CO2處置及資源化利用研究

王占英(河北省眾聯(lián)能源環(huán)保科技有限公司，河北 石家莊 050031)

減少CO2向大氣排放的一個主要的方法是將其與大氣隔離，當前已有一些方案用于長期儲存所捕獲的人類來源的CO2，包括:儲存于地質(zhì)構(gòu)造(如油、氣田，煤層和地下鹽水層)、將CO2注入深海、將CO2轉(zhuǎn)化為其它熱動力學穩(wěn)定的礦物或重碳酸根鹽鹵水等[1-2]。近20年，國際上已開始對CO2的地下處置進行專門系統(tǒng)的研究，研究的內(nèi)容包括了CO2地下處置的基本概念、處置的方式、處置的容量、處置的安全性以及在法律、經(jīng)濟、社會、技術(shù)方面的障礙。

1 鹽巖CO2處置

按CO2處置所在的地質(zhì)介質(zhì)來分，CO2地下處置的方法主要有:①高孔隙率和高滲透性的含水層；②廢棄或仍在使用的油氣田[3]；③深部含瓦斯煤層，提高煤層中天然氣的采集率(EC?MB)；④天然或人造的地下洞穴；⑤以固體CO2水合物的形式儲存在海洋底部[4]。在目前的研究中，對其中前3種處置方式研究得較多，對第4種處置方法的研究還處于起步階段。利用地下洞穴處置/儲存CO2的研究相對較少，最理想的天然或人造地下洞穴是鹽巖溶腔。由于鹽巖CO2處置與鹽巖能源(石油、天然氣)儲存面臨類似的科學問題和技術(shù)難題。

1.1 鹽巖CO2處置概況

近10年來，對地下鹽巖溶腔作為處置庫封存后的THMC性能引起了越來越多的關(guān)注。SMRI自1996年開始將這個問題作為其核心研究項目，開展了一系列的工作，并得到了美國能源部的資助[5]，鹽巖CO2處置封存作為下一個對鹽巖溶腔的重要的利用也是其中之一。加拿大地質(zhì)研究院以Alberta的Lotsberg層狀鹽巖層為研究對象，分析了該處層狀鹽巖的基本力學特性、實施CO2地質(zhì)處置的地質(zhì)條件、可行性以及需要重點關(guān)注的基礎研究。

1.2 鹽巖CO2處置優(yōu)點

國外研究表明，相對于其他地下CO2處置方法，鹽穴處置CO2的優(yōu)點有:①造腔的鹵水具有經(jīng)濟價值；②鹽巖具有低滲透性，并且鹽巖周圍的巖石也會在相當范圍內(nèi)被成晶體的鹽填充孔隙，只有井筒和頂板出現(xiàn)裂縫才會成為CO2泄漏的通道；③鹽巖具有損傷恢復和自愈合功能；④相對其他CO2地下處置方式，鹽穴中的CO2具有更集中的特點；⑤CO2的注入和排放率不受地下孔隙介質(zhì)的影響，僅與鹽穴管道輸送系統(tǒng)的能力有關(guān)；⑥任何時候都可以對地下鹽穴中的CO2進行快速的評價，并且能夠在未來提取高純度的CO2進行利用；⑦即使發(fā)生泄漏，大部分CO2也會留存在地質(zhì)介質(zhì)中，而不會突然進入大氣層；⑧近50年來鹽穴地下能源(石油、天然氣)儲存庫的研究為鹽穴CO2處置積累了豐富的理論研究基礎和工程經(jīng)驗。

2 CO2的海洋封存

2.1 CO2的海洋封存

海洋所固定的碳約為大氣中的50倍，是陸地生物圈所同定的20倍。已有研究表明，海洋吸收了人類己排放CO2的30%左右，且在長期尺度上大約85%的人類排放的CO2最終可被海洋所吸收。C02的海洋封存是指將捕獲的CO2儲存在深海或海床上以及海底沉積物之下，使之與大氣隔離的一種封存方式。

2.1.1 水體封存

由于CO2大氣隔離的程度隨水深的增加而增加，通常認為將CO2注入到溫躍層之是有效的。根據(jù)海底地形型及注入的方式，液化的CO2可直接注入海水中或在海底形成CO2湖。液化的CO2被注入海水，將溶解于周圍的海水中，成為為海洋碳循環(huán)的部分，因此，CO2的海水封存的有效性取決丁注入的CO2是否完全溶解于海水中，且不會在短期內(nèi)返同到大氣中而達到長期和人氣隔離的目的。溶解于海水中的高濃度的CO2將增大海水的密度并形成羽狀流，如果注入足夠的深度，則液態(tài)的CO2可完全溶解于海水中，或沉降到海底形成由液化CO2和CO2水合物構(gòu)成的湖泊。

2.1.2 海底沉積物封存

由于海洋混合作用將導致注入的CO2最終再救釋放創(chuàng)人氣中，為了確保深海洋流不將CO2攜帶到淺水區(qū)，可將CO2注入到海底之下的沉積物中。Koide等(1997)是最早提出采用深海沉積物儲存CO2的，他們提出將CO2粘土-粉煤灰溶液和CO2(I)儲存在幾十米厚的海洋沉積物之下。他們建議了三種深度的沉積物來儲存溶解的CO2，即淺水區(qū)海底(<300m)，深海底(300-3700m)和超深海底(>3700m)。

3 CO2在采油和氣過程中的資源化

一直到70年代，CO2-EOR技術(shù)以其適用范圍大、驅(qū)油效率高等優(yōu)勢，在世界各國受到廣泛的重視。目前研究趨勢是提高采收率和地質(zhì)封存一體化。CO2-EOR過程受到孔喉大小分布、重力、潤濕性和表面張力等因素影響，采收率和注氣效率也會有很大差別。

易混溶氣體注入油層，可以提高采油收率。研究發(fā)現(xiàn)CO2和乙烷作為部分混溶氣體在注入過程中是以液相形式擴散，這為以后的試驗研究指明了方向，即研究多孔介質(zhì)內(nèi)兩相和多相流動狀態(tài)。分別以不同的方式注入CO2，得到石油采收率和CO2最終埋存量，并對其進行比較。結(jié)果表明注入可以實現(xiàn)最優(yōu)化，同時油藏壓力對于控制最優(yōu)化參數(shù)也有很大的影響。利用油井水泥來增加注入井內(nèi)CO2的埋存時間及提高采收率，研究發(fā)現(xiàn)油藏的蓋層影響埋存時間和埋存量。

提高天然氣采收率CO2-EGR技術(shù)的主要原理是剩余天然氣恢復壓力法，即將CO2高壓注入地層并恢復地層壓力。提高煤層氣采收率的技術(shù)原理與CO2-EOR有些不同，但與CO2-EGR比較相似。煤層因其表面孔隙具有不飽和能，易與非極性分子之間產(chǎn)生范德華力，從而具有吸附氣體的能力。根據(jù)煤對不同氣體吸附能力的差異，來實施CO2-ECBM。

4 結(jié)語

研究表明，只要封存地點選擇得當，設計和管理完善，可以實現(xiàn)CO2的長期安全封存。CO2封存包括海洋封存和地質(zhì)封存，其中海洋封存包括將CO2直接溶入海水或封存于海底，可以實現(xiàn)最快最大量的CO2減排，但是CO2注入對海洋環(huán)境和生物的影響不確定，海洋封存以其儲量巨大、有效期長而最具有潛力，目前處在研究階段。地質(zhì)封存是將CO2埋存在油氣藏和煤氣層等，可以實現(xiàn)CO2永久封存，同時也提高石油采收率(EOR)、氣體采收率(EGR)和煤田采收率(ECBM)，形成雙贏局面。目前來看，CO2封存也存在著一些問題和挑戰(zhàn)，一方面封存機理仍有待于進一步闡明，封存技術(shù)也有待于進一步研究；另一方面，捕獲、壓縮、運輸、注入CO2的成本仍很高，真正大規(guī)模的實際應用還需要一定的時間。

[1]崔振東,劉大安.中國CO2地質(zhì)封存與可持續(xù)發(fā)展[J].中國人口.資源與環(huán)境,2010.3:10-13.

[2]HOLLOWAY S.Underground sequestration of carbon di?oxide a viable greenhouse gas mitigation option[J].Energy,2005,30:2318—2333.

[3]ZHANG XIAO YU,CHENG JIAN MEI,LIU JUN.An over?view of underground sequestration of carbon dioxide[J].Hydrogeolo?gy and Engineering Geology2006，(4):86—89.