二氧化碳的捕捉与封存技术

二氧化碳的捕捉与封存技术环境92段建龙郭祖啸耿旭昌袁全胜概要一、二氧化碳的来源及排放二、二氧化碳的捕捉三、二氧化碳的封存四、CCS应用现状及未来发展趋势一、二氧化碳的来源及排放二氧化碳的来源二氧化碳的主要排放源为化石燃料燃烧其中，化石燃料使用所释放的的二氧化碳量占人类活动二氧化碳的排放量的80%以上，而人类毁林行为和生物代谢排放的二氧化碳量占全球温室气体排放总量的17.3%化石燃料消费比重423722051015202530354045（%）石油消费煤消费天然气消费化石燃料排放二氧化碳比重需要注意的是，高碳氢比的化石料释放的二氧化碳的量相对较高，煤燃烧释放的二氧化碳量比天然气高80%比石油高出约25%，而石油又比天然气高40%。据统计全世界消费煤、石油和天然气以及放空天然气的燃烧的排放的二氧化碳总量从1993年碳当量（1t碳当量相当于3.667t二氧化碳）增长到2009年的碳当量，增加了32.3%。1993～2009年间，化石燃料的二氧化碳排放量年均增长1.8%。t81063.58t81054.77美国、中国、俄罗斯、日本和印度是世界5个最大的二氧化碳排放国全球二氧化碳排放现状及特征全球二氧化碳排放总量持续增长自工业革命以来，全球经济保持较高的增长度，工业和交通运输业占经济的比重在相当长的时期内持续上升，化石能源消费的迅速增长，导致了全球二氧化碳排放量的急剧增长，并且保持了持续增长的态势。■特征：⑴主要集中于化石能源消费集中的行业，如电力、工业、交通运输等部门；⑵工业化发达国家是二氧化碳的排放主体（这里主要指历史积累排放量）；⑶发展中国家呈现迅速增长的态势估计到2020年，全球的能源消费增长将达到60%，主要增长将发生在发展中国家，其增速将171%，这也就意味着全球二氧化碳的排放量将同比增长。二氧化碳的环境效应二氧化碳增加温室效应全球变暖地球气候和生态系统的破坏农作物大面积减产，农业生产遭受毁灭性打击减少CO2排放量，目前主要有3种方式：（1）降低能源强度（2）减少碳排放强度（3）加强CO2隔离二、二氧化碳的捕捉吸收法分离技术吸附法分离技术膜分离技术化学链燃烧技术吸收法分离技术吸收法分离吸收分离技术物理吸收法化学吸收法CO2化学吸收法分离CO2的工艺流程化学吸收法是分离回收二氧化碳比较成熟的一种方法。二氧化碳分离与回收技术中以化学溶剂吸收法研究的最多，也被认为是最经济可行的方法之一。但是化学吸收法的缺点是化学溶剂再生时需要对溶剂进行加热能耗很大，因此，吸收溶剂再生技术对吸收分离技术的发展相当重要。吸附法分离技术吸附法分离二氧化碳是利用一些特殊的吸附材料，采用物理或者化学的方法对二氧化碳进行吸附分离的技术。原理根据langmuir吸附等温线可知，在同一温度下，吸附质在吸附材料上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附材料上的吸附量随吸附温度的上升而减少，换言之，加压降温有利于吸附质的吸附，降压升温有利于吸附质的解吸或吸附材料的再生。按照吸附材料的再生方法将吸附分离循环过程分为两类，分别是变温吸附和变压吸附。在较高压力下进行吸附，在较低压力（甚至真空状态）下使吸附组分分离出来。由于吸附循环周期短，吸附热可供给解吸用，因此吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化很小，可以近似看做等温过程。变压吸附（PSA）变温吸附（TSA）在较低温度（常温或更低）下进行吸附，在较高的温度下使吸附的组分解吸出来。变温吸附过程是在两条不同温度的等温吸附线之间移动进行着吸附和解吸的。吸附剂是变压吸附的关键和核心，吸附剂的吸附性能在一定程度上决定了变压吸附工艺的分离效果。可供变压吸附法回收二氧化碳的主要气源：•油田伴生气•石灰窑气•合成氨变换气•甲醇裂解气•氨长脱碳尾气烟道气•……等等膜分离技术膜分离技术的基本原理是：根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜传递速率的不同从而达到分离目的。F——渗透气在单位时间内通过单位面积的扩散速率D——渗透气在一定温度下的扩散系数C——渗透气在膜中的浓度X——膜厚度方向的坐标二氧化碳膜分离法是当今世界上发展迅速的一项节能二氧化碳分离技术，它具有装置简单、操作容易、投资费用低等优点。迄今已被工业上付诸应用的二氧化碳分离膜材质主要有醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚枫等。它是一种抗化学性、耐高温和机械性能均佳的高分子,几乎不溶于所有溶剂而仅与一种特殊溶剂混溶,可得成膜性能良好的料液。各种气分用高分子在具体生产应用时,首先必须制成一定的构型,例如中空纤维型和平板型,然后再把它们组装成膜组件其中平板型是被做成螺旋卷型并按一定流程排列作业。美国等世界发达国家于20世纪70年代开始积极开展利用膜技术脱除二氧化碳的可行性研究。70年代末美国Cynara公司开发出了二氧化碳膜分离装置，随后美国EnvirogericsSystem公司开发一种新型螺旋式醋酸纤维素膜组件二氧化碳分离装置，用于从天然气中分离回收二氧化碳，取得了较好的经济效益。80年代末期，德国研发的二氧化碳膜分离装置将分离出的二氧化碳合成甲醇燃料，实现可用物质的循环使用，达到了二氧化碳等气体的“零排放”。目前二氧化碳膜分离法的工业化应用主要集中在天然气净化机强化原油回收伴生气中的二氧化碳回收。我国在膜材料和分离研究方面起步较晚，研究力量较为薄弱，研究内容偏重于膜材料的和膜的制备，对组件装置及过程优化等方面的研究有待加强。化学链燃烧技术化学链燃烧技术（chemical-loopingcombustion,CLC)是一种崭新的洁净燃烧技术。在该技术中，燃料和空气不直接接触，无需消耗额外的能量即可将二氧化碳从燃烧产物中直接分离出来，实现了燃烧和分离的一体化，并且还可以控制氮氧化物的生成，此外，化学链燃烧系统还实现了能量的梯级利用，使得该系统的热效率很高。化学链燃烧技术是解决能源与环境问题的创新突破口。这种能量释放方法是新一代的的能源环境动力管理系统，它开拓了根除燃料型、热力型氮氧化物的产生与回收二氧化碳的新途径。金属氧化物（MO）与金属（M）在两个反应之间循环使用，一方面分离空气中的氧，另一方面传递氧，这样，燃料从MO获取氧，无需与空气接触，避免了被氮稀释。燃料侧的气体生成物为高浓度的二氧化碳和水蒸气，用简单的物理方法，将排气冷却，使水蒸气冷凝为液态水，即可分离回收二氧化碳，燃烧分离一体化，不需要常规的二氧化碳分离装置，节省了大量能源。为燃料反应器的吸热反应提供低温热，因而提高高温空气反应器产生的热量。二氧化碳的其他捕集技术◆生物固氮◆固氮农业◆生物质能源三、二氧化碳的封存技术目前可行的二氧化碳封存或处置方式有四种，分别是：▲地质（地下）封存▲海洋封存▲矿石碳化▲陆地生态系统封存■地质（地下）封存二氧化碳的地质封存是将二氧化碳压缩液注入地下岩石构造中，含流体的或曾经含流体的（图天然气、石油或盐水）的多孔岩石构造（如枯竭的油气储层）都是潜在的二氧化碳封存点，在陆地和沿海的沉积盆地存在适合二氧化碳的地质构造。另外假设煤层有充分的渗透性且这些煤炭以后不可能开采，则该煤层也可用于封存二氧化碳，该研究正处于示范阶段。■海洋封存一个潜在的二氧化碳封存方案是将捕集的二氧化碳直接注入海洋（1000m深度以上），大部分的二氧化碳将再此与大气隔绝几个世纪。该方法的实施途径是通过管道或船舶将二氧化碳运输到海洋封存点，在该封存点将二氧化碳注入海洋的水柱体或海底，被溶解和消散的二氧化碳随后会成为全球碳循环的一部分。该方法还处于研究阶段，尚未应用。■矿石碳化矿石碳化封存二氧化碳是利用二氧化碳与碱和碱土氧化物（如碳酸镁和氧化钙）发生化学反应，将二氧化碳转化成为固体的无机碳酸盐（如碳酸镁和碳酸钙），从而使二氧化碳得到固定。■森林和陆地生态系统封存森林和陆地生态系统封存是指通过保护森林、重建森林（退耕还林）和植树造林等措施加强森林和陆地生态系统吸收二氧化碳的能力来达到控制二氧化碳含量的目的。CO2排放与气候变化的关系（依据IPCC2007评估报告）温度增加/℃所有的GHGs(折CO2当量)/(×10-6)CO2/(×10-6)2050年CO2排放（相当于2000年排放的百分比）/%2.0~2.4445~490350~400-85~-502.4~2.8490~535400~440-60~-302.8~3.2535~590440~485-30~+53.2~4.0590~710485~570+10~+60四、CCS应用现状及未来发展趋势概述•CCS情景：ACTMapBLUEMap•各地区、各国二氧化碳捕集和封存（CCS）最新动态•环境公约与保护法•公众意识和公众支持两个Map情景ACTMap情景BULEMap情景50美元/吨200美元/吨二氧化碳减排激励设想•电力生产•工业和燃料转化过程ACTMap35GtCO2减排化石燃料转化和效率17%核能6%终端使用燃料1%终端使用燃料效率28%电力终端使用效率16%电气化2%全部可再生能源16%电力行业CCS8%工业及能源转换部门的CCS6%BLUEMap48GtCO2减排终端使用燃料效率,24%终端使用燃料,1%化石燃料转化和效率,7%核能,6%工业及能源转换部门的CCS,9%电力行业CCS,10%氢动力汽车,4%全部可再生能源,21%电气化,6%电力终端使用效率,12%2050年相对于基准情景，ACTMap和BLUEMap情景下二氧化碳减排量在技术层面的比较ACTMap情景5.1GtCO2捕集量工业部门,12%燃料转化部门,20%电力生产部门,68%BLUEMap情景10.4GtCO2捕集量工业部门,20%燃料转化部门,26%电力生产部门,54%ACTMap情景和BLUEMap情景中CCS的使用CCS对电力生产预测•电力生产消耗了全球总化石燃料消耗量的32%，其二氧化碳排放占能源相关二氧化碳排放的41%•基于对电力生产能效提高潜力的预测，提高电力生产效率为减少对化石燃料的依赖、帮助应对气候变化和提高能源安全提供了重要机遇•这也是使CCS能够得以应用的一个关键步骤，因为捕集和封存过程只在高效率电厂才有意义由此得到，在ACTMap和BLUEMap情景下装备CCS电厂的电力生产分析表ACTBLUE2030(TWh/a)2050(TWh/a)2030(TWh/a)2050(TWh/a)煤炭燃烧后捕集改造1971880951241IGCC6762083165426粉煤燃烧+富氧燃烧4259086163801传统粉煤燃烧0000全部煤电129948728755468天然气NGCC+化学循环0089612NGCC+烟气去除8827483282NGCC+富氧燃烧003531741工业NGCC+CCS1130193512512823天然气发电总量1218196221775458生物质设备改造000377BIGCC0000黑液气化297402368458生物质发电总量297402368835总计281472373420117612050年相对于基准情景、ACTMap情景和BLUEMap情景下的工业二氧化碳减排量工业和燃料转化过程中的CCS预测2050年，ACTMap情景和BLUEMap情景下分部门工业二氧化碳减排分类各地区、各国二氧化碳捕集和封存（CCS）最新动态在世界上大多数国家和地区，CCS被认为是一种重要的温室气体（GHG）减排方案。许多地区的政府，为了保障CCS的实施，正在逐一制定相关能源和环境的政策框架，但仍然存在许多不足。欧盟2007年1月10日《欧盟能源政策》事项：•欧盟承诺到2020年之前将温室气体排放量在1990年的水平基础上至少减少20%•强制性欧盟目标，争取实现到2020年，欧盟20%的能源消费将来自可再生能源，其中包括10%的交通燃料应当来自可持续性生物制能源。该战略包括若干CCS的建议：（1）到2015年建立12个大型燃煤和天然气电厂示范项目（2）在2020年将CCS应用到所有新投入使用的燃煤发电厂，要求所有新发电厂2020年之前做好捕集准备，并在2020年以后迅速改进其设备。欧盟1998-2006年CCS研发项目汇总•先