CCS二氧化碳捕集与封存

浅谈CCS技术（碳捕集与封存）（CARBENCHAPTURE&STORAGE）李丽娇主要内容•全球与中国环境背景•CCS的主要技术环节•捕集方法•运输能力•封存技术•CCS的全球性应用•CCS普及面临问题全球环境背景全球气候变化，温室效应严重，冰川加速融化、生物环境恶化以及极端天气频繁等一系列问题，促使人们开发各种技术以减少ＣＯ２排放。国家2004200520062007200820092010中国4847.305429.336017.656467.96908.07519.38333.4美国5969.285994.295902.756565.36369.15941.96144.9印度1118.41172.91222.41325.51442.51539.11707.5中、美、印二氧化碳排放总量单位：百万吨资料来源：BP，StatisticalReviewofWorldEnergy2011中国能源背景中国在能源与环境领域面临三个基本事实：•（1）能源消费将长期以煤为主；•（2）石油供应日趋紧张；•（3）二氧化碳排放总量已居全球第一，并仍将持续增长。在应对全球气候变化的背景下，如何利用好储量相对比较丰富但却高碳的煤炭资源？•CO2捕集与封存技术(CarbonCaptureandStorage，CCS)被广泛认为是目前唯一能够大规模减少由于化石能源利用而导致的CO2排放的前沿技术。是在不降低当前化石燃料使用量的情况下减少排入大气CO2气体量的手段，是世界各国普遍关注的减缓温室气体排放的重要技术之一。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的定义，CCS是指CO2从工业或与能源相关的排放源中分离出来，输送到一个合适的地点，进而埋存到地下并长期与大气隔绝的过程。CCS技术主要环节----捕集•CO2捕集是指为得到较高纯度的CO2以便于运输和储存，将CO2从工业尾气中分离出来并进行压缩的过程。•主要对象：大型发电厂钢铁厂水泥厂炼油厂、合成氨厂等CO2的集中排放源。•捕集方式•燃烧前捕集(Pre-combustion)、•富氧燃烧(Oxy-fuelcombustion)•燃烧后捕集(Post-combustion)。•CO2的运输将CO2压缩成液态，通过管道或汽车、火车、轮船等运输工具运至存储地，是连接CO2排放源和封存地的纽带，在CCS三大环节中，CO2运输技术较为成熟。•一般说来，管道是最经济的运输方式，是距CO2排放源1000km距离内大量输送CO2的首选途径。•对于每年几百万吨以下的CO2输送或是更远距离的海外运输，使用轮船可能在经济上更有吸引力。CCS技术主要环节----运输CO2封存是指将捕集的CO2以超临界状态(气态及液态的混合体)安全注入并封存在深层地质结构中。封存地类型海洋陆地（衰竭油气层和煤层沉积盆地的咸水层）CO2的安全封存安全性经济可行性CCS技术主要环节----封存碳捕集方法•(1)燃烧前捕集：在燃料煤燃烧前，先将其气化，得到CO和H2，再将CO转化为CO2。然后通过分离得到CO2。•(2)富氧燃烧捕集：利用空分系统将CO2从空气中分离出来。得到高浓度的O2，使燃料煤充分燃烧，然后得到较充足的CO2。•(3)燃烧后捕集：将燃料煤燃烧后产生的烟气分离，得到CO2。燃烧前捕获(IGCC)•燃烧前捕集技术主要应用于整体煤气化联合循环系统(IGCC)上。IGCC电厂以纯氧为氧化剂，原料煤被气化为CO和H2O。煤气化产物在催化剂作用下经水煤气反应转化成CO2和H2的混和气。混和气中的CO2浓度较高(35%～45%),可在燃烧前除掉CO2，从而转化成不含碳的燃料。•其优势在于处理的烟气量少，CO2浓度较高，有利于降低运行费用。中国有5个示范项目：华能天津200MWIGCC电站示范工程中科院连云港IGCC示范工程华电杭州200MWIGCC(水煤浆四喷嘴气化)电站示范项目广东东莞天明电厂120MWIGCC改造项目太阳洲4×200MWIGCC新建项目，富氧燃烧•利用空分系统获得富氧或纯氧，与燃料共同进入专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，由CO2烟气循环流控制燃烧温度。富氧燃烧产生的烟气主要是水和CO2,采用水分离技术在后端很容易捕获CO2。•优点是：提高燃气流CO2浓度，分离容易，有利于捕获。•缺点是：增加成本与能耗（专门材料的纯氧燃烧设备和空分装置分离氧气）燃烧后捕获（PCC：燃烧后脱碳技术）•吸收/再生法•吸附法（范德华力）•膜分离（渗透性）物理法（溶解度原理：环丁砜法、聚乙二醇二甲醚法和低温甲醇法化学法（酸碱反应原理：醇胺法、热钾碱法和氨水喷淋法）变温吸附变压吸附变电吸附无机膜聚合物膜混合膜碳运输能力前提都是要将气态的CO2在8MPa以上的压力下进行压缩液化，从而提高CO2的密度，降低运输成本。管道运输运输方向固定，更加适合地质封存，对管道的结构设计以及防腐保温要求也很高船舶运输方向就相对灵活些，适合海底封存，但目前大规模的CO2运输船还未投入运营技术相对较为成熟碳封存技术•地质封存•海洋封存•矿石碳化及工业利用石油和天然气储层封存（强化采油技术EOR、强压气体回收EGR）不可开采煤层封存（强化煤田甲烷回收ECBM）深部咸水层封存（深部800m含咸水的岩层，上覆不渗透的页岩盖层）浅海(200-300m)溶解封存深海(~500m)笼形包合物封存深海(~3000m)笼形水合物封存生成碳酸盐，含碳化合物填料形式、灭火、制冷、碳酸饮料、金属保护焊接、烟丝膨化处理、合成有机物自然溶解管道，轮船液态CO2封存地高压海洋中碳循环地表800m下，温度31.1℃，压力7.38MPa，CO２就处于超临界状态。密度约为水的50%~80%，储存空间缩小，CO2具有较好的流动性、扩散性和溶解能力，具有超临界流体的特点。将ＣＯ２封存与提高原油、天然气或煤层气采收率结合起来分别称为ＣＯ２—ＥＯＲＣＯ２—ＥＧＲＣＯ２—ＥＣＢＭ碳封存技术CO2地质封存主要方式CCS的全球化应用•按照澳大利亚全球CCS研究所的统计，目前世界上运行、在建和计划中的CCS项目有270个左右，其中70个达到每年封存超过1000kt二氧化碳的商业级规模。但是真正商业化项目不超过10个，并且主要集中在油气生产领域，因为油气领域的CCS项目可将捕集到的二氧化碳用于提高油气采收率，从而更具经济性。项目名称国家开始年份注入量-1封存总量封存地类型Sleipner挪威1996300020000000咸水层Weybrun加拿大20003000~500020000000EORInSalah阿尔及利亚20043000~400017000000天然气田K12B荷兰20041008000000增强气体回收Frio美国20041771600咸水层Fenn加拿大199850200ECBMRecopol波兰2003110ECBMYubari日本200410200ECBMGorgon澳大利亚200910000-咸水层Snøhvit挪威20062000-咸水层沁水流域中国200330150ECBM鄂尔多斯中国2010-100000/a咸水层国内外开展的主要CO2封存项目把CO2注入油田或气田用以驱油或驱气可以提高采收率（使用EOR技术可提高30%~60%的石油产量）；注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气驱出来，即所谓的提高煤层气采收率（EnhancedCoalBedMethaneRecovery，ECBM）。世界主要的CCS项目（包括在建和计划）序号项目规模/kt-1捕集方式建成年代状态1美国Lubbock电厂350~400燃烧后1982运行2大平原合成燃料厂2000燃烧后2000运行3挪威北海sleipner天然气田2800t/d燃烧后2000运行4insalah天然气工程1200燃烧后2004运行5挪威7000燃烧后2006运行6华能高碑店燃煤电厂3燃烧后2008运行7大情宇油田10燃烧后2008运行8道达尔Lacq试验工厂60富氧燃烧2009运行9华能石洞口电厂100燃烧后2009运行10美国AEPmountaineer电厂100燃烧后2009运行11神华集团100燃烧后2011在建12美国Berry电厂100~150燃烧后2011在建13美国AEPNortheasten电厂150燃烧后2011在建14美国HECA电厂2000燃烧后2014计划15西班牙comositihaEndesa电厂2750富氧燃烧2015计划16德国RWEGoldenbergwerk电厂2300~2800燃烧前2015计划•其中比较成功的为美国大平原合成燃料厂2000kt/a二氧化碳封存项目（用于加拿大韦本油田强化采油）和挪威北海天然气中二氧化碳封存于海底盐水层项目。企业启动或投产时间项目简介华能北京热电厂2008年7月投产国内首座燃煤电厂燃烧后CO2捕集示范工程，捕集量3000t/a华能上海石洞口第二电厂2009年12月投产目前世界最大的燃烧后CO2捕集示范工程，捕集和提纯12万t/a，成本仅为美国同类工程的30%华能天津示范电站2009年启动整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）,是目前世界上最环保的高效发电、低排放燃煤发电技术，首期250MW将于2011年前建成中电投重庆双槐电厂2010年投产燃烧后捕集装置，自主技术，捕集和提纯1万t/a中国石油吉林油田2006年启动CO2高效捕集、安全埋存和驱油试验，至2009年9月已注入CO27万t，预测提高采收率14%中国神华集团2010年7月启动我国首个全程CCS示范项目，包括捕集和注入咸水层封存。封存量10万t/a。将分两步建成年捕集与方程100万t、300万t的项目。我国大型能源企业开展CCS的项目•中国对于CCS技术的了解和关注程度非常高，目前已经拥有了具有自主知识产权的二氧化碳捕集技术。•中石化南化公司研究院开发了低分压（烟道气等）二氧化碳捕集技术，截至2009年末，国内采用该技术进行二氧化碳捕集利用的工业企业已有20多家，年捕集高纯度二氧化碳100×104多吨。•大连理工大学的低温甲醇洗技术可用于燃烧前的二氧化碳捕集，目前已经在30多套化肥装置上得到应用，未来可用于CCS项目。•工业化方面，我国通过973计划支持中国石油和北京大学进行CCS的工业试验，将长春气田天然气中22%的二氧化碳分离到3%以下，捕集的二氧化碳埋藏到大情宇油田，实施强化采油，首次完成从捕集到封存的工业化试验。2008年6月到2009年下半年，该项目已经注入了10kt二氧化碳。•华能集团在北京高碑店和上海石洞口电厂分别开展了3000t/a和100kt/a规模的燃烧后捕集的工业化示范。•高碑店电厂CCS项目由华能与澳大利亚合作开展，于2008年开始运行。项目采用中国石化南化研究院低分压二氧化碳捕集技术进行燃烧后吸收，二氧化碳纯度可达99.5%，目前捕集的二氧化碳出售给食品工业，并未实施封存。•石洞口电厂为规模更大的同类示范装置，2010年开始运行，捕集的二氧化碳也未实施封存。•中国石化中原油田15kt/aCCS项目用于强化采油，约3.4t二氧化碳可采油1t。该项目到2009年底已通过二氧化碳增产石油2800多吨。胜利油田30kt/a驱油项目将于2011年建成投产，预计每年可增产石油近10kt。•综上所述，我国CCS的工业示范，主要集中在发电厂。发电厂二氧化碳捕集主要采用燃烧后捕集方式，溶剂为胺液型化学溶剂。我国的燃烧前捕集技术主要用于煤化工的合成气变换后脱碳，溶剂为物理溶剂，并未应用到CCS项目。•未来天津的绿色煤电项目有可能将燃烧前脱碳技术应用于CCS项目。•我国富氧燃烧还没有进入工业化试验。•在封存方面，我国的CCS项目还没有大规模封存的经验，未来的神华煤制油项目中，CCS部分将实现大规模二氧化碳封存于盐水层。•另外，在二氧化碳强化采油领域的探索也取得了积极的进展。主要存在的问题•(1)捕获与提纯技术有待继续改进。•(2)管道防腐防垢存在问题。•(3)CO2封存地点的选择问题。•(4)安全（泄露）隐患问题。•(5)生态环境污染，人类健康问题。•(6)目前成本较高，需要政府支持。