碳捕捉和碳封存技术一瞥

最近几年，极端气候的多次发生引起了世界各国非常高的重视。现如今，因为石油、天然气、煤等能源的消耗产生的温室气体是致使气候变化的最直接因素，此外，这些能源占一次能源消费的比重达80%以上。怎样有效处理世界气候变化，控制温室气体排放，实现可持续发展，已受到世界各国的重视。尽管开发替换能源是控制全球气候变化的一个重要举措，但是就目前而言替换能源仍不能变成人类生存发展的主体能源，因为随着经济的持续快速发展，对能源的需求度也持续上升，但经济技术手段还不能满足要求。国际能源机构也预计在将来的几十年中，随着世界经济的持续发展，能源供应仍将以化石能源为主。所以，搜索更加实用、高效的途径调控气候变化非常重要。碳捕捉与封存技术就是在此种条件下被人们所发掘，并迅速发展壮大的。

将二氧化碳（CO₂）捕获和封存的技术即CCS（Carbon Capture and Storage 的缩写）技术，指将CO₂和工业或有关能源的源头分隔开来，运送到一个封存地方，然后长时间地和大气隔离的一个过程。

为了完成温室气体的大幅度减排，在2005年，IPCC专门推荐了CCS技术，主要是从全球气候变化和减排任务都变得非常严重及清洁能源的发展现状方面考虑。

CCS技术在不实施大规模改造电力供应系统的条件下，为大面积降低大气中CO₂排放提供了非常大的发展能力。尽管从本质上看，只有一个完全的除碳能源体系才能避免危险的气候变化，但CCS技术能够对短中期固定大规模减少CO₂产生很大的影响，是一个能够选择的技术方法，因此也快速地发展壮大。

CCS技术和开发利用替换能源进行比较，具有以下优势。

（1）在化石能源仍是当今世界主体能源的情况下，不但保持了能源耗费的现状，而且降低了对环境的损害，维持了能源的高效使用。

（2）供应了一种有效调控气候变化的办法，规避了开发新能源引发的技术困难。

（3）目前地球上有充足的储存空间给CO₂，涵盖地质、海洋存储等。

CCS技术重点包含下面三个步骤：CO₂的捕捉、CO₂的运送和CO₂的存储。CCS技术是一个十分关键的科技办法，能够在保持现存以碳为前提条件的基础设施的状况下，最大限度地降低CO₂对全球气候变化的作用。

碳捕捉

CCS全部过程最开始要处理的情况是CO₂捕捉，其办法是在排放燃烧源中分离出CO₂，并进行收集、净化和压缩，降低工厂中CO₂的排放，进而减少大气中CO₂的数量。可以使用的CO₂捕捉技术大体包含燃烧前捕捉技术、富氧燃烧捕捉技术及燃烧后捕捉技术。

CO₂捕捉技术图

燃烧前捕捉

燃烧前捕捉技术是把CO₂在化石燃料燃烧之前分离出来。先将化石燃料气化变成H₂和CO，CO转变成CO₂，H₂当作能源燃烧转变成H₂O，因此CO₂即可被分离捕捉出来。集成气化组合循环技术（integrated gasification combined cycle，IGCC）是指把煤转变成合成气的一项技术，是一种比较有代表性的燃烧前捕集CO₂的技术。

富氧燃烧捕捉

富氧燃烧捕捉技术也被称为O₂/CO₂燃烧技术，即指化石燃料在纯氧或富氧中燃烧，CO₂和水蒸气是烟道气的主要组成部分，接下来再把水蒸气冷却，就只剩下CO₂，最后再将CO₂分离出来。通常情况下，会将燃烧之后的烟道气再一次回注燃烧炉，目的是降低燃料温度，提升CO₂的体积分数。制氧成本很高导致富氧燃烧捕捉技术在经济上无显著的优势，因而不能在现实使用中大范围普及利用。但是，伴随化工技术的持续发展，制氧成本也将逐渐下降，富氧燃烧技术也将会被大规模利用。

燃烧后捕捉

燃烧后捕捉即指将化石燃料在空气中燃烧所生成的CO₂从烟道气中分离出来并捕捉的过程。化学吸收法（本菲尔法、甲基二乙醇胺法）、吸附法（变压、变温）、物理吸收法（聚乙二醇二甲醚法、低温甲醇洗法）和膜分离等办法是重要的捕捉分离办法。应用区域广，系统原理简单，在技术使用上比较成熟是燃烧后捕捉技术的重点优势。但是燃烧后捕捉技术在生产实践中也并没有大区域地利用，主要是因为脱碳与捕捉碳的进程中耗费的能量极有可能生成较多的CO₂，此外碳捕捉的设备投入和运行成本高带来了很高的CO₂捕集成本。

碳运送

现今碳运送技术发展比较成熟，使用范围也相对很宽，管道运送和罐装运送是两种重点运送方式。管道运送分成气态、液态、超临界态运送，运送工艺也伴随运送介质相态的差别有一定的区别。超临界态运送是现今重点管道运送方式，但是中国的油田内部管线更多使用气态或液态运送。管道运送的技术发展相对较成熟，远距离传输、传输量大是其主要特征，管道运送也是传送CO₂较常用的一种手段，其缺陷是一次性投资成本很大。罐装运送的重要途径是利用铁路或公路完成传送，其特征是适合少量的短途运送，缺陷是大范围利用不具备经济性。

碳封存

碳封存就是为了有效降低CO₂对大气的排放，将捕集的CO₂安全地储存在地质结构层，有地质封存、海洋封存、化学封存三种重点封存方式。

地质封存

地质封存是指把CO₂送入海底盐沼池、油气层、煤井等不一样的地质体中。为了使CO₂维持在超临界状态，通常将CO₂地质封存储存的深度定为800米以下。第一方面，油田和气田。随着人们对产油层和产气层地质状况的深层次认识，CO₂等碳氢化合物已被科学证明能够储藏在废弃的油田和气田中。除此之外，在油气采收相对较艰难的油气田中回注CO₂可以很大程度地提升油气田采收率，提升资源的使用水平，同时还可以延伸油井使用周期。依照统计资料显示，使用全球废弃的油气田封存CO₂的质量估计为9230亿吨，和全球燃烧化石燃料的发电厂排放的CO₂的质量等同。第二方面，没有碳氢化合物的圈闭。这类地质结构不但能够集聚封存CO₂，还能制止CO₂变动，将CO₂稳固在没有碳氢化合物的圈闭中。没有碳氢化合物的圈闭具备与含气层、含油层和煤层相似的构造，所以能够使用这类地质层封存许多的CO₂。第三方面，底水-深度蓄水盐层。含盐水层的圈闭结构与油田和气田相比很一般，而且含盐水层可能有非常大的储气结构适合储存CO₂，并且盐层的区域分布更加宽广。因此，使用这种结构封存困难不大，是一个易于被广泛使用的可行性方法，但是存储时一定要完全认识含盐水层的每一类性质和地质构造。

海洋封存

海洋封存主要有溶解型和湖泊型两种封存方式，是指将CO₂通过管道或者船舶运送并储存在深海的海洋水或者深海海床上。溶解型海洋封存即将CO₂运送到深海中，让CO₂自然分解然后变成自然界碳循环的组成部分；湖泊型海洋封存是指将CO₂送入到地下3000米的深海里，因为海水密度比CO₂的密度小，所以会在海底变成液态，成为CO₂湖，进而推迟了CO₂分解到环境中的程序。但又因为没有完备的海洋封存技术，严重威胁了海洋中的环境和生物，为此此项技术没有办法大范围推广利用。

化学封存

化学封存是指通过一系列繁杂的化学反应将CO₂转变成部分稳定的碳酸盐，进而实现长久封存CO₂的目标。化学封存技术是一种新的CO₂封存技术，其经济效益和减排效率都有着无法预测性。

CCS技术的发展现状

CCS技术是一个包括许多阶段并牵涉很多先进技术的系统工程，中国科研人员正在全力钻研涉及的先进技术。现在，尽管碳捕捉的成本相比较而言很高，但有研究声明随着该项技术的逐渐成熟，其成本会慢慢下降至人们能够接受的程度。所以研发低成本的碳捕捉技术是非常重要的。除此之外，有很大的碳封存风险，为了阻止以后发生环境问题，应该重视实施过程中的风险，实现安全管理。总而言之，CCS技术针对处理世界气候改变产生了深远的影响，但其成本高、风险大的特征导致它的使用范围遭到某种程度的约束。因此，未来CCS技术的重心是CO₂捕捉的低成本化和碳封存的低风险化。

国外发展现状

CCS技术是得到发达国家和发展中国家一致承认的一种最近几十年刚被制订的新的减排方案。西方发达国家最先进行CCS技术的研发，截至当前已经进行了很多的研究，并且CCS技术将会被一些国家当作未来能源战略的主要构成部分。所以，美国、加拿大、欧盟等有大量关于CCS的项目处于计划开展阶段。Sleipner项目是挪威国家石油公司1996年于北海展开的，其封存气体来自油田伴生气，封存气体将被送入气藏上面的盐水层，预计封存量是2000万吨，每吨CO₂的埋存成本是17美元。截至目前，封存的气体既无特别变动，也无外泄痕迹。Weyburn项目是加拿大在2000年展开的，其CO₂来自燃料厂并利用管线运送到储存位置，CO₂气体被注入油田提升原油采收率，本来预计封存2000万吨，每吨的埋存成本约是20美元。Weyburn项目监测了CO₂外泄情况，主要是为了确认是否可以长时间封存，第一阶段停止后，监测结果说明无CO₂外泄的迹象。荷兰在2004年也启动了CO₂封存项目，CO₂被埋存在荷兰近海-北海油气田，该项目把气体送入废弃气层埋存和送入气田提升气体采收率。由于此项目送入的气体总量相对很少，估计仅有800万吨，成本也相对较低，每吨估计为7～14美元，截至目前，此项目正在顺利进行。

法国的Lacp项目是CCS技术中最受到全球重视的。道达尔集团展开了一项全新的一体化的CCS试验项目，截至2010年，CCS设备开始投入使用。该项目使用的是焚烧碳收集技术，利用管线运送到存放地方，最终送进枯竭的天然气田。此项目被认为是全球首条碳捕捉与封存链。其一体化包含了CO₂捕捉、CO₂输送和CO₂封存。

现今，相对较成熟的碳捕捉技术是国际上的化学吸收法，即利用CO₂和某种吸收剂之间的化学反应，从烟道气中分离出CO₂气体，进而完成碳收集的目标。昂贵的捕捉成本是实行CCS这项新的减排技术所面临的最大的阻碍，当然捕捉成本随着技术的日渐成熟将会大幅度下降。

国内发展现状

煤炭在中国这样一个发展中国家的单一能源耗费构造中占重要位置。生产量多和消费量大是中国煤炭能源的主要特征，但对于有限的石油和天然气来说，生产和消费都相对很低。尽管如此，中国的CCS技术还并不完备，仍处在起步阶段。从中国的实际情况出发，将CO₂捕集、埋存与油气田提升采收率相结合是CCS技术现今阶段比较可行的办法，也比较符合发展阶段和能源构造的实际情况，不但完成了CO₂减排的社会效益，还创造了较大的经济效益，也是目前实现CCS技术的最理想路径。中国的石油行业也会完全使用油气资源及其开发技术的优点全力促进CCS技术的研发，主动解决目前的瓶颈技术，为未来CCS技术的工业化打下基础。

燃烧前捕捉和燃烧后捕捉是中国目前比较倾向的CO₂捕集技术。为此通过对中国CO₂捕集技术的发展进行分析可知，燃烧前捕集和燃烧后捕集技术与氧化燃料燃烧技术相比发展较快，但与欧洲国家进行比较，中国仅处在起步阶段，技术也不完备。燃煤电厂CO₂捕集技术的研究与工程示范工程的动工比较具备代表性，此项目在2007年启动，创建了国内首座燃煤电站烟气中CO₂捕集示范装置，代表着中国燃煤发电领域第一次使用了CO₂气体减排技术。

CCS技术的风险及问题

CO₂封存产生的问题

CO₂封存的成本问题

碳捕获因为技术水平的限制会产生很高的成本，因此其商业价值很低，目前只能依赖政府的扶持方可持续下去。有研究表明，随着该项技术的逐渐成熟，其成本会慢慢下降至人们能够接受的程度。

CO₂封存的隐藏环境问题

假如送进地底下的CO₂不小心发生规模性外泄，则CO₂和盐水将会流入蓄水层，不但会对地下水产生影响，还会污染饮用水。另外，地球上的大量资源都是不可再生的，倘若我们这一代人将资源全部耗费，仅为后代剩下地壳中封存的CO₂，那么我们不但会遭受后代的强烈指责，还会产生无法估计的安全风险。

CO₂封存的国际合作问题

要想完成CO₂封存需要借助世界上每一个国家的力量，因为这是一项世界性的问题，需要各个国家的相互配合。CO₂封存也是一项高耗能、高成本、高风险的项目，部分发达国家甚至利用向发展中国家出口技术和设备来获取巨额利润，阻碍了该项技术在发展中国家的推广发展，这种行径受到发展中国家的一致谴责。所以，CO₂封存技术实行的前提是在世界各国的统一协调、相互配合下。

CO₂捕捉过程隐藏的风险

CO₂捕捉过程中将会给环境带来非常严重的污染，主要是由于耗能必然耗费大量的能源，焚烧大量的燃料，也就表示会产生大量的NO_x、SO₂等其他污染物；另外，也会耗费大量的化学药品，如氨和石灰石等，控制NO_x、SO₂排放的耗费也将会上涨。并且，为了便于捕获的CO₂的运送和储存，要对其实行高浓度压缩。对于压缩设备有严格的标准，是因为压缩过程存在很大的风险，威胁了工作人员的人身安全。

CO₂运送阶段的风险

由于利用不同技术捕获的CO₂的纯度有很大的差别，对运送的管道产生的作用也有区别。如果CO₂包含水汽，则管道的腐蚀性就较强。此外，尽管在CO₂运送途中很少会发生泄漏事件，但这种情况不可忽略，因为一旦发生，后果不堪设想。

CO₂封存阶段的风险

CO₂地下封存渗漏产生的风险有两种：全球风险和局部风险。针对全球风险，假如封存结构中的一些CO₂泄漏到大气里，将会致使气候发生明显改变。局部风险的意思是假如封存结构中的CO₂发生泄漏，那么将会给人类、地下水和生态系统产生局部危害。

CCS技术的展望

中国虽然在CCS技术领域获得了一定的成绩，但是在部分关键技术层面仍然存在许多问题，尤其是几乎不能在实际层面大面积使用该技术。但可以相信，该问题随着CCS技术的逐渐成熟也会慢慢解决。另外，部分法律法规的持续调整，也将推动该项技术的持续向前发展。除此之外，向民众宣传相关知识，让民众慢慢意识到它的重要程度，获得其支持对于促进该项技术的持续发展是十分有利的。尽管目前此项技术的成本很高，但伴随着该项技术的逐渐成熟，其成本会慢慢下降；该技术的安全问题也会迎刃而解。由于全球气候变暖问题与CO₂排放量的冲突越来越显著，每一个国家的政府都越发关注CCS技术的钻研和开发。CCS技术有非常宽广的发展空间，在将来对于遏制全球气候变暖问题将会产生非常关键的影响。

本文摘编自田泽、马海良编著《低碳经济理论与中国实现路径研究》之第三章，内容有删减。

低碳经济是一种新的人类社会文明发展方式，是低能耗、低污染、低排放可持续经济发展模式。《低碳经济理论与中国实现路径研究》站在时代发展前沿和战略高度，研究中国低碳经济发展及实现路径问题。首先，分析低碳经济发展的国际行动与中国的机遇和挑战，阐述低碳经济理论与方法、碳排放规律与碳捕捉技术、碳税理论与实践。其次，分析中国低碳经济评价模型、中国碳排放演变及特征、中国节能减排潜力与路径选择。再次，研究中国低碳城市试点与建设、低碳产业规划。最后，阐述低碳社会发展模式及中国低碳社会的构建等，提出对策建议。全书注重理论与实践相结合，内容全面、新颖，图文并茂，具有较强的可读性和实用性。

材料人与科学出版社推出联合荐书专题，持续向读者推荐经典材料专著，通过对书籍精选内容的剖析抛砖引玉，如果您有优质书籍推荐，请联系tougao@cailiaoren.com，您可以通过扫描下方二维码直接购买此书。

本文由微信公众号科学出版社（ID:sciencepress-cspm）授权转载，由材料人网大城小爱编辑整理，材料人专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

仪器设备、试剂耗材、材料测试、数据分析，找材料人、上测试谷！