二氧化碳捕获与封存技术进展及存在的问题分析

ｌ０４·　中外能源　ＳＩＮＯ～ＧＬＯＢＡＬ　ＥＮＥＲＧＹ　第１３卷　第５期　

２００８年１０月　

●环境保护与安全　二氧化碳捕获与封存技术进展及存在的问题分析　

李雪静。乔明　（中国石油石油化工研究院，北京１０００２９）　

摘　要论述了国内外二氧化碳捕获与封存（ｃｃｓ１技术的进展，分析了ＣＣＳ技术发展存在的问题和潜在风险。ＣＣＳ技术是最　具发展潜力的大规模二氧化碳减排技术，世界上许多国家和公司都开展了相关的研究探索与实践工作。预计随着该　技术的逐渐成熟，在进一步降低成本、解决可能出现的泄露、公众认知不够等风险与障碍后，应用前景将极为广阔。　今后，ＣＣＳ技术的发展应更重视国际问合作，该技术的应用，可以减缓全球气侯变暖趋势。　关键词二氧化碳ＣＣＳ技术进展问题分析　

１前言　为了尽可能减少以二氧化碳（ＣＯ　）为主的温室　气体排放，减缓全球气候变化趋势，人类正在通过　持续不断的研究以及国家间合作，从技术、经济、政　策、法律等层面探寻长期有效的解决途径。近年来　兴起的二氧化碳捕获与封存（ｃｃｓ）技术成为研究的　热点和国际社会减少温室气体排放的重要策略。　２　ＣＣＳ技术进展　ＣＣＳ技术是指将Ｃ０，从相关排放燃烧源捕获　并分离出来，输送到油气田、海洋等地点进行长期　封存，从而阻止或显著减少ＣＯ：向大气中排放。目　前，处于研究阶段、工业试验或工业化应用的封存　场所主要有深度含盐水层、枯竭或开采到后期的油　气田、不可采的贫瘠煤层和海洋［１１。　随着全球面临的气候问题日益严峻，各国政府　非常重视对ＣＣＳ技术研究的支持。美国、欧盟、澳　大利亚、加拿大、挪威等国家或政府间组织都制订　了相应的研究规划，开展ＣＣＳ技术的理论、试验、　示范和应用研究，并且已经有了成功的实例。其中，　美国走在世界最前列，针对ＣＣＳ技术的科研规划　和项目组织实施较为周密完善。美国于２０００年开　始由能源部主持正式开展ＣＯ　封存研究和发展项　目，将地质封存和海洋封存列为主要研究方向，并　制订了详细的技术路线图。２００５年美国已开展了　２５个ＣＯ　地下构造注入、储存与监测的现场试验，　并已进入验证阶段［１］。为加强国际合作，２００３年，美　国发起成立了“碳收集领导人论坛”，目前共有美　国、加拿大、欧盟、英国、澳大利亚、日本、德国、挪　威、巴西、意大利、印度、中国、哥伦比亚、墨西哥、俄　罗斯、南非、法国等２２个成员，共同组织开展理论　与实验研究［２］。　当前，国际上ＣＣＳ技术研发所关注的主要问题　包括【　】：ＣＯ，在地质封存系统中吸附和迁移的机理　与规律。在地层中的相态及其变化规律、化学反应　及固化条件；注Ｃ０２采油过程中的物理化学理论问　题、复杂渗透流体力学原理、各类ＣＯ：提高采收率　（ＥＯＲ）数值模拟基础模型；长距离管道运输ＣＯ　的　化学腐蚀机理与规律等。　全球共有三个工业规模的ＣＣＳ项目正在运行　中ｌ２】。其中挪威国家石油公司（以下简称“Ｓｔａｔｏｉｌ公　司”）在北海开展的Ｓｌｅｉｐｎｅｒ天然气田ＣＣＳ项目运行　的时间最长。该气田于１９９６年投产，建有世界上第　个工业级ＣＯ　捕获设施，用醇胺溶剂从天然气中　吸收ＣＯ　并通过回注钻孔储存于深达１０００ｍ海床　下的含盐地层中，处理能力约为１００ｘ１０４ｔ／ａ。这是世　界上首例ＣＣＳ项目，受到很多国家的重视。先后已　有欧盟、挪威、英国、丹麦、荷兰等１３个国家或地区　的公司或机构参与。Ｓｔａｔｏｉｌ公司称，这项计划的成本　约为ｌ５美元／ｔ　ＣＯ：，比挪威政府征收的５５美元／ｔ　

作者简介：李雪静，高级工程师，１９９０年毕业于华东理工大学石　油加工专业，２００３年毕业于兰州大学，获ＭＢＡ学位，目前主要　从事石油化工战略研究工作，已公开发表论文十余篇。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｘｕｅｊ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ＣＯＢ．ｃｎ　第５期　李雪静等．二氧化碳捕获与封存技术进展及存在的问题分析　·１０５·　ＣＯ，的排放税要低得多。　加拿大的Ｗｅｙｂｕｒｎ项目始于２０００年，通过将　美国北达科他州Ｂｅｕｌａｈ的大型煤气化装置中捕获　的ＣＯ，输送到加拿大Ｓａｓｋａｔｃｈｅｗａｎ省东南部的　Ｗｅｙｂｕｒｎ油田，用于提高油田采收率，目前每年注　入的ＣＯ，约为１５０ｘ１０４ｔ。　第三个项目是位于阿尔及利亚的Ｉｎ　Ｓａｌａｈ项　目，与Ｓｌｅｉｐｎｅｒ项目类似，也是将从天然气中分离的　ＣＯ，注入地下。年注入量约为１２０ｘ１０４ｔ。　通过将ＣＯ　封存入油气田，既可减少ＣＯ：排　放，又可提高油气田采收率，因此这项技术近年来　在世界范围内受到广泛关注，许多国家和大型石油　公司都开展了ＣＣＳ技术的研究与应用。除了Ｓｔａｔｏｉｌ　公司第一个实现了ＣＣＳ技术工业应用外，Ｓｈｅｌｌ、ＢＰ　和ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ等大公司也开展了相关的工作。　Ｓｈｅｌｌ公司参与了数个大规模的ＣＣＳ示范项　目。其中一项是ＺｅｒｏＧｅｎ项目，这是一个计划在澳　大利亚开展的低ＣＯ：排量燃煤发电项目；另一个项　目是与挪威政府及Ｓｔａｔｏｉｌ公司合作，在挪威哈尔滕　岛开展海上埋存ＣＯ　并提高原油采收率的项目，目　前这两个项目均处于可行性研究阶段。ＢＰ公司在　阿尔及利亚参与了一个Ｃ０：封存量约为１００ｘｌ＠ｔ／ａ　的合作项目；ＢＰ还宣布在美国加利福尼亚州Ｃａｒ．　ｓｏｎ建设世界上首套带有ＣＣＳ系统的工业规模的制　氢装置。ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ公司在美国Ｗｙｏｍｉｎｇ油田也开　展了ＣＣＳ现场试验工作。此外，ＢＰ、雪佛龙、埃尼、　Ｎｏｒｓｋ　Ｈｙｄｒｏ、Ｐａｎｃａｎｄｉａｎ、Ｓｈｅｌｌ、Ｓｔａｔｏｉｌ及Ｓｕｎｃｏｒ等石　油公司还共同合作，自２０００年实施了“二氧化碳捕　获计划（ＣＣＰ）”，共同开发从大型工业燃烧源中捕获　和分离Ｃ０　以及把Ｃ０：安全储存在地质构造中的　新技术Ｏ　３　ＣＣＳ技术存在的问题及解决途径　３．１二氧化碳泄漏　ＣＣＳ技术存在的最大风险是ＣＯ，在地质储层　中可能发生泄漏。如果封存在地质构造中的部分　Ｃ０：泄漏到大气中，考虑到未来ＣＯ：封存的规模可　能在亿吨级，那么释放出的ＣＯ：可能引发显著的气　候变化。此外，如果ＣＯ　从封存构造中泄漏到其他　地质构造，还可能给人类生活、生态系统和地下水　系统造成危害。　联合国政府间气候变化专门委员会（ＩＰＣＣ）对目　前的ＣＯ，封存地点、自然系统、过程系统的模式进　行了观测和分析，认为只要处置得当，９９％的注入　地下的ＣＯ，可以历经百年或千年保持稳定。随着时　问的推移，预计泄漏到大气中的风险会减小。　对于泄露到其他地质构造的风险，有两种可能　的情况需要防范。一是突然泄漏，即注入井破裂导　致泄露或通过废弃油井泄漏，可以用当今先进的控　制油气井井喷技术快速检测并阻止这种泄露。第二　种情况是逐渐泄露，即通过未被发现的断层、断裂　或漏泄的油井发生泄漏，这可能影响到饮用蓄水层　和生态系统。泄漏的潜在后果目前还很难定性，只　能依据封存地点与地质状况、封存和渗漏规模以及　泄漏点上方的实际情况进行判断。根据储层的特征　确定渗漏途径后，可以采取各种技术检测，并实施　补救策略ｌ　３ｌ。　谨慎选择和设计封存系统、早期采取检测泄漏　的方法是降低ＣＯ　泄漏相关风险的有效措施。ＩＰＣＣ　在２００６年制定的“二氧化碳地质封存风险评估与　管理框架”及同年编制的专项指南可用于指导解决　这些问题。研究表明，只要选择合适的封存地点，设　计管理得当。ＣＯ，可以安全储存长达数百万年。在　多种技术方案中，地质封存和海洋封存以其储量巨　大、有效期长而最具潜力，成为主要的研究方向＿２＿。　３．２技术难点　ＣＣＳ技术成本较高，单纯封存在经济上不可　行，封存和利用相结合才是可行的技术途径。实现　工业废气中ＣＯ，的捕获、封存与利用存在以下技术　问题。　①捕获与提纯技术有待继续改进。直接将工　业废气储存到地下，经济上不可行，要达到经济可　行必须对废气中的ＣＯ：进行提纯和液化。但在现有　的技术经济条件下，火电厂烟道气等气源的净化提　纯技术还是世界难题。目前，加拿大和日本正在试　验烟道气ＣＯ　提纯技术，要达到经济可行的３０％～　５Ｏ％的浓度尚需时日。　②防腐防垢问题。ＣＯ　在运输和储存过程中对　金属材质有强腐蚀性，必须使用特殊的运输和加注　设备。在注入过程中气体与岩层发生化学反应，极　易形成水垢堵塞通道，降低储存效率，所以必须研　究出合适的防腐防垢技术。　③ＣＯ：封存地点的选择。必须深入研究地质构　１０６·　中外能源　ＳＩＮ０一ＧＬ０ＢＡＬ　ＥＮＥＲＧＹ　２００８年　第１３卷　

造、岩石性质以及地理分布，并进行系统实验。　３．３成本高昂　ＣＣＳ技术成本包括捕获、输送与封存３部分，　每部分要消耗大量的能源，成本高昂。据估算，每封　存ｉｔ　ＣＯ　最高需要投入５２美元。目前还没有ＣＣＳ　技术成本计算的真实案例，仅有ＩＰＣＣ在２００５年对　发电厂的ｃｃｓ技术投资进行过估算。该估算结果表　明。应用ＣＣＳ技术使发电成本增加了约０．０１～０．０５　美元／（ｋＷ·ｈ１．具体成本将取决于燃料种类、特定技　术、场所及国家环境。但如果项目中包括ＥＯＲ，会　使ＣＣＳ造成的额外发电成本下降大约０．０１～０．０２　美元／（ｋＷ·ｈ）Ｌ　。　在不同国家。ＣＣＳ技术成本的绝对值和相对值　均有相当大差异。一般来讲。发电燃料市场价格上　涨会使ＣＣＳ技术的成本增加；石油价格对ＣＣＳ技　术的量化影响尚不确定。随着技术进步及规模经济　发展，ＣＣＳ技术的成本将会降低。　在大多数ＣＣＳ系统的成本中，捕获（包括压缩）　所占比例最大。由于地区差异，不同ＣＣＳ系统的成　本存在较大差异．主要决定因素包括应用ＣＣＳ技术　的电厂或工业设施的设计、运行和投资，使用燃料　的类型、成本和运输距离，ＣＯ　的输送地形和输送　量，以及封存ＣＯ：的类型和特点等。此外，当前及今　后ＣＣＳ技术的组成部分和系统的绩效与成本的关　系仍然存在不确定性。可以肯定的是，随着时间的　推移和技术的持续进步，建设和运行ＣＯ，捕获系统　的成本将逐渐下降。　３．４公众认知不够　据美国、英国、瑞典和日本开展的问卷调查及　现有的研究表明，公众对ＣＣＳ技术几乎没有了解。　如果将ＣＣＳ技术作为减缓气候变化的方案进行调　查，那么迄今为止所开展的一些有限的研究表明。　ＣＣＳ技术还没有像其他方案ｆ如提高能源效率和使　用非化石能源等）那样得到普遍认可。实际上，当前　应用ＣＣＳ技术的电厂比没有使用ＣＣＳ技术的电厂　多消耗２５％　５０％的能源．显然是不利于可持续发　展的。进一步发展ＣＣＳ技术，除了要逐步减少能　耗，还必须获得政府的政策法规和财税支持，因此　广泛的公众认可基础也必不可少。　４我国ＣＣＳ技术发展概况　我国于１９９２年６月和１９９８年５月分别签署了　《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》。作为　发展中国家。我国近期不必承担减少或限制温室气　体排放的义务。但我国ＣＯ：排放总量大，目前已位　居世界第二，仅次于美国。据有关专家初步估算，预　计２０２５～２０３０年左右，我国ＣＯ：排放量将达到６７￣　１０ｓｔ。成为世界第一大排放国。作为负责任的大国，　我国政府高度重视气候变化与温室气体排放问题，　１９９０～２００５年间我国万元ＧＤＰ能耗年均下降率达　４．１％。相当于节约８×１０ｓｔ以上标准煤，减少了１８￣　１０ｓｔ　ＣＯ，排放『７Ｊ。同时，政府提出了在２００６～２０１０年　间单位ＧＤＰ的能源消耗降低２０％的节能减排目　标。政府也明确表示，在可持续发展的框架下，与国　际社会一起，积极寻求应对气候变化的有效途径，　并根据自己的能力和国情为减缓气候变化做出应　尽的努力。　国家对ＣＣＳ技术的发展给予了高度重视，ＣＣＳ　技术作为前沿技术已被列入国家中长期科技发展　规划；在国家科技部２００７年的《中国应对气候变化　科技专项行动》中，ＣＣＳ技术作为控制温室气体排　放和减缓气候变化的技术重点被列入专项行动的　四个主要活动领域之一。“十一五”期间，国家“８６３”　计划也对发展ＣＣＳ技术给予很大支持。２００７年６　月国家发改委公布的《中国应对气候变化国家方　案》中强调重点开发ＣＯ　的捕获和封存技术，并加　强国际间气候变化技术的研发、应用与转让。　我国与国际社会一起积极开展了ＣＣＳ技术研　究与项目合作。２００７年启动了“中欧碳捕获与封存　合作行动ｆＣＯＡＣＨ）”，１２个欧方机构和８个中方机　构参与了ＣＯＡＣＨ行动。２００７年１１月２０日，启动　了“燃煤发电二氧化碳低排放英中合作项目”　。　２００８年１月２５日，中联煤层气有限责任公司ｆ以下　简称“中联煤”１与加拿大百达门公司、香港环能国　际控股公司签署了“深煤层注入／埋藏二氧化碳开　采煤层气技术研究”项目合作协议。自２００２年以　来，中联煤和加拿大阿尔伯达研究院已在山西省沁　水盆地南部合作，成功实施了浅部煤层的ＣＯ　单井　注入试验［９１。　中国石油作为肩负经济、政治和社会责任的大　型国企．为展现保护环境的良好社会形象，率先在　国内开展了利用ＣＣＳ技术提高油田采收率的研究　与应用工作，于２００７年４月启动了重大科技专项