預計將足以滿足全球人口的需求。從長遠看，沒有任何已證實的方法證明儲存CO2的安全性，泄露風險大量存在，如廢棄的注水井，毗鄰的鉆井或未被發(fā)現的地震造成的巖層斷裂。因此，需要采取監(jiān)控措施，以保證每個CO2儲存場地的選擇和運營，減少CO2泄露到大氣或其他物質中的可能性。

4．4 缺少一個明確的政策與法律框架

CCS技術到目前為止還沒有一個有效的法律和法規(guī)框架，各國CCS項目缺乏統(tǒng)一的準則。同時，目前所存在的監(jiān)管條例對長期儲存的賠償責任和安全要求等，并無明確規(guī)定。這造成了長期財產權利和責任的不明確——尤其是在項目注入CO2以后的階段。CCS涉及的時間維度超過任何私有企業(yè)所能承擔的責任范圍。目前只有澳大利亞和挪威通過立法讓政府承擔長期法律責任。

4．5 公眾對CCS技術認知度低

公眾對CCS的認知度對于技術的發(fā)展、推廣與實施都起著非常重要的作用。首先，政府用于支持CCS技術發(fā)展的投資應該得到納稅人的認可;同時，當存儲地點與居民密集區(qū)較近的時候，居民對于CCS技術的了解與認同是項目得以進行的必要條件。目前由于宣傳普及不力，公眾對CCS技術的認知度不夠，公眾對于CCS項目的安全性存在偏見，有報紙還顯示CO2大爆炸的漫畫，造成公眾心理恐慌。在世界范圍內，對公眾進行CCS知識教育是一項長期的、必要的工作。

5 結論

CCS技術的兩大步驟是CO2捕集和CO2封存，此外還有CO2運輸等。CO2捕集技術中最具發(fā)展前景的是富氧燃料捕集，但還需要發(fā)展新技術降低制氧成本。目前制約CCS技術發(fā)展的一個重要原因是建設和運行成本過高，通過將CO2注入油氣田，既可以減少CO2排放，又可以提高石油采收率，實際應用效果得到了肯定，同時獲得可觀的經濟效益。因此CO2封存技術中最有發(fā)展前景的是CO2－EOR技術，也是我國應該優(yōu)先發(fā)展的技術。

此外，雖然近幾年CCS技術得到了長足發(fā)展，但還面臨著很多問題。如CO2泄漏問題、建設和運行成本高昂、缺乏相應的政策法規(guī)支持等，還無法真正大規(guī)模實際應用。但是，隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，各國政府越來越重視CCS技術的研究和開發(fā)，該技術應用前景廣闊，相信未來該技術在抵制全球氣候變暖上會發(fā)揮重要的作用。

(編輯:劉文政)

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