碳捕捉和储存技术.docx

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1、碳捕捉和储存技术CCS碳捕捉和储存技术 CCS 12 月 7 日,联合国气候变化大会如期在哥本哈根拉开帷幕,来自 192 个国家和 地区的代表出席了这次峰会.几日下来,大会火药味十足,俨然成吵架大会. 虽然各国的减排目标还处于拉锯战中,如何达到这些减排目标将是接下 来各国关注的问题,于是,碳捕捉技术再次成为媒体关注焦点. 相对于人造火山或是太空反光镜这类不靠谱的科技狂想,二氧化碳捕集封存 技术(CCS 技术)被认为更能拯救地球.众所周知,人类为防止气候变暖需要节 能减排,特别是减少二氧化碳的排放.减排路径有许多,但对于以燃煤为主要能 源的国家,减少燃煤使用代价高昂,因此 CCS 成为重要替代选

2、择,因此对那些不 愿改变能源消费结构的国家来说,这有极大吸引力. 国人也许对碳捕获技术稍感陌生,殊不知它正是当今世界上国际最热门的 气候变化领域最前沿, 最重大的话题之一, 国际政治领袖们无不投以巨大关注. 早在去年年底,央行行长周小川就曾畅谈过碳捕获的深意,并认为金融业在 这方面大有可为.而根据浙大相关专家的看法,国外许多科研机构早已经从中嗅 到了巨大的利益诱惑,并悄悄把目标瞄准了国内碳排技术市场. 原始大气中二氧化碳的浓度非常高,并不适宜人类生存,地球是通过把二氧化碳 固化后埋在地下(即成煤成油的过程),从而降低了大气中二氧化碳的浓度,变 得适宜人类生存了.现在的情况,正好相反,人类通过开

3、采煤,油,把埋在地下 的二氧化碳挖了出来,再排放到大气中,大气的二氧化碳浓度就增加了,随之而 来的就是温室效应带来的一系列影响. 这实际是对工业革命,化石能源疯狂利用的一种嘲讽和报复.后工业时代注定要 解决工业革命的麻烦. 1850 年全球 CO2 排放量仅为 2 亿吨,到 2005 年则增加到 259 亿吨.这其中,全 球化石燃料的消费主要集中在工业,电力和交通运输部门,其 CO2 排放量约占全 球 CO2 排放总量的 63.09%72.96%. 现在,全球各国首脑希望人类在 2050 年时,把气温控制在不超过 1850 年时多 2 摄氏度. 如何减少大气中的二氧化碳排放量,科学家们已经想了

4、各种办法. 第一步是碳捕获. 据方梦祥教授介绍, 目前国际上比较成熟的是化学吸收法, 简单来说就是利用 CO2 和某种吸收剂之间的化学反应, CO2 气体从烟道气中分 将 离出来,目前科学家已经找到了多种性能优良而环保的吸收剂.还有一种方法叫 膜分离法,化石燃料燃烧后的烟气在通过膜时被分类处理了,有的会溶解并 通过,有的却通不过被拦截了.为了提高二氧化碳的减排效率,科学家还发 明了一种富氧燃烧法,用纯氧燃烧使得排放的 CO2 纯度更高.据悉,目前国际上 像美,英,挪威包括中国都有一些碳捕捉试验项目,其中碳的捕捉效率可以高达 90%. 捕碳还不是最难的,而且,就算是把捕捉到的 CO2 再利用,拿

5、去生产 碳酸饮料,最后 CO2 还是排到了大气中,科学家需要把 CO2 安全而永久地封 存起来,这种碳捕捉与储存技术被称为 CCS(即 Carbon Capture and Storage 的缩写)技术. 科学家目前主要的思路是封到地下, 包括深海存储和地质储存. 先说深 海存储,要知道,海洋是全球最大的 CO2 贮库,其总贮量是大气的 50 多倍, 在全球碳循环中扮演了重要角色.将 CO2 进行海洋储存的方式,主要是通过管道 或船舶将 CO2 运送到海洋储存地点,然后将 CO2 注入海底,在海底的 CO2 水最后 会碳化并保存下来.这个方法也有一定隐患:CO2 是通过船舶用高压打入海底 的,

6、万一 CO2 发生泄漏后果不堪设想,特别是海震时常发生. 目前科学家认为相对可行的是地质储存, CO2 打入地下 12 千米的盐水层, 把 在这样的深度,压力会将二氧化碳转换成所谓的超临界流体,并缓慢固化, 就像地下的煤炭石油一样.在这样的状态下,二氧化碳才不容易泄漏.另外, 这片岩体的结构要好,有足够多的空间来容纳二氧化碳,而且具有连续性,面积 够大.据预测全球盐水层的储量达到 10 万亿吨,可以储存 1000 年. 到现在为止,全球共有三个成功的 CCS 项目在进行中.美国 Weyburn-Midale 项 目填埋的是北达科他萨斯喀彻温省一座废弃油田的煤炭气化厂产生的二氧化碳. 英国石油公

7、司经营的阿尔及利亚萨拉油田项目把从当地生产的天然气中提取的 二氧化碳输入地下. 挪威大型石油天然气公司国家石油公司也在北海有两处类似 的项目.另外,全球有上百个 CCS 项目正在建设中. 在国内,继北京的华能高碑店项目后,华能石洞口第二电厂碳捕获项目 7 月 份在上海开工,该项目总投资 1.5 亿元,今年年底将建成,预计年捕获二氧化碳 10 万吨,并号称是全球最大的燃煤电厂碳捕获项目. 虽然目前 CCS 技术仍在实验阶段,其技术能否收到预期效果还有待证实,但 成本之高已经叫人咋舌.根据麻省理工大学去年发表的一份报告,捕捉每吨二氧 化碳并将其加压处理为超临界流体要花费 30-50 美元, 将一吨

8、二氧化碳运送至填 埋点埋藏需要花费 10-20 美元.这也就是说,发电厂每向大气中排放一吨二氧化 碳就要支付 40-70 美元,欧盟现行的碳价格则为 8-10 欧/吨,这一数字也接近 联合国政府间气候变化专门委员会建议的碳价格的中间值. 方梦祥教授也给记者简单算了一笔账: 比如, 燃烧 1 吨煤要排放出 2 吨的 CO2, 现在的煤价按 600 元/吨计,加上碳排放增加的 600 多元,成本增加了一倍,而 燃烧 1 吨煤可以发电 300 度,摊到每度电上,就是电价增加 70%-90%,而如果把 生产,运输,销售中增加的碳价格核算到每件商品上,最后就能算出该商品的碳 排放价.如果征收起碳税来,这

9、个数字将是很可观的.无怪乎,有专家称石 油交易之后碳排放交易最具潜力,全球碳排放市场将成为未来最大的市场. 与此同时,各国资本已经开始觊觎这个产业,欧盟委员会已明确表示,欧盟 计划直接投资 80 亿欧元用于 CCS 领域的技术研发.这对我们来说,既是挑战 也是机遇,现在,国外许多机构早已经瞄准了国内碳排技术市场,像我们浙江大 学已经跟欧盟,美国能源部,英国等建立起技术合作关系,其实,我们国内的碳 捕捉技术成本相比国外要低廉很多,如果可以抢占一些市场份额还是大有可为 的,可惜,目前国内企业很少能有这样的眼光.方梦祥教授说.(青年时报) -碳捕获技术简介 目前,主要有四种不同类型的 CO2 收集与

10、捕获系统: 燃烧后分离(烟气分离),燃料前分离(富氢燃气路线),富氧燃烧和工业分离 (化学循环燃烧),每种捕获技术的技术特点及其成熟度见下表. 在选择捕获系统时,燃气流中 CO2 浓度, 燃气流压力以及燃料类型(固体还是 气体)都是需要考虑的重要因素. 对于大量分散型的 CO2 排放源是难于实现碳的收集,因此碳捕获的主要目标 是像化石燃料电厂,钢铁厂,水泥厂,炼油厂,合成氨厂等 CO2 的集中排放源. 针对排放的 CO2 的捕获分离系统主要有 3 类:燃烧后系统,富氧燃烧系统以 及燃烧前系统. 燃烧后系统介绍 燃烧后捕获与分离主要是烟气中 CO2 与 N2 的分离.化学溶剂吸收法是当前 最好的

11、燃烧后 CO2 收集法,具有较高的捕集效率和选择性,而能源消耗和收集成 本较低.除了化学溶剂吸收法,还有吸附法,膜分离等方法. 化学吸收法是利用碱性溶液与酸性气体之间的可逆化学反应. 由于燃煤烟气 中不仅含有 CO2,N2,O2 和 H2O,还含有 SOx,NOx,尘埃,HCl,HF 等污染物. 杂质的存在会增加捕获与分离的成本,因此烟气进入吸收塔之前,需要进行预处 理,包括水洗冷却,除水,静电除尘,脱硫与脱硝等. 烟气在预处理后,进入吸收塔,吸收塔温度保持在 4060,CO2 被吸收剂吸 收,通常用的溶剂是胺吸收剂(如一乙醇胺 MEA).然后烟气进入一个水洗容器以 平衡系统中的水分并除去气体

12、中的溶剂液滴与溶剂蒸汽,之后离开吸收塔.吸收 了 CO2 的富溶剂经由热交换器被抽到再生塔的顶端.吸收剂在温度 100140和 比大气压略高的压力下得到再生.水蒸汽经过凝结器返回再生塔,而 CO2 离开再 生塔.再生碱溶剂通过热交换器和冷却器后被抽运回吸收塔. 富氧燃烧系统介绍 富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的介质. 燃烧产物 主要是 CO2 和水蒸气,另外还有多余的氧气以保证燃烧完全,以及燃料中所有组 成成分的氧化产物,燃料或泄漏进入系统的空气中的惰性成分等.经过冷却水蒸 汽冷凝后,烟气中 CO2 含量在 80% 98%之间.这样高浓度的 CO2 经过压缩,干燥 和进一步

13、的净化可进入管道进行存储.CO2 在高密度超临界下通过管道运输,其 中的惰性气体含量需要降低至较低值以避免增加 CO2 的临界压力而可能造成管 道中的两相流,其中的酸性气体成分也需要去除.此外 CO2 需要经过干燥以防止 在管道中出现水凝结和腐蚀,并允许使用常规的炭钢材料. 在富氧燃烧系统中,由于 CO2 浓度较高,因此捕获分离的成本较低,但是供给 的富氧成本较高.目前氧气的生产主要通过空气分离方法,包括使用聚合膜,变 压吸附和低温蒸馏. 燃烧前捕获系统介绍 燃烧前捕获系统主要有 2 个阶段的反应. 首先, 化石燃料先同氧气或者蒸汽反应,产生以 CO 和 H2 为主的混合气体(称 为合成气),

14、其中与蒸汽的反应称为蒸汽重整,需在高温下进行;对于液体或 气体燃料与 O2 的反应称为部分氧化,而对于固体燃料与氧的反应称为气 化.待合成气冷却后,再经过蒸汽转化反应,使合成气中的 CO 转化为 CO2,并产 生更多的 H2.最后,将 H2 从 CO2 与 H2 的混合气中分离,干燥的混合气中 CO2 的 含量可达 15%60%,总压力 27MPa. 从混合气体中分离并捕获和存储,H2 被用 CO2 作燃气联合循环的燃料送入燃气轮机,进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电. 这一过程也即考虑碳的捕获和存储的煤气化联合循环发电(IGCC).从 CO2 和 H2 的混合气中分离 CO2 的方法包括:变

15、压吸附,化学吸收(通过化学反应从混 合气中去除 CO2,并在减压与加热情况下发生可逆反应,同从燃烧后烟道气中分 离 CO2 类似), 物理吸收(常用于具有高的 CO2 分压或高的总压的混合气的分离), 膜分离(聚合物膜,陶瓷膜)等. 碳捕捉与封存技术 碳捕获和封存(以下简称 CCS)是一种将工业和能源排放源产生的 CO2 进行收集, 运输并安全存储到某处使其长期与大气隔离的过程.CCS 主要由捕获,运输,封 存三个环节组成. 碳捕获 CO2 的捕获,指将 CO2 从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来,并将其压缩 的过程. 对于大量分散型的 CO2 排放源是难于实现碳的收集,碳捕获的主要目标是化

16、石燃料电厂,钢铁厂,水泥厂,炼油厂,合成氨厂等 CO2 的集中排放源.目前针 对化石燃料电厂的捕获分离系统主要有三种,即燃烧后捕获系统,燃烧前捕获系 统和氧化燃料捕获系统. CO2 捕获已经在一些工业应用中采用,马来西亚一家工厂采用化学吸附工艺, 每年从燃气电厂的烟道气流中分离出 02106t 的 CO2,用于尿素生产.美国北 达科他州煤气化工厂采用物理溶剂工艺,每年从气流中分离出 33106t 的 CO2, 用于生产合成天然气,捕获的一部分 CO2 用于加拿大的强化采油项目. 碳运输 CO2 的运输,指将分离并压缩后的 CO2 通过管道或运输工具运至存储地.第 一条长距离的 CO2 输送管道于 20 世纪 70 年代初投入运行. 在美国,有超过 2, 500 公里的 CO2 输送管道,通过这些管道,每年有大约 40106t 的 CO2 被运输到德克