CO2捕集封存技術的應用與安全發展研究

＊張 帥

（陜西警官職業學院 陜西 710054）

引言

CCS作為碳減排技術之一，具有高效的減排能力，可降低70%～82%的碳排放量，主要優點是減排潛力大、可促進煤等化石能源的清潔利用，同時CCS可應用于電力、能源（例如天然氣開采、制氫）以及減排難度較大的制造業（例如水泥、化工、鋼鐵）等行業的減排。對于中國實現碳中和目標具有重要意義：（1）化石能源實現低碳化利用的重要技術途徑是CCS。（2）CCS可彌補一些傳統碳減排手段帶來的負面作用，例如助力電力行業保持靈活性。（3）當前技術情形下，鋼鐵、水泥等行業凈零排放離不開CCS技術。（4）負碳技術是部分工業過程以及難減排行業的重要減排路徑之一。（5）CCS是制備低碳氫氣的有效途徑。所以CO2捕集封存技術被政府、企業以及科研機構視為未來實現低碳經濟轉型的關鍵環節，引起了國際社會的研究興趣。

1.CO2的排放現狀及減排目標

目前，我國CO2排放量達到100億噸左右，大約占全球的四分之一，年度人均排放已經超過全球人均水平。我國目前的人均國內生產總值（GDP）剛超過1萬美元大關，從現在到2060年碳中和，人均能源消耗的繼續增長是不可避免的，而與西方國家相比，我國要將碳中和的時間由70年壓縮到30年左右，難度較大。

我國目前的一次能源消費總量約為每年50億噸標準煤，其中煤炭、石油、天然氣的占比分別為57.7%、18.9%、8.1%，非碳能源的占比僅為15.3%。100億噸CO2的排放，發電（供熱）占比45%，建筑占比5%，交通占比10%，工業占比39%，農業占比1%。發電（供熱）的主要終端消費者為工業（64.6%）和建筑（28%）。從以上數據可以看出，CO2的終端排放源主要為工業（約占68.1%）、建筑（約占17.6%）和交通（約占10.2%）。因此，實現碳中和工作的著力點也應該集中在這些領域。而CCS技術的出現，可以有效地減少碳排放。

2.CO2捕集封存技術方法分析

CO2捕集封存技術是指利用技術手段先將CO2從工業或者其它能源相關產業的排放源中分離出來，再選擇合適的輸送技術將分離的CO2輸送到封存地點，并使其能夠長期與大氣隔絕。因此，一套完整的CCS技術包括了：CO2的捕集、CO2的運輸、CO2的封存3個環節，每個環節中有多種方法可供選擇，也就形成了多種技術互相組合的獨特CCS系統。

(1)CO2的捕集

CCS技術中的CO2捕集環節是將CO2從排放源的煙氣中捕獲回來，并將氣態的CO2轉化為CO2的高壓濃縮液，避免讓CO2排入大氣，是CCS技術的基本環節。目前，人們通常將CO2捕集系統按照捕集系統的技術基礎和適用性劃分為以下4種：燃燒后脫碳（Post-combustion）、燃燒前脫碳（Pre-combustion）、富氧燃燒技術（Oxyfuel）以及化學鏈燃燒技術（CLC）。但是針對燃煤電廠排放的CO2捕獲分離系統主要是前三種，也是研究相對較多、相對更成熟的三種技術（如圖1所示）。

①燃燒后捕集

燃燒后捕碳技術（PPC）就是在燃燒設備（鍋爐或燃機）后的煙氣中捕獲或者分離CO2。這種技術是目前最能夠適應燃煤和燃氣機組巨大安裝容量的技術。一般包括吸附分離法、膜分離法和吸收分離法，其中吸收分離法又可分為物理和化學兩種方法。近年來，還研究開發出了許多新方法如電化學法、酶法、光生物合成法、催化劑法等。但是目前比較常用的是化學吸收分離法。

②燃燒前捕集

其主要反應過程如下：首先將一次燃料在一個有蒸汽和空氣或蒸汽和氧氣的反應器中處理，產生的主要成分為一氧化碳和氫的混合氣（“合成”氣）；然后在第二個反應器內（“變換反應器”）將第一次的反應產物一氧化碳和蒸汽再進行反應，生成氫和CO2。最后可以從由氫和CO2組成的混合氣體中分離出一個CO2氣流和一個氫流。如果將CO2進行封存，則剩下的氫流就成為無碳能源載體，可用來燃燒發電。

③富氧燃燒捕集

富氧燃燒技術是指將空氣系統中獲得的純氧或富氧與燃料一同送入純氧燃燒爐中進行燃燒，產生的煙道氣體主要為水氣和高濃度的CO2，并且CO2煙氣循環流是控制這個系統燃燒溫度的主要因素。富氧燃燒技術適用于新機組，也適用于一些改造機組中，在機組的后端都采用水分離技術對煙道氣體進行處理，可以比較容易地捕獲到CO2。

(2)CO2運輸

目前，CO2的運輸方式主要有管道、輪船和罐裝運輸三種方式，這三種CO2的運輸方式適合不同的運輸場合和條件，選擇運輸方式時需要考慮系統的具體條件、要求輸送量等因素。其中，管道運輸是一種比較成熟的技術，也是運輸二氧化碳最常用的方法，一次性投資較大，適合大容量、長距離、負荷穩定的定向輸送。罐裝運輸主要通過鐵路或公路進行運輸，僅適合中短距離、小容量的運輸，其運輸方式相對靈活，但大規模使用不具有經濟性。輸送大量CO2最經濟的方法是通過管道運輸。

(3)CO2封存

地球上大部分的碳能源都儲存在地層中，比如煤、石油、煤層氣、石灰石和白云石等。所以碳封存技術就是把捕集到的CO2安全的儲存到地球的地質結構中，從而能使得大氣中的CO2含量得到有效降低。目前的CO2儲存技術包括海洋儲存、地質儲存和生物儲存，如表1所示。

表1 封存方法比較

3.構建燃煤電廠與煤礦之間的CCS系統

結合CCS技術不同環節各種方法的優缺點，選取能普遍適用于目前大多數燃煤電廠的CCS技術方法，并將其應用于燃煤電廠與煤礦組合的系統之中，如圖2所示。其目的在于：可以有效的將燃煤電廠釋放的大量CO2收集起來，并經過捕集過程中的方法處理之后，使其轉化成高純度的液態CO2，再將液態CO2輸送到煤礦，對其封存或利用。

針對燃煤電廠與煤礦系統，可以確定出一套最優的方案：首先，采用燃燒后捕獲的方式對燃煤電廠排放的尾氣進行收集，其中CO2捕集環節使用化學吸收的方法，此種方式捕集效果最好，能得到高純度的CO2，并且對原燃煤電廠的改造較少，適應性較強。

其次，針對選擇燃煤電廠與煤礦之間CO2輸送方式的問題，考慮到燃煤電廠供應CO2的量大，所以可以盡量選擇距離相對較近的煤礦進行輸送，使用技術比較成熟的管道輸送方式對燃煤電廠與煤礦之間CO2轉運。最后，將大量的液態CO2運送到煤礦之后，可以選擇利用與封存兩種方式處理。就封存方式而言，液態CO2具有很好的冷卻效果，并且其本身就是一種惰性氣體，所以可以將液態CO2輸送至已開采完畢的礦井或采空區，一方面可以阻止采空區復燃，起到降溫防滅火的效果。第二方面就是在對采空區進行密封時，同時也就完成了對CO2的地質封存。將CO2輸送至煤礦后，CO2的利用也是相當廣泛的，比如：CO2可以作為礦井的防滅火材料；CO2可以驅替煤層瓦斯，減少礦井瓦斯危害；CO2還可以用于壓裂增產。

根據國際能源署估算，CCS系統中CO2捕捉每噸20～100美元，運輸每噸5～25美元，封存每噸2～15美元。成本昂貴，還沒有實現成熟的商業模式。基于碳中和政策目標，搭建燃煤電廠和煤礦之間的CCS系統的道路還比較漫長。

4.結論

我國正處在減少CO2排放和提高煤化工快速發展的重要時期，我們迫切需要應用CCS技術來減少大氣CO2含量，防止溫室效應加劇，同時提高化石燃料的使用效率，使我國工業、經濟、能源達到動態穩定、可持續發展。

通過對比分析，可以得出捕集封存環節中各個方法的優缺點及適用范圍，有利于形成適用性優良的CCS系統，實現大氣CO2的有效降低。同時，本次研究形成了適用于燃煤電廠與煤礦之間的CCS系統，明確各技術環節的具體方法。采用燃燒后捕集化學吸收的方式，在減少對目前燃煤電廠改造的基礎上，實現對CO2的最高程度的收集。再將收集得到的高濃度CO2壓縮液通過管道輸送的方式運輸至煤礦，煤礦在接收到大量的CO2后，不僅可以加以利用，也可以將其封存于采空區或廢氣礦井，這種方式不但可以處理掉大量CO2氣體，減少溫室氣體排放于大氣中，而且還有利于煤礦降低危害，實現增產。