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  碳捕获与储存
 
  发布时间:2012/8/28 15:55:12  所属期数:2011.6    被阅览数:3744次  
 

 
 
Carbon Capture and Storage

编译:奚翔光 张秋微 张建芹

  碳捕获与储存(或称碳捕获和封存,CCS)是减轻矿物燃料排放对全球变暖影响的一种手段。这个过程是从大的点源如矿物燃料厂捕获二氧化碳,然后储存起来使之不能进入大气中。这项技术也是一种从空间“净化”CO2的地球工程技术,也可以用来以生物的方式捕获和储存CO2,例如掩埋高温分解的最终产品——生物碳,但主要用于以非生物的方式从燃烧源捕获CO2。

  出于各种目的,CO2早已被注入过地质构造中,但长期储存CO2还是一个相对较新的概念。第一个商业化的例子是2000年在北达科他州的韦伯恩市将煤气化厂产生的CO2埋入废弃的油田。另外,2008年9月,一所中试规模的CCS技术发电厂投入运营,这是大瀑布公用事业公司为了试验其技术可行性和经济效率在德国东部经营的黑泵电厂。

  CCS技术适用于现代化的常规电厂,比没有CCS技术的电厂可以减少约80%~90%的CO2排放量。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)估计,2100年以前,CCS的经济潜力会占到总减碳工作的10%~55%。

  捕捉和压缩二氧化碳需要大量的能量,会使CCS燃煤电厂的燃料消耗增加25%~40%。燃料成本和其他系统的成本将使一座新的CCS电厂的能源成本增加21%~91%。这个数字还仅适用于离存储位置较近的专门建造的电厂,如果将CCS技术应用到原有电厂或离存储位置较远的电厂,成本将更加昂贵。尽管如此,最新的行业报告显示,经过成功地研究、开发和部署,到2025年,分离CO2的煤基发电厂比今天的未分离CO2的煤基发电厂成本还要低。

  设想CO2储存在地层深处、深海物质或碳酸盐矿物里,在深海储存的情况下,大大增加了海洋酸化的风险,海洋酸化问题也源于大量的二氧化碳已经存在于大气和海洋中。地质构造是目前认为最有前途的封存地点。国家能源技术实验室(NETL)报道,在目前的产量下,北美有足够的存储空间封存900年排出的二氧化碳。但是一个普遍的问题是,有关海底或地下储存安全的长期预测非常困难并且具有不确定性,仍然有CO2泄漏到大气中的危险。


捕获

  捕获CO2适用于大型的点源,例如大型矿物燃料和生物能源设施、CO2为主要排放物的行业、天然气加工及合成燃料厂、矿物燃料为基础的氢生产厂。从大气中捕获也是可能的,但是大气也含有氧气,因此如果捕捉空气通过洗刷其中的CO2然后储存,会放慢生物圈中的氧循环。相对而言,煤在氧气中燃烧所得到的浓缩的CO2比较纯,可以直接拿来加工处理。在其他情况下,特别是从空气中捕获,需要一个净化的过程。

  一般来讲,存在三种不同的捕获技术:燃烧后捕获、燃烧前捕获和氧化燃烧。

  在燃烧后捕获中,CO2在矿物燃料燃烧后被移除——这种方案适用于矿物燃料燃烧发电厂,二氧化碳从发电厂或大型点源的可燃气体中捕获。虽然这项技术没有在同等规模下被商业规模电站采纳,但在其他工业应用中目前被很好的理解和应用。

  燃烧前捕获技术被广泛地应用在肥料、化工、气体燃料(H2,CH4)和电力生产中。在这个过程中矿物燃料部分氧化,例如在气化炉中,由此产生的合成气体(CO和H2O)转换成CO2和更多的H2,产生的CO2可以从一个相对纯净的废气流中捕获。产生的H2现在可以用作燃料,因为二氧化碳在燃烧发生前就被移除。这与传统的燃烧后二氧化碳捕获相比既有优点也有缺点。

  在氧化燃烧中,燃料在氧气而不是在空气中燃烧,将生成的火焰温度限制在传统燃烧的水平,冷却后的燃料气经再循环后注入到燃烧室。燃料气主要由二氧化碳和水蒸汽组成,后者在冷却时凝结,只剩下几乎是纯的二氧化碳流被运到封存地点并储存起来。基于氧化燃烧的这种电厂的处理过程有时被称为“零排放”循环,储存起来的CO2不是燃料气流的一部分(如在燃烧前和燃烧后捕获的情况下),而是燃料气体流本身。燃烧过程中产生的部分CO2不可避免地变成冷凝水,为了保证安全,所谓“零排放”的水将必须被适当处置。该技术前景看好,但最初的空气分离步骤需要大量的能量消耗。

  对于从空气中捕获CO2这项更艰巨的任务,一些工程建议被相继提出,但在这方面的工作仍处于起步阶段。全球研发技术在2007年展示了一个预原型,捕获费用估计要高于点源捕获,但在处理扩散源排放方面,如处理汽车和飞机所排放的废气时是可行的。理论上,空气捕获所需的能量仅略高于从点源捕获,而多余的费用来自使自然空气流动的设备成本。

  从大气中移除CO2是温室气体整治的一种地球工程。这方面的技术得到了媒体的广泛关注,因为它们提供了全面解决全球气候变暖问题的方法,但前提是有有效的固碳技术相匹配。

  据华盛顿Wallula能源资源中心称,通过煤的气化,有可能捕获嵌入在煤里的大约65%的二氧化碳,并可以把它封存到一种坚实的物质里。

运输

  捕获到的CO2必须要运送到一个合适的储存地点,管道是最经济的运输方式。2008年,在美国,CO2通过大约5800公里的管道运送到油田,并被注入油田中以提取石油,这种开采石油的方法被称为“强化采油”(EOR)。

  辅酶带式输送机和船只也可用来运输,但目前这些方法运输CO2一般作其他用途。

  据国会研究服务部称,“有许多重要的问题目前尚不能解答,如管网要求、经济调节、效用成本回收、管道安全和CO2本身的调整分类。此外,因为CO2管道在今天已经被用于强化采油,政府紧急决策对管道运输CO2的影响还没被大多数人意识到。

  联邦政府把CO2分类为既是一种商品(由国家土地管理局认定)也是一种污染物(由美国环保局认定),这就制造了一种直接的冲突。不管是为了未来CCS的实施,还是为了保证目前CO2管道运输的操作与未来CCS的一致性,这种冲突都必须得到解决。

地质储存

  这种方法又称地理封存,一般以超临界形式将二氧化碳直接注入地下的地质构造,油田、气田、含盐层、不可开采的煤层和含盐的玄武岩层已被提出作为储存地点。各种物理的(如高度防渗的复盖岩石)和地理化学的捕获机制可以阻止CO2逃出地表。

  CO2有时被注入到减产的油田用以提升石油的开采量,美国每年会将大约3000万至5000万吨的CO2注入到减产的油田里。这种做法是有吸引力的,因为人们对油气层的地质之前一般非常了解,而且部分存储成本会被销售额外回收的石油相抵消。老油田的缺点是,他们的地理分布和储存能力有限,而且额外开采的石油燃烧后又会产生CO2,抵消大部分或全部为减少CO2排放作出的努力。

  不可开采的煤层可用于存储CO2,因为CO2分子附着于表面的煤炭。然而,技术上的可行性取决于煤层的渗透性,在吸收的过程中,煤释放以前吸收的甲烷。甲烷可以被回收(称为“增强煤层甲烷回收”),甲烷的销售可以用来抵消部分CO2储存的成本,然而,燃烧产生的甲烷又会产生CO2,这将抵消最初封存CO2带来的积极作用。

  含盐层含有高矿化度盐水,一直被认为对人体没有好处。盐水层有时用于存放化学废物,其主要优势是巨大的潜在存储量和分布的广泛性,主要缺点是与油田相比我们对其知之甚少。为了保持可接受的存储成本,所做的地球物理勘探非常有限,致使有关含水层结构的不确定性较大。而且与油田和煤层的存储不同,盐水层没有副产品可以抵消存储成本。CO2可能会泄漏到大气中也是在盐水层储存存在的问题。然而,目前有研究表明,有几个获捕机制可以将CO2固定在地下盐水层,减少泄漏的风险。

  IPCC估计,经过精心挑选、设计和管理的地质储存场所,CO2可以被存储几百万年,而且这些储存场所可以保留99%的、经过1000多年注入的CO2。

  2009年,据报道,科学家们已划定1.6万平方公里的岩层,可用于存储美国500年的二氧化碳排放量。

海洋储存

  二氧化碳封存的另一个方案是海洋储存。以下几个设想已被提出来:

  ●溶解:将CO2通过船只或管道注入到1000米以下的水体,CO2会随之溶解。

  ●湖:把CO2置于3000多米深的海床上,由于CO2的浓度高于水,就会在海床上形成一个湖泊,从而延迟CO2溶解到周围的环境中。

  ●二氧化碳与碳酸盐矿物结合,转化为碳酸氢盐。

  ●将CO2储存在海床上已经存在的固态晶体水合物里,或者促使生成更多的固态晶体。

  海洋封存对环境的影响一般是负面的,人们对此知之甚少。大量高浓度的CO2会威胁到海洋生物的生命,但是另一问题是CO2的溶解会最终与大气平衡,这种储存不是永久的,而且部分CO2与水发生化学反应生成碳酸(H2CO3),增加了海水的酸度。这种环境对深海区、远洋深海带和远洋海底带的深海生物带来的影响还没能够被了解。

  即使在生物极少的海洋盆地,能源和化学效应也会产生深远的影响,界定潜在问题的严重程度需要做大量的工作。

  深海里的海水循环到海面,受海流和其他变化条件的影响有所不同,也至少需要1600年。处置深海里液态CO2的成本大约在40-80美元/吨,这个数字包括了在电厂封存和经海洋运输到处置场所的成本。

  用碳酸氢盐可以降低PH值并且增加CO2在海洋中的保留程度,但是这将增加成本,带来其他对环境的影响。

矿产储存

  通过CO2与含有镁和钙的矿物质发生化学反应生成碳酸盐来实现对CO2的封存有许多独物的优势。首先,碳酸盐的能量状态比CO2低,这也是为什么矿物碳化从热力学的角度是有利的也是自然发生的(例如,地质时期的岩石风化)。其次,其原材料例如含镁的矿物质十分丰富。最后,生成的碳酸盐具有无可争议的稳定性,不会存在重新释放到大气中的问题。然而,传统碳化途径在周围环境和压力下进展缓慢。这项努力最大挑战是确定可行的碳化途径,使矿物封存在可以接受的成本下实施。

  在这个过程中,CO2与矿物里的金属氧化物发生反应,释放热量生成稳定的碳酸盐,自然碳化经过若干年在表面形成大量石灰石。这种化学反应速度可以更快,例如在高温高压下,或者对矿物进行提前处理,这就需要额外投入能源。IPCC估计,一个具有矿物二氧化碳封存能力的电厂会比没有的电厂多消耗60%~180%的能源。

本文编译自《国家地理》2010年第7期

 
 

 
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