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CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）碳捕获、利用与封存
CCUS技术是CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕获与封存）技术新的发展趋势，即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用，而不是简单地封存。与CCS相比，可以将二氧化碳资源化，能产生经济效益，更具有现实操作性。
什么是碳捕集与封存

 

 

 

碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS）是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放的CO2捕获并分离，输送至油气田、海洋等合适地点，进行长期封存的技术。



△这一技术被认为是未来大规模减少温室气体排放，减缓全球变暖最经济、可行的方法
简单而言，碳捕集与封存技术分为三步：捕集、运输和封存。
燃烧前捕集
 
 
 
在富氧高压条件将煤炭气化为煤气，再将煤气分离得到CO2和H2，此时CO2浓度高，极易捕集，生成的H2可作为燃料使用。


△燃烧前捕集示意图
富氧燃烧捕集
 
煤在富氧条件下中充分燃烧，产生高浓度的CO2气体，可以直接捕集。

△为控制炉内火焰温度、维持合适的传热特性，高浓度氧气需与回收的部分烟道气混合

△富氧燃烧捕集可操作性强，但制氧技术投资、能耗高
 
 
燃烧后捕集
 
在燃烧后排放的烟道气中捕集CO2。常规CO2分离技术有物理吸收法、化学吸收法和膜分离法。


△燃烧后捕集适用范围最广，但捕集系统庞大，耗费资源量大
1. 物理吸收法

△物理吸收法工作流程

△收集气体

△萃取CO2

△分离固态CO2
2. 化学吸收法
 
利用CO2溶于水形成酸的特征，在通过脱碳吸附装置时，化学吸收剂吸收废气中的CO2。


△吸附装置为集成结构，最大程度的增大了与空气的接触面积，内部涂有可循环利用的吸收剂
3. 膜分离法
利用膜选择性渗透的特点，在压差作用下CO2气体可以穿过薄膜，得到纯度较高的CO2。
 

△膜分离法能耗低，设备紧凑
 
膜分离法不仅可以处理发电厂排放的气体，还可以分离空气中含有的CO2。



△加拿大碳工程公司（Carbon Engineering）将启动碳回收项目，预计一年可回收10万吨CO2（相当于30万辆汽车的排放量）
燃煤电厂一直都是CO2排放大户，燃烧后捕集技术的独特优势，使其可用于绝大多数火力发电厂，对于70%的电量来自于煤电的我国而言，燃烧后捕集技术的应用意义重大。目前我国已有多家企业应用该技术。

△安装脱碳装置，“捕捉”释放的CO2


△大型发电厂各部件简介图

△华能上海石洞口第二电厂，其脱碳装置于2009年12月30日正式投运，开创了我国燃煤电站实现CO2规模化捕集的先河

△重庆合川电厂，拥有我国首个万吨级燃煤电厂CO2捕集装置
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CO2运输
 
 
二氧化碳运输就是将捕集到的CO2运输到合适的地点进行封存，主要有罐装运输和管道运输两种方式。
 
 
一
罐装运输
 
 
主要通过铁路或公路进行运输，也有部分采用船舶运输。

△罐装运输适合短途、小量运输
二、管道运输
最常用的CO2运输方法。一次性投资大，适宜长距离、大运量运输。

△管道是最经济的运输方式

△管道运输CO2要维持8MPa以上的压力，以确保CO2以液态形式输送。截止到2008年，美国已建成约5800km的CO2运输管道，连接CO2捕集区和石油生产区

△在紧急情况下可关闭管道运输安全闸，确保CO2运输的安全可靠
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CO2封存
二氧化碳的封存是整个环节中最关键的一步，封存方法大致分为三类：生物封存、海洋封存和地质封存。
 
 
一
生物封存
 
生物封存就是植物通过光合作用来吸收CO2。

△植物光合作用效果最明显
海洋封存
海洋可以自发吸收CO2，每年可净吸收约2亿吨碳，接近全球年碳排放量的1/3


△但海洋自发吸收过程仅限于表层、次表层海水
 
因此，专家们提出可以借助人工方法加快海洋碳封存的速度、提高海洋吸收CO2的能力。人工方法是将CO2注入深层海水或者灌注于海床，主要有：海洋水柱封存、海洋沉积物封存和CO2置换天然气水合物封存三种方式。

△人工封存
1. 海洋水柱封存
利用船舶或管线将CO2注入海水中，借助海洋中相对稳定的碳循环体系，达到封存的目的。

△海洋中存在由HCO3-、H2CO3及溶解态CO2和CO32-构成的相对稳定的缓冲体系

△当深度为1000米~2500米时，注入气态或液态的CO2，CO2会溶于海水；当深度大于3000米时，注入液态CO2，其密度大于海水，会下沉至海底，在低洼处形成CO2湖（简称碳湖）
2. 海洋沉积物封存
海洋沉积物封存就是将CO2注入到海床沉积层中，由于CO2的密度大于孔隙水，CO2沉于孔隙水之下，实现CO2的封存。


△海洋沉积物封存CO2
在深海低温、高压环境下，CO2在沉积层中形成类似冰的晶状水合物，实现水合物封存，而且水合物的形成可以降低沉积层渗透率，增加密闭性，进一步巩固CO2的封存效果。

△深海低温高压环境CO2水合物形成过程
3. CO2置换天然气水合物封存
海底天然气水合物（即可燃冰）储量大，但直接开采时，易因甲烷气体瞬间释放而导致海底滑坡、地震等严重的地质灾害。

△全球天然气水合物分布广、储量大

△直接开采天然气水合物易导致海底滑坡
CO2置换取代CH4的位置，这样既能减少大气中CO2含量，又维护了水合物沉积层的稳定性，具有环保与经济的双重价值。
从百慕大“杀手”到未来能源之星——可燃冰

 
 
△CO2置换CH4
地质封存
将CO2经输送管线或载运工具输送至适当地点后，注入特定深度及特定地质条件的地层中进行封存。

△CO2地质封存适宜的地层有深部盐水层、油气层及不可采煤层
1. 深部盐水层封存
 
深部盐水层为不适宜人类饮用的卤水层，若具备良好的封闭性，就可以用于封存CO2。

△深部卤水层
从直井低速注入超临界CO2和H2S，封存效果最好。这是因为CO2溶于水需要一定时间，注入速度过快，易导致CO2溶解不充分，从而存储量降低。

△超临界状态下，CO2密度大，不易窜逸，封存性好

△CO2与H2S混合注入会增加存储量

△注入井通常采用直井，若储层特征明确，可选用水平井注入，效果更佳


△自1996年起，该储层每年储存约一百万吨CO2，相当于挪威CO2年排量的3%
2. 油气层封存
油气层封存有两种：注入枯竭油气层封存和利用CO2驱油。

（1）注入枯竭油气层
油气层为孔隙度和封闭结构良好的储集层，待其枯竭后可利用现有的油气井生产设备注入CO2达到封存效果。

（2）CO2驱油（CO2-EOR）
将CO2注入油层，利用其膨胀原油体积、降低原油粘度及萃取、气化原油的特性提高原油采收率。

△CO2驱油示意图

△注入CO2提高采收率


△蓝色代表注入的CO2，棕色代表石油
CO2驱油优势：超临界CO2的形态类似于液体，黏度接近气体，此时的CO2是一种很好的溶剂，其溶解性、穿透性均超过乙醇、乙醚等有机溶剂。
CO2可以将原油中轻质组分分离抽提出来。CO2与原油反复接触抽提后，可形成混相，从而更好的驱替原油。

△CO2混相驱过程
注入地层中的部分CO2会随着时间推移，与地下流体、矿物质等发生化学反应，逐渐矿化，形成碳酸盐岩，从而达到永久封存的效果。

△单次注入CO2因矿化封存于地下的比例高达50%-60%
剩余部分的CO2会随油气产出返回地面，分离这部分CO2，可实现循环利用。

 

△这样的循环驱油过程，既能有效封存CO2，又能节约开采成本，提高油气产量
3. 不可采煤层封存
通常将CO2封存于薄煤层或埋深超过终采线的深部煤层。

注入煤层的CO2在煤层孔隙中扩散、吸附，最终封存于煤层之中。

CO2在煤层中的吸附能力大约是甲烷的2倍。注入煤层的CO2将被优先吸附，而甲烷则从吸附态转化为游离态，最终被采出地面。


△传统煤层气开采采用抽水法来减小井内压力，使甲烷从孔隙界面解吸附，释放到开采井中
Burlington资源公司在美国西南部San Juan盆地的一个气田内建立了“CO2强化煤层甲烷回收(CO2-ECBM)”的试验工程。

△注入CO2使甲烷回收率增加约75%
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全球大型CCS项目开发现状
 
 
温室效应的加剧使各国十分重视CCS项目，目前全球范围内计划完成大型CCS项目共计138个，未来这一数字将会持续增长。

△全球现有CCS项目一览图
现有的CCS项目主要分为三类：大型发电厂CCS项目，非发电厂CCS项目和商业化CO2驱油项目。

△世界5大洲超过60MW的大型CCS项目开发情况

△世界五大洲大型CCS项目数对比图
1. 欧洲
 
挪威是全球最早开展CO2捕集和封存的国家。目前英国有7个，挪威有3个，荷兰有2个，德国和法国各1个，共计14个CCS项目。
 
 
2. 美洲
 
美洲CCS项目主要集中在美国和加拿大，美国有20个，加拿大7个，另外阿尔及利亚有1个。
 
 
3. 亚洲
 
亚洲的CCS项目主要分布在中国、韩国、阿拉伯联合酋长国和沙特阿拉伯，共计11个，其中中国7个，韩国1个，阿拉伯联合酋长国2个，沙特阿拉伯1个。
 
 
中国在大庆、东莞、胜利、天津、连云港的发电厂应用了CO2捕集技术，榆林的煤化工厂和鄂尔多斯的煤炭液化厂也应用了CO2捕集技术。



△鄂尔多斯CO2捕集封存项目应用物理溶剂吸附法，目前每年捕集二氧化碳3.6万吨



△中国华能集团的高效煤基能源系统（GrenGen）



△中国神华CCS项目监测井，监测CO2分层注入情况

4. 大洋洲

澳大利亚一共有两个CCS项目，分别是非发电厂Otway和Gorgon。



△澳大利亚Gorgon项目

5. 非洲

巴西国家石油公司在非洲的Lula油田进行了CO2驱油作业。



△巴西Lula项目

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CCS项目发展的困境与展望

 

 

碳捕集与封存技术有着广阔的发展前景，但目前仍存在许多问题：

 

 

 

一

泄露

 

 

 

CO2可能发生泄漏是CCS项目面临的最大问题。

A.如果CO2大规模泄漏，将会引发显著的气候变化；

B.地下浅层CO2泄漏不仅会污染地下水，还会对植物、土层动物造成致命影响；

C.如果CO2在管道运输中发生泄露，空气中CO2浓度超过7%，将会威胁人的生命安全。 

 

 

 

二

能源消耗大、建设运行成本高

 

 

 

CCS技术的捕集、运输、封存都要消耗大量的能源，应用CCS技术的电厂比没有使用该技术的电厂要多消耗25%～50%的能源。CCS技术建设运行成本高，其中捕集成本所占比例最高。经估算，应用该项技术会使发电成本增加约0.01～0.05美元/(kW•h)。因此，若想进一步发展碳捕集与封存技术，除了要逐步减少能耗，还需获得政策法规和财税的大力支持。

 

 

 

虽然碳捕集与封存技术目前仍面临诸多困难，但随着温室效应和能源危机的加剧，二氧化碳的吸收和利用受到了越来越广泛的关注。相信随着研究的不断深入，技术的不断进步，二氧化碳封存技术必将能够克服其弊端，取得更加卓越的效果。我们的天空会更湛蓝，我们的空气会更纯净，我们的未来会更美好。