摘要：随着低碳经济的走红，碳捕获与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS）技术已初现端倪，CCS技术作为一项存储二氧化碳以减少温室气体排放的环保工程，得到了世界各国的重视，其前景非常广  

   关键词：碳捕获；碳运输；碳封存

碳捕获与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS）是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来，并用

各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。CCS技术包括二氧化碳捕获、运输以及封存三个环节，它可以使单位发电碳排放减少85%—90%。

关于这项技术的研究可以追溯至1975年，当时的美国将二氧化碳注入地下以提高石油开采率，但将它作为一项存储二氧化碳以减少温室气体排放的环保工程，则开始于1989年的麻省理工大学，直至近年来，这项技术得到更多的重视和研究。它被认为是一种可能的减少空气中二氧化碳浓度的方法。目前，据专家介绍，从技术层面来说，应用于碳捕获、运输以及封存的各项技术其实都是已有的、成熟的，只不过在此前并未应用于CCS方向，问题主要存在于现有发电厂的改造以及新建发电厂的技术和资金投入。

1 碳捕获技术

二氧化碳的捕获方式主要有三种：燃烧前捕获（Pre-combustion）、富氧燃烧（Oxy-fuel combustion）和燃烧后捕获（Post-combustion）。无论哪种捕获方法，简而言之是将燃煤发电厂产生的气体收集起来，经过脱硫、氮氧化物等等制备后，将二氧化碳分离并收集起来。

表1 碳捕获技术特点和现状

CCS捕获技术	技术特点	发展现状
工业分离	利用工业材料分离固碳，技术成熟，但应用有限	成熟市场
燃烧后分离	过程简单，但CO2浓度低，化学吸收剂昂贵	技术可行
燃烧前分离	CO2浓度高，分离容易，但过程复杂，成本较高	技术可行
富氧燃烧	CO2浓度高，但压力较小，步骤较多，供氧成本高	示范阶段

 

针对排放的CO₂的捕获分离系统主要有3类：即燃烧后系统、富氧燃烧系统以及燃烧前系统。

     1.1 燃烧后系统

     燃烧后捕获与分离主要是烟气中CO₂与N₂的分离。化学溶剂吸收法是当前最好的燃烧后CO₂收集法,具有较高的捕集效率和选择性,而能源消耗和收集成本较低。除了化学溶剂吸收法,还有吸附法、膜分离等方法。

    化学吸收法是利用碱性溶液与酸性气体之间的可逆化学反应。由于燃煤烟气中不仅含有CO₂、N₂、O₂和H₂O,还含有SOx、NOx、尘埃、HCl、HF等污染物。杂质的存在会增加捕获与分离的成本，因此烟气进入吸收塔之前，需要进行预处理,包括水洗冷却、除水、静电除尘、脱硫与脱硝等。

     烟气在预处理后，进入吸收塔，吸收塔温度保持在40~60℃，CO₂被吸收剂吸收，通常用的溶剂是胺吸收剂(如一乙醇胺MEA)。然后烟气进入一个水洗容器以平衡系统中的水分并除去气体中的溶剂液滴与溶剂蒸汽，之后离开吸收塔。吸收了CO₂的富溶剂经由热交换器被抽到再生塔的顶端。吸收剂在温度100~140℃和比大气压略高的压力下得到再生。水蒸汽经过凝结器返回再生塔，而CO₂离开再生塔。再生碱溶剂通过热交换器和冷却器后被抽运回吸收塔。

     1.2 富氧燃烧系统

      富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的介质。燃烧产物主要是CO₂和水蒸气，另外还有多余的氧气以保证燃烧完全，以及燃料中所有组成成分的氧化产物、燃料或泄漏进入系统的空气中的惰性成分等。经过冷却水蒸汽冷凝后，烟气中CO₂含量在80% ~98%之间。这样高浓度的CO₂经过压缩、干燥和进一步的净化可进入管道进行存储。CO₂在高密度超临界下通过管道运输，其中的惰性气体含量需要降低至较低值以避免增加CO₂的临界压力而可能造成管道中的两相流，其中的酸性气体成分也需要去除。此外CO₂需要经过干燥以防止在管道中出现水凝结和腐蚀，并允许使用常规的炭钢材料。

      在富氧燃烧系统中，由于CO₂浓度较高，因此捕获分离的成本较低，但是供给的富氧成本较高。目前氧气的生产主要通过空气分离方法，包括使用聚合膜、变压吸附和低温蒸馏。

     1.3 燃烧前捕获系统

     燃烧前捕获系统主要有2个阶段的反应。

     首先，化石燃料先同氧气或者蒸汽反应，产生以CO和H₂为主的混合气体(称为合成气)，其中与蒸汽的反应称为“蒸汽重整”，需在高温下进行；对于液体或气体燃料与O₂的反应称为“部分氧化”，而对于固体燃料与氧的反应称为“气化”。待合成气冷却后，再经过蒸汽转化反应，使合成气中的CO转化为CO₂，并产生更多的H₂。最后，将H₂从CO₂与H₂的混合气中分离，干燥的混合气中CO₂的含量可达15%~60%，总压力2~7MPa。CO₂从混合气体中分离并捕获和存储，H₂被用作燃气联合循环的燃料送入燃气轮机，进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电。

     这一过程也即考虑碳的捕获和存储的煤气化联合循环发电(IGCC)。从CO₂和H₂的混合气中分离CO₂的方法包括：变压吸附、化学吸收(通过化学反应从混合气中去除CO₂,并在减压与加热情况下发生可逆反应,同从燃烧后烟道气中分离CO₂类似)、物理吸收(常用于具有高的CO₂分压或高的总压的混合气的分离)、膜分离(聚合物膜、陶瓷膜)等。

  

    2. 碳运输技术

捕获到的二氧化碳必须运输到合适的地点进行封存，可以使用汽车、火车、轮船以及管道来进行运输。一般说来，管道是最经济的运输方式。2008年，美国约有5800千米的二氧化碳管道，这些管道大都用以将二氧化碳运输到油田，注入地下油层以提高石油采收率（Enhanced Oil Recovery，EOR）。

管道运输的成本主要由3部分组成：基建费用、运行维护成本以及其它的如设计、保险等费用。特殊的地理条件，如人口稠密区等对成本很有影响。陆上管道要比同样规模的海上管道成本高出40％～70％。由于管道运输是成熟的技术，因此其成本的下降空间预计不大。对于250 km的运距，管道运输的成本一般为1～8美元/tCO₂。当运输距离较长时，船运将具有竞争力，船运的成本与运距的关系极大。当输送5 Mt CO₂、运距为500km时，船运的成本为l0～30美元/tCO₂。当输送同样的CO₂，运距增加到1500km时，船运成本将降到20-35美元/tCO2，与管道运输的成本相当。

 

   3. 碳封存技术

二氧化碳封存的方法有许多种，一般说来可分为地质封存（Geological Storage）和海洋封存（Ocean Storage）两类。地质封存一般是将超临界状态（气态及液态的混合体）的二氧化碳注入地质结构中，这些地质结构可以是油田、气田、咸水层、无法开采的煤矿等。把二氧化碳注入油田或气田用以驱油或驱气可以提高采收率；注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气（甲烷）驱出来，提高煤层气采收率。若要封存大量的二氧化碳，最适合的地点是咸水层。咸水层一般在地下深处，富含不适合农业或饮用的咸水，这类地质结构较为常见，同时拥有巨大的封存潜力。不过与油田相比，目前人们对这类地质结构的认识还较为有限。海洋封存是指将二氧化碳通过轮船或管道运输到深海海底进行封存。这种封存办法也许会对环境造成负面的影响，比如过高的二氧化碳含量将杀死深海的生物、使海水酸化等，此外，封存在海底的二氧化碳也有可能会逃逸到大气当中（有研究指出，海底的海水流动到海面需要1600年的时间）。总的来说，人们对海洋封存的了解还是太少。

   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CO₂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CO₂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18～10stCO₂排放。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CO₂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（COACH）”，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以下简称“中联煤”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CO₂单井注入试验。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及资源综合利用研究。

   5. CCS技术的最新进展

　　CCS技术目前处于研究阶段，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CO₂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CO₂地下构造注入、储存与监测的现场试验，并已进入验证阶段。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。

当前，国际上CCS技术研发所关注的主要问题包括：CO₂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CO₂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CO₂提高采收率(EOR)数值模拟基础模型；长距离管道运输CO₂的化学腐蚀机理与规律等。

整体上而言，目前CCS技术仍处于试验阶段，技术上的不成熟所导致的高成本致使CCS难以大规模的推广。麦肯锡估计捕获和处理每吨二氧化碳的成本大概在75-115美元，与开发风能、太阳能等新能源的价格相比并不具备太大的竞争优势。2008年的G8峰会上，八国集团曾经提出，在2020年前后普及CCS技术，并在2010年底前启动20个大型CCS示范项目。鉴于其高昂的成本，时至今日，规划中的项目未有一个上马实施。此外，由于被捕获的二氧化碳工业应用前景非常差，封存是碳捕捉的最终路径，CCS技术的普及同时也取决于二氧化碳的排放价格，预计当二氧化碳价格介于25-30美元/吨时，CCS技术的推广就会加快。

    6. CCS技术的前景广阔

二氧化碳捕获和埋存技术的规模化应用，已经蓄势待发。“二氧化碳捕获和埋存技术并不存在技术障碍和实质性障碍”，来自碳捕获与埋存协会（CCSA）的Jeff Chapman指出，“眼前唯一需要的就是好的政策。”享誉国际的环境问题智囊团“世界资源研究所”（WRI）对此观点表示赞同——资金是现成的，技术是现成的，需要的只是一个能够让金融中介获得与其投资相应的回报的规范框架。

不少国家都已开始为二氧化碳捕获和埋存技术的推广和应用创造鼓励性的政策环境。作为煤炭大国和能源消费大国的中国，也在积极鼓励和推动相关研发工作的开展，以期尽快掌握这一关键技术，实现化石燃料尤其是煤炭的脱碳利用。

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