~~碳捕捉與封存(CCS)技術

1、1. 碳捕獲和存儲技術研究進展一、前言政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在第三次評估報告¨ 中指出，地球氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。而這一氣候變化的發(fā)生是與大氣中溫室氣體的增加所產生的自然溫室效應緊密聯(lián)系的。CO2是其中對氣候變化影響最大的氣體，它產生的增溫效應占所有溫室氣體總增溫效應的63，且在大氣中的留存期最長，可達到200年。一系列的研究表明全球氣候變化對自然生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響，進而威脅到人類社會的生存和發(fā)展。為了應對氣候變化可能帶來的不利影響，20世紀80年代末以來，國際社會對氣候變化問題給予了極大的關注和努力。1992年通過的聯(lián)合國氣候變化框架公約(以

2、下簡稱公約)表達了國際社會應對氣候變化挑戰(zhàn)的行動意愿，是為解決氣候變化問題建立的基本國際政治和法律框架。1997年通過的京都議定書(以下簡稱議定書)規(guī)定了2008-2012年全球減少排放溫室氣體的具體目標，提出了發(fā)達國家減少溫室氣體排放的量化指標，該議定書已于2005年2月16日正式生效。為了盡可能減少以二氧化碳(CO2)為主的溫室氣體排放，減緩全球氣候變化趨勢，人類正在通過持續(xù)不斷的研究以及國家間合作，從技術、經濟、政策、法律等層面探尋長期有效的解決途徑。近年來興起的二氧化碳捕獲與封存(ccs)技術成為研究的熱點和國際社會減少溫室氣體排放的重要策略。二、碳捕獲和存儲的科學和方法學問題碳捕獲和

3、存儲的種類很多，本文主要介紹地質碳捕獲和存儲(包括陸地地質結構和海底以下地質結構)及海洋碳捕獲和存儲。海洋碳捕獲和存儲主要有2種方式：一是將CO2通過固定管道或移動船舶注入或溶解到水柱中(通常在地下1 km)；二是通過固定管道或離岸平臺將其存放于深于3 km的海底。海洋碳捕獲和存儲及其生態(tài)影響仍處于研究階段，因此，國際社會推動的只是地質碳捕獲和存儲，本文也不對海洋碳捕獲和存儲的技術及影響進行研究。另外，地質碳捕獲和存儲與陸地、海洋生態(tài)系統(tǒng)的固碳是不同的，陸地、海洋生態(tài)系統(tǒng)對CO2的吸收是一種自然碳捕獲和存儲過程。陸地和海洋植物在其生長過程中，需要利用CO2合成有機物，它們能夠在一定的濃度范圍內

4、吸收CO2。2.1 碳捕獲和存儲的概念地下是地球最大的碳接收器，世界上絕大部分的碳都貯藏在這里，如煤、油、煤氣、有機頁巖、石灰石和白云石。作為地球外殼內一種自然過程，CO2的地質存儲已進行了數億年。生物行為、點火行為和巖石與流體間化學反應形成的CO2已被捕獲，并在自然界的地下環(huán)境中以碳酸鹽礦物形式、溶液形式、氣體或超臨界形式存儲。在工程上CO2被注入地下地質巖層，首先于20世紀70年代初在美國得克薩斯州被采用，其目的主要是作為EOR(提高石油采集率)的一部分。之后人為CO2的地質存儲，也在70年代首先作為溫室氣體減排可選方案被提出，但隨后的研究工作很少，直到20世紀90年代初，通過一些個人和研

5、究小組的工作，這種概念才得到認可。目前CO2地質存儲方案已經從只被被大家廣泛關注CO2減排方案。取得了一定的進展，示范性和商業(yè)性項目初步取得了成功，技術可信度的水平有了提高；第二，在認識上有了共識，人們已經普遍認可要促使CO2減排，需要采取多種途徑；第三，地質存儲能夠使我們大大減少CO2向大氣的排放。但是，這種可能性要變成現實，其技術必須是安全的，在環(huán)保上要有持久性，其成本可以接受，并能夠被廣泛應用。2.2 碳捕獲和存儲的主要機理碳捕獲和存儲技術主要由3個環(huán)節(jié)構成：(1) CO2的捕獲，指將CO2從化石燃料燃燒產生的煙氣中分離出來，并將其壓縮至一定壓力。(2) CO2的運輸，指將分離并壓縮后的

6、CO2通過管道或運輸工具運至存儲地。(3) CO2的存儲，指將運抵存儲地的CO2注入到諸如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤礦等地質結構層或者深海海底或海洋水柱或海床以下的地質結構中。2.2.1 碳捕獲對于大量分散型的CO2排放源是難于實現碳的收集，因此碳捕獲的主要目標是像化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2的集中排放源。針對電廠排放的CO2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類：燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離?；瘜W溶劑吸收法是當前最好的燃燒后CO2收集法，具有較高的捕集效率和選擇性，而能源消耗和收集成本較低。除了化學溶劑吸收法，還有吸附法、

7、膜分離等方法。化學吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之問的可逆化學反應。由于燃煤煙氣中不僅含有CO2、N2、O2和H20，還含有SOx、NOx、塵埃、HC1、HF等污染物。雜質的存在會增加捕獲與分離的成本，因此煙氣進入吸收塔之前，需要進行預處理，包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等。煙氣在預處理后，進入吸收塔，吸收塔溫度保持在4060 ，CO2被吸收劑吸收，通常用的溶劑是胺吸收劑(如一乙醇胺MEA)。然后煙氣進入一個水洗容器以平衡系統(tǒng)中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與溶劑蒸汽，之后離開吸收塔。吸收了CO2的富溶劑經由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100140和比大氣壓略高的壓力下得到

8、再生。水蒸汽經過凝結器返回再生塔，而CO2離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運回吸收塔。富氧燃燒系統(tǒng)是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質。燃燒產物主要是CO2和水蒸氣，另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全，以及燃料中所有組成成分的氧化產物、燃料或泄漏進入系統(tǒng)的空氣中的惰性成分等。經過冷卻水蒸汽冷凝后，煙氣中CO2含量在8098之間。這樣高濃度的CO2經過壓縮、干燥和進一步的凈化可進入管道進行存儲。CO2在高密度超臨界下通過管道運輸，其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流，其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO2需要經過干燥以防止在

9、管道中出現水凝結和腐蝕，并允許使用常規(guī)的炭鋼材料。在富氧燃燒系統(tǒng)中，由于CO2濃度較高，因此捕獲分離的成本較低，但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產主要通過空氣分離方法，包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸餾。燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個階段的反應。首先化石燃料先同氧氣或者蒸汽反應，產生以CO2和H2為主的混合氣體(稱為合成氣)，其中與蒸汽的反應稱為“蒸汽重整”，需在高溫下進行；對于液體或氣體燃料與O2的反應稱為“部分氧化”，而對于固體燃料與氧的反應稱為“氣化”。待合成氣冷卻后，再經過蒸汽轉化反應，使合成氣中的CO轉化為CO2，并產生更多的H 。最后，將H2從CO2與H 的混合氣中分離，干燥的混合氣

10、中CO2的含量可達1560，總壓力27MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲，H2被用作燃氣聯(lián)合循環(huán)的燃料送人燃氣輪機，進行燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離CO2的方法包括：變壓吸附、化學吸收(通過化學反應從混合氣中去除CO2，并在減壓與加熱情況下發(fā)生可逆反應，同從燃燒后煙道氣中分離CO2類似)、物理吸收(常用于具有高的CO2分壓或高的總壓的混合氣的分離)、膜分離(聚合物膜、陶瓷膜)等。2.2.2 運輸輸送大量CO2的最經濟方法是通過管道運輸。管道運輸的成本主要有3部分組成：基建費用、運行維護成本，

11、以及其它的如設計、保險等費用。特殊的地理條件，如人口稠密區(qū)等對成本很有影響。陸上管道要比同樣規(guī)模的海上管道成本高出4070。由于管道運輸是成熟的技術，因此其成本的下降空間預計不大。對于250 km的運距，管道運輸的成本一般為18美元/tCO2。當運輸距離較長時，船運將具有競爭力，船運的成本與運距的關系極大。當輸送5 Mt CO2、運距為500km時，船運的成本為l030美元/tCO2(或515美元/t CO2·250km)。當輸送同樣的CO2，運距增加到1500km時，船運成本將降到20-35美元/tCO2 (或3.56.0美元(t CO2·250km)，與管道運輸的成本相

12、當。2.2.3 地質存儲CO2的地質存儲包括在廢棄油氣中的存儲、用于強化開采油的碳存儲、在煤層中的碳存儲以及在鹽水層中的碳存儲。地下地質巖層由顆粒(如石英)或礦石(如碳酸鈣)組成。在顆?；虻V石之間孑L隙性空間充有流體(如水、油、氣)。開口的斷層和洞穴也會充滿流體。向浸透性巖層的孔隙性空間和斷層注入的CO2能夠替代原有位置的流體，或者CO2可以溶解在流體中，或者與礦石顆粒發(fā)生反應，或可能出現這些過程中某些組合。用泵向井下注入CO2，通過在井底部的鑿孔或篩子使CO2進入巖層。鑿孔或篩子的間隔距離通常是在10-100m的量級，這取決于巖層的可滲透性和厚度。CO2的注入會提高井附近巖層的壓力，從而使C

13、O2進入該巖層原先由巖層流體所占據的孔隙性空間。在巖層內建立的壓力大小和空間分布取決于注入巖層的可滲透性和厚度、其中是否有影響滲透性的屏障以及區(qū)域水文地質系統(tǒng)的幾何大小等。一旦注入該巖層，有下列主要的流動和輸運機理將影響CO2的輸送：流體流動(移動)與注入過程產生的壓力梯度的關系。流體流動與自然水壓梯度的關系。CO2和巖層流體之間密度差引起的浮力。擴散。巖層不均勻性和CO2和巖層流體之間的遷移率差異所引起的彌散和觸碰。在巖層流體中的溶解。礦化。CO2吸附。當CO2注入到一個氣貯藏庫時，會形成由天然氣和CO2組成的單一流體相。當CO2注入深鹽水層時，也許是一種流體相，或是一種超臨界的密相流化床，

14、它在水中是不混合的。CO2注入到油貯藏庫，也許是易混合的，也許是不易混合的，這取決于油的組成和系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)。當CO2注入到煤層時，發(fā)生的過程更為復雜，不僅涉及上面列出的過程，還有氣體的吸附和解吸的問題，特別是對于先前在煤上吸附的甲烷，還有煤本身的腫脹或收縮問題。浮力會造成流體在巖層中垂直流動，浮力大小與巖層內流體的類型有關。在鹽水層，CO2和巖層水之間有較大的密度差，會產生很強的浮力，使CO向上移動。在寧III 藏庫，密度差不大，因而浮力不在氣貯藏庫，會出現相反的情況，即由于CO2的密度比天然氣大，CO2會在浮力所作用下向下移動。在鹽水層和油貯藏庫，由于浮力的驅動，注入的CO2，煙羽會向上

15、移動到蓋巖基礎的最高點。不過，注入的CO2不會均勻移動。CO2煙羽通過巖石基體后，其形狀強烈地受巖層非均勻性的影響。存儲巖層內出現低滲透層有利于抵消浮力效應，從而防止CO2迅速向上移動。當CO2移動通過巖層時，會有一部分CO2溶解在巖層水中。在開放式的流體系統(tǒng)中，按貯藏庫規(guī)模的數值模擬表明，注入的CO2在幾十年內會有很大一部分(可高達30)溶解在巖層水中。如果注入的CO2包在一個封閉的結構(如貯藏庫)中，因為與非飽和的巖層水接觸變少了，完全溶解CO2將需要更長的時間。一旦CO2溶解在巖層的流體中，CO2就會按區(qū)域水力梯度沿著區(qū)域地下水移動。對于低滲透性和高鹽分的深層沉積性盆地，地下水流動速度是

16、很低的，典型的只有每年數厘米的量級。因此，溶解CO2的移動速率比單相CO2的移動速率低得多。在CO2移動通過巖層時，會有一些CO2因毛細作用力而滯留在孔隙性空間中，這種現象通常稱為“殘留氣體的捕獲”，它可以使一定量的CO2固定不動。當捕獲程度高并且CO2被注入到厚巖層的底部時，所有的CO2都可以通過這種機理被捕獲，甚至在達到蓋巖(巖層頂部)以前?！皻埩魵怏w飽和值”是與巖層密切相關的，對于許多典型的存儲巖層，殘留氣體飽和值可以高達15%25%。隨著時間的推移，所捕獲的大部分CO2可以溶解在巖層水中。除了CO2在巖層水中溶解之外，CO2還會有進一步的地球化學反應。地質存儲的有效性與物理和地球化學捕

17、獲機理有關。最有效的存儲場址是CO2不移動的場址，它被永久地捕獲在厚厚的低滲透性的密封層內，或者CO2轉換成固態(tài)的礦石或被吸附在煤微孔的表面。某些存儲場址可以通過物理和化學捕獲的結合得到合適的存儲效率。在密封的巖層(如很低滲透性的頁巖、鹽層等)下的物理捕獲是地質存儲CO2的基本手段。有許多沉積性盆地已經關閉，在物理上是受約束的圈閉(trap)或是構筑物；某些圈閉已被油和氣所占據，余下的圈閉被鹽水所占據。在沉積性盆地內有各種類型的物理圈閉，最為普通的是2種：地層性圈閉和結構性圈閉。這兩種圈閉都適宜CO2的存儲，但是必須小心處理，貯藏庫不能過壓，不使蓋巖產生斷裂，不使現有的斷層成為活動斷層。地下的

18、CO2可能同巖石發(fā)生一系列的地球化學相互作用，從而進一步增加存儲容量和效率。首先，當CO2溶解在巖層水中，會出現通常稱為溶解捕獲的過程。其次，將形成離子形式，出現稱為離子捕獲的過程，隨著pH值的提高，許多巖石會溶解。最后，有一些可能轉化成穩(wěn)態(tài)的碳酸鹽礦物相，這一過程稱為礦物捕獲，是最持久的地質存儲形式。礦物捕獲是比較慢的，可能要上千年或者更長。盡管如此，礦物存儲的持久性，連同在某些地質環(huán)境下可能出現大的存儲容量，是長期存儲所需要的特性。在合適的巖層、在沒有明顯泄漏途徑、或沒有開口的裂縫或斷層情況下，注入的CO2可以持留很長的時間。而且由于多重捕獲機理的共同作用，隨著時間的推移，CO2的移動性將

19、越來越小，泄漏的可能性將減少。只要給出合適的操作程序，在一個合適的、有良好特性的地質巖層中存儲的CO2將能夠存儲數百萬年。三、CCS技術進展CCS技術是指將CO2從相關排放燃燒源捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海洋等地點進行長期封存，從而阻止或顯著減少CO2向大氣中排放。目前，處于研究階段、工業(yè)試驗或工業(yè)化應用的封存場所主要有深度含鹽水層、枯竭或開采到后期的油氣田、不可采的貧瘠煤層和海洋。隨著全球面臨的氣候問題日益嚴峻，各國政府非常重視對CCS技術研究的支持。美國、歐盟、澳大利亞、加拿大、挪威等國家或政府間組織都制訂了相應的研究規(guī)劃，開展 CCS技術的理論、試驗、示范和應用研究，并且已經有了成功

20、的實例。其中，美國走在世界最前列，針對CCS技術的科研規(guī)劃和項目組織實施較為周密完善。美國于2000年開始由能源部主持正式開展CO2封存研究和發(fā)展項目，將地質封存和海洋封存列為主要研究方向，并制訂了詳細的技術路線圖。2005年美國已開展了25個CO2地下構造注入、儲存與監(jiān)測的現場試驗，并已進入驗證階段。為加強國際合作，2003年，美國發(fā)起成立了“碳收集領導人論壇”， 目前共有美國、加拿大、歐盟、英國、澳大利亞、日本、德國、挪威、巴西、意大利、印度、中國、哥倫比亞、墨西哥、俄羅斯、南非、法國等22個成員，共同組織開展理論與實驗研究。當前，國際上CCS技術研發(fā)所關注的主要問題包括：CO2在地質封存

21、系統(tǒng)中吸附和遷移的機理與規(guī)律。在地層中的相態(tài)及其變化規(guī)律、化學反應及固化條件；注C02采油過程中的物理化學理論問題、復雜滲透流體力學原理、各類CO2提高采收率(EOR)數值模擬基礎模型；長距離管道運輸CO2的化學腐蝕機理與規(guī)律等。四、我國CCS技術發(fā)展概況我國于1992年6月和1998年5月分別簽署了聯(lián)合國氣候變化框架公約和 京都議定書。作為發(fā)展中國家。我國近期不必承擔減少或限制溫室氣體排放的義務。但我國CO2排放總量大，目前已位居世界第二，僅次于美國。據有關專家初步估算，預計20252030年左右，我國CO2排放量將達到67-10st。成為世界第一大排放國。作為負責任的大國，我國政府高度重視

22、氣候變化與溫室氣體排放問題，19902005年間我國萬元GDP能耗年均下降率達4.1%。相當于節(jié)約8×10st以上標準煤，減少了1810stCO2排放。同時，政府提出了在20062010年間單位GDP的能源消耗降低20的節(jié)能減排目標。政府也明確表示，在可持續(xù)發(fā)展的框架下，與國際社會一起，積極尋求應對氣候變化的有效途徑，并根據自己的能力和國情為減緩氣候變化做出應盡的努力。國家對CCS技術的發(fā)展給予了高度重視，CCS技術作為前沿技術已被列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃；在國家科技部2007年的中國應對氣候變化科技專項行動中，CCS技術作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的技術重點被列入專項行動的

23、四個主要活動領域之一。“十一五”期間，國家“863”計劃也對發(fā)展CCS技術給予很大支持。2007年6月國家發(fā)改委公布的中國應對氣候變化國家方案中強調重點開發(fā)CO2的捕獲和封存技術，并加強國際間氣候變化技術的研發(fā)、應用與轉讓。我國與國際社會一起積極開展了CCS技術研究與項目合作。2007年啟動了“中歐碳捕獲與封存合作行動fCOACH)”，12個歐方機構和8個中方機構參與了COACH行動。2007年11月20日，啟動了“燃煤發(fā)電二氧化碳低排放英中合作項目”。2008年1月25日，中聯(lián)煤層氣有限責任公司以下簡稱“中聯(lián)煤”與加拿大百達門公司、香港環(huán)能國際控股公司簽署了“深煤層注入/埋藏二氧化碳開采煤層

24、氣技術研究”項目合作協(xié)議。自2002年以來，中聯(lián)煤和加拿大阿爾伯達研究院已在山西省沁水盆地南部合作，成功實施了淺部煤層的CO2單井注入試驗。中國石油作為肩負經濟、政治和社會責任的大型國企為展現保護環(huán)境的良好社會形象，率先在國內開展了利用CCS技術提高油田采收率的研究與應用工作，于2007年4月啟動了重大科技專項及資源綜合利用研究”。五、小結CCS技術是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模CO2減排技術，世界上許多國家和公司開展了相關的探索性研究與實踐， 隨著技術的逐漸成熟，CCS技術成本將進一步降低，應用前景廣闊。 通過將CO2封存入油氣田，既可減少CO2排放，又可提高油氣田采收率的CCSEOR技術，近年來在

25、世界范圍內受到了廣泛關注，許多國家和大型石油公司都開展了該技術的研究與應用。 雖然近幾年CCS技術發(fā)展很快，但從整體來看，該技術目前仍處于前期研究階段，有關技術、經濟、環(huán)境和立法方面的不確定性因素仍然存在，還存在可能的泄露、技術難點、公眾認知不夠等問題，需要進一步的深入研究。離真正大規(guī)模的實際應用仍需要相當長的時間。CCS技術項目投資較大，而且在短期內投資難以回收。目前開展的一些項目都是由政府提供資金支持下的示范性項目。如果沒有政府在立法和稅收機制上的激勵與優(yōu)惠措施配套,CCS技術就無法真正進入商業(yè)化應用階段。CCS技術的發(fā)展需要加強國際合作，尤其需要在技術、立法、經濟等方面進行合作，聯(lián)合國正

26、在考慮將此類項目納入京都議定書的CDM合作機制，以促進項目融資和技術推廣應用，鼓勵發(fā)達國家在發(fā)展中國家應用CCS技術，推進其發(fā)展。 作為CO2排放大國，我國積極參與溫室氣體減排行動，密切關注CCS技術進展，并著手開展了一些研究與實踐工作，今后將在全球CCS活動中發(fā)揮更大的作用。2. 碳捕捉與封存技術提出背景政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在第三次評估報告中指出,地球氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。而這一氣候變化的發(fā)生是與大氣中溫室氣體的增加所產生的自然溫室效應緊密聯(lián)系的。CO2是其中對氣候變化影響最大的氣體,它產生的增溫效應占所有溫室氣體總增溫效應的63%,且在大氣中的留存期

27、最長,可達到200年。一系列的研究表明,全球氣候變化對自然生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響,進而威脅到人類社會的生存和發(fā)展。為了應對氣候變化可能帶來的不利影響, 20世紀80年代末以來,國際社會對氣候變化問題給予了極大的關注和努力。1992年通過的聯(lián)合國氣候變化框架公約表達了國際社會應對氣候變化挑戰(zhàn)的行動意愿,是為解決氣候變化問題建立的基本國際政治和法律框架。199年通過的京都議定書規(guī)定了20082012年全球減少排放溫室氣體的具體目標,提出了發(fā)達國家減少溫室氣體排放的量化指標,該議定書已于2005年2月16日正式生效。為減少溫室氣體的排放,世界各國均采取了一系列措施。根據主要發(fā)達國家締約方在國家信息通報

28、中提到的溫室氣體減排政策和措施主要包括:通過市場機制(如稅收、法規(guī))等提高能源效率、促進可再生能源的開發(fā)和技術推廣、制定能源效率的標準、在各種終端用能部門制定自愿或強制政策、采取補貼、技術更新、管理等措施減少甲烷和氧化亞氮的排放、與工業(yè)部門達成協(xié)議或研究替代、回收的其他溫室氣體(如HFCs)減排措施等。但按照目前的情況看,要實現議定書所規(guī)定的目標仍是非常困難的。在未來幾個世紀,預計能源使用和消耗將進一步增加。根據國際能源署的報告, 2001年全球能源消費為404×1015Btu(1 Btu=1 055. 056 J),預計到2025年全球能源消費將達到623×1015Btu

29、,也就是說在25年的時間內,全球的能源消費將上升1. 5倍。對全球化石燃料所排放的CO2,無論是天然氣、煤炭還是石油,CO2的排放都呈上升態(tài)勢。因此,國際社會對化石燃料的長期依賴迫使各國需要尋求其他的減排方法。以美國為首的一些國家認為,碳捕獲和存儲技術將是可選擇的方案之一。3. CCS技術對全球減緩碳排放的作用IEA(international energy agency)應用能源技術展望模型分析了CCS技術對全球未來碳減排的潛在作用。在50 US S/t的碳稅(以CO2計)情景(GLO50)下，CCS技術將于2015年開始得到應用，至2020年、2030年、2050年,約2·3、8

30、·5、18·1 Gt的CO2將分別被捕獲并且埋存。到2020年、2030年、2050年，發(fā)電廠的捕獲量將分別占所有CO2捕獲量的53%、70%、80%，其余的捕獲量來自燃料加工處理和制造業(yè)(比如合成氨、鋼鐵、水泥的生產)。而且使用IGCC或基于IGCC的多聯(lián)產技術將在未來CCS技術的發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，到2030年它們捕獲CO2的量將占據所有捕獲量的一半。應用CCS的發(fā)電技術的發(fā)電量將從2030年的27 EJ增加到2050年的60 EJ,如圖所示。到2030年、2050年，考慮CCS技術的燃煤發(fā)電廠的發(fā)電量將分別占到60%、69%，而考慮碳收集與埋存的燃氣發(fā)電廠的比

31、例分別為28%、23%，從2025年開始，基于IGCC的多聯(lián)產技術將快速發(fā)展，其中3/4的合成燃料為氫。到2050年，這些多聯(lián)產技術的CO2捕獲量將達到10 Gt(其中2/3來自電、氫聯(lián)產系統(tǒng))，占總捕獲量的54%。4. 碳捕捉與封存技術的發(fā)展現狀現在, CCS技術已受到國際科技和產業(yè)界的密切關注。由于其與現有能源系統(tǒng)基礎構造的一致性,受能源資源條件限制較小,該技術尤其受到工業(yè)化國家的廣泛關注與密切重視,美國、歐盟和加拿大等都制定了相應的技術研究規(guī)劃,開展CCS技術的理論、試驗、示范及應用研究。根據國際能源署的統(tǒng)計,截至到目前,全世界共有碳捕獲商業(yè)項目131個,捕獲研發(fā)項目42個,地質埋存示范

32、項目20個,地質埋存研發(fā)項目61個。其中,比較知名的有挪威Sleipner項目、加拿大Weyburn項目和阿爾及利亞In Salah項目等。近年來,歐美國家又開始把火力發(fā)電廠排放的CO2作為主要儲存對象,開始進行地下儲存的實驗。2002年11月開始,美國能源部在西維吉尼亞新港口美國電力能源公司(AEP)的山頂電廠開展利用地質學方法存儲CO2的研究項目; 2003年2月,歐盟委員會資助的“二氧化碳儲存”研究項目在丹麥、德國、挪威與英國開展儲存發(fā)電廠排放的CO2儲層性質的研究;目前,在示范項目方面,全球范圍內已有幾個250MW規(guī)模的IGCC燃煤電廠建成。在CCS實驗項目方面, 2004年9月14日

33、在澳大利亞墨爾本召開的世界碳固存領導人論壇上,國際合作推動的10個實驗改進技術項目得到確認,與會的國家對碳固存的國際合作均表示出濃厚的興趣。以上述已經進行的項目和實驗說明, CCS技術是一項極具潛力的減少CO2排放的前沿技術,該技術有可能在經濟發(fā)展與環(huán)境保護兩個方面實現雙贏局面。因此,我國也應密切關注CCS技術的研究現狀和最新進展,及早開展相關技術研究規(guī)劃和理論與試驗的示范與應用。案例：以美國為例，美國于2000年開始由美國能源部主持正式開展CO2封存研究和發(fā)展項目,其中將地質封存和海洋封存列為主要研究領域,同時研究陸地生態(tài)系統(tǒng)(森林、土壤、植被等)對二氧化碳的隔離作用,并制訂了詳細的技術路線

34、圖,詳情見下表2005年美國已開展了25個CO2地下構造注入、儲存與監(jiān)測的外場試驗,并已進入驗證階段。5. CCS技術在中國應用的研究意義我國是世界上煤炭生產和消費的大國,由于石油和天然氣資源有限, 21世紀的主要能源仍然是煤炭。根據國家信息中心的預測,國內的石油生產能力在2015年前后即將達到高峰期,而天然氣和可再生能源所占份額盡管會一直處于增長狀態(tài),但由于稟賦和成本所限,這兩者所占份額之和也仍然很有限,不可能大規(guī)模地替代化石能源,因此煤炭仍將作為主要的化石燃料供給能源消耗。而根據我國的能源結構,按照現在的工業(yè)發(fā)展能力,要保持或提高生活水平,煤炭在相當長的一段時間內就必然要更多地用于滿足不斷

35、增長的能源需求。因此,作為CO2排放的第二大國,我國CO2排放量超過美國只是時間問題。面臨著這種來自國際社會和國內發(fā)展的雙重壓力,面臨著這種能源發(fā)展態(tài)勢和煤炭的嚴重污染,需要即刻開展相關重點研究并逐步實施一系列重大戰(zhàn)略和重要技術,以此來減少CO2排放而又不降低能源服務水平和人民生活水平。首先,在戰(zhàn)略上必須從國情出發(fā),構建科學合理的能源環(huán)境經濟一體化的能源資源利用系統(tǒng),以此支撐我國經濟和社會的發(fā)展;其次,在技術上要采取更積極的態(tài)度,將CO2加以收集和壓縮并儲存到地下。雖然截止到現在,有關CCS的研究仍不完善,將其儲于地下或深海將對環(huán)境產生何種以及何程度的影響仍未明晰,但值得肯定的是,隨著研究的不

36、斷發(fā)展和邊干邊學效應的持續(xù)深入, CCS技術必將日益成熟,也非常有可能成為未來各國實現減排目標最主要的方法。但是,利用CCS技術時可捕獲的CO2源有很多,結合我國國情對CCS技術開展研究應從何入手呢?前述的很多中國學者已對此進行了一定程度的研究,共同的結論是工業(yè)生產和電力行業(yè)是主要的排放源,而在電力行業(yè)中,又以煤炭、石油、天然氣作為主要燃料的火力發(fā)電廠為排放量最大的部門。其中,火電、水泥、鋼鐵3類企業(yè)是主要排放源,排放量約占91·7%,是最為主要的二氧化碳排放源。目前有關CCS技術的文獻顯示,關于CCS應用行業(yè)的相關研究中定性研究多于定量分析,缺乏結合技術成本和捕獲規(guī)模的詳細定量研究

37、。而從實踐的觀點來看, CCS項目必須同時滿足技術可行和經濟可行,技術可行意味著項目滿足技術上的可操作性,經濟可行意味著進行項目的成本有效。所以,一個可行的CCS項目除了必須選擇固定排放源之外,還要在捕獲規(guī)模和捕獲成本兩個方面具備可操作性。因此,結合捕獲成本和捕獲規(guī)模對CCS應用部門進行定量研究顯得尤為必要。綜上所述, CCS技術可能是一項應對能源和環(huán)境提出的嚴峻挑戰(zhàn)的可選措施,也是一項應對氣候變化的重大戰(zhàn)略舉措。而在CCS技術應用的層面來講,從電力行業(yè)和工業(yè)生產的煙道氣中分離CO2進行地下儲存,是最為有效的途徑,但關于CCS技術應用的具體部門還有待結合捕獲規(guī)模和捕獲成本進行定量研究。但顯而易

38、見的是,火力發(fā)電廠由于其排放量大,且易于分離和富集CO2,是應用CCS技術潛力最大的部門。6. 碳捕捉與封存技術的基本概況介紹碳捕捉與封存技術的基本概況，包括：碳捕捉與封存技術簡述碳捕獲技術簡介碳運輸技術簡介碳封存技術簡介碳的地質封存技術碳的海洋封存技術碳的礦石碳化封存和工業(yè)利用6.1 碳捕捉與封存技術簡述碳捕獲和封存(以下簡稱CCS)是一種將工業(yè)和能源排放源產生的CO2進行收集、運輸并安全存儲到某處使其長期與大氣隔離的過程。CCS主要由捕獲、運輸、封存三個環(huán)節(jié)組成。捕獲CO2的捕獲，指將CO2從化石燃料燃燒產生的煙氣中分離出來,并將其壓縮的過程。對于大量分散型的CO2排放源是難于實現碳的收集

39、,碳捕獲的主要目標是化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2的集中排放源。目前針對化石燃料電廠的捕獲分離系統(tǒng)主要有三種，即燃燒后捕獲系統(tǒng)、燃燒前捕獲系統(tǒng)和氧化燃料捕獲系統(tǒng)。CO2捕獲已經在一些工業(yè)應用中采用,馬來西亞一家工廠采用化學吸附工藝,每年從燃氣電廠的煙道氣流中分離出0·2×106t的CO2,用于尿素生產。美國北達科他州煤氣化工廠采用物理溶劑工藝,每年從氣流中分離出3·3×106t的CO2,用于生產合成天然氣,捕獲的一部分CO2用于加拿大的強化采油項目。運輸CO2的運輸,指將分離并壓縮后的CO2通過管道或運輸工具運至存儲地。第一條長距

40、離的CO2輸送管道于20世紀70年代初投入運行。在美國,有超過2, 500公里的CO2輸送管道,通過這些管道,每年有大約40×106t的CO2被運輸到德克薩斯州用于強化采油。封存CO2的存儲,指將運抵存儲地的CO2注入到如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤礦等地質結構層或者深海海底或海床以下的地質結構中。這個過程涉及許多在石油和天然氣開采和制造業(yè)中研發(fā)和普遍應用的技術,如用泵向井下注入CO2,并通過在井底部的鑿孔或篩子使CO2進入巖層。此外CO2回注油田可以提高采油率,在煤層中注入CO2,可以回收煤層氣,這個過程也就是通常所說的強化采油(EOR)和強化采煤層氣(ECBM)。目前有三個工業(yè)規(guī)模

41、(大于1×108tCO2/a)的項目在采用這種技術:北海的斯萊普內爾(Sleipner)項目、加拿大的韋本(Weyburn)項目和阿爾及利亞的薩拉赫(Salah)項目。6.2 碳捕獲技術簡介目前,主要有四種不同類型的CO2收集與捕獲系統(tǒng):燃燒后分離(煙氣分離)、燃料前分離(富氫燃氣路線)、富氧燃燒和工業(yè)分離(化學循環(huán)燃燒),每種捕獲技術的技術特點及其成熟度見下表。在選擇捕獲系統(tǒng)時,燃氣流中CO2濃度、燃氣流壓力以及燃料類型(固體還是氣體)都是需要考慮的重要因素。 對于大量分散型的CO2排放源是難于實現碳的收集,因此碳捕獲的主要目標是像化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合

42、成氨廠等CO2的集中排放源。針對排放的CO2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類:燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)以及燃燒前系統(tǒng)。燃燒后系統(tǒng)介紹燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離?；瘜W溶劑吸收法是當前最好的燃燒后CO2收集法,具有較高的捕集效率和選擇性,而能源消耗和收集成本較低。除了化學溶劑吸收法,還有吸附法、膜分離等方法。化學吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之間的可逆化學反應。由于燃煤煙氣中不僅含有CO2、N2、O2和H2O,還含有SOx、NOx、塵埃、HCl、HF等污染物。雜質的存在會增加捕獲與分離的成本,因此煙氣進入吸收塔之前,需要進行預處理,包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等。煙氣在預處

43、理后,進入吸收塔,吸收塔溫度保持在4060,CO2被吸收劑吸收,通常用的溶劑是胺吸收劑(如一乙醇胺MEA)。然后煙氣進入一個水洗容器以平衡系統(tǒng)中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與溶劑蒸汽,之后離開吸收塔。吸收了CO2的富溶劑經由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100140和比大氣壓略高的壓力下得到再生。水蒸汽經過凝結器返回再生塔,而CO2離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運回吸收塔。富氧燃燒系統(tǒng)介紹富氧燃燒系統(tǒng)是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質。燃燒產物主要是CO2和水蒸氣,另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全,以及燃料中所有組成成分的氧化產物、燃料或泄漏進入系統(tǒng)的空氣

44、中的惰性成分等。經過冷卻水蒸汽冷凝后,煙氣中CO2含量在80% 98%之間。這樣高濃度的CO2經過壓縮、干燥和進一步的凈化可進入管道進行存儲。CO2在高密度超臨界下通過管道運輸,其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流,其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO2需要經過干燥以防止在管道中出現水凝結和腐蝕,并允許使用常規(guī)的炭鋼材料。在富氧燃燒系統(tǒng)中,由于CO2濃度較高,因此捕獲分離的成本較低,但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產主要通過空氣分離方法,包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸餾。燃燒前捕獲系統(tǒng)介紹燃燒前捕獲系統(tǒng)主要有2個階段的反應。首先，化石燃料

45、先同氧氣或者蒸汽反應,產生以CO和H2為主的混合氣體(稱為合成氣),其中與蒸汽的反應稱為“蒸汽重整”,需在高溫下進行;對于液體或氣體燃料與O2的反應稱為“部分氧化”,而對于固體燃料與氧的反應稱為“氣化”。待合成氣冷卻后,再經過蒸汽轉化反應,使合成氣中的CO轉化為CO2,并產生更多的H2。最后,將H2從CO2與H2的混合氣中分離,干燥的混合氣中CO2的含量可達15%60%,總壓力27MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲,H2被用作燃氣聯(lián)合循環(huán)的燃料送入燃氣輪機,進行燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離C

46、O2的方法包括:變壓吸附、化學吸收(通過化學反應從混合氣中去除CO2,并在減壓與加熱情況下發(fā)生可逆反應,同從燃燒后煙道氣中分離CO2類似)、物理吸收(常用于具有高的CO2分壓或高的總壓的混合氣的分離)、膜分離(聚合物膜、陶瓷膜)等。6.3 碳運輸技術簡介在CO2運輸方面,目前最可行的辦法是利用管道輸送。管道是一種已成熟的市場技術,將氣態(tài)的CO2進行壓縮可以提高密度,從而可降低運輸成本。也可以利用絕緣罐將液態(tài)CO2裝在罐車中進行運輸。在某些情況下,使用船舶運輸CO2從經濟角度講更具有吸引力,尤其是需要長途運輸或需將CO2運至海外時,但由于這種情況需求有限,故而目前運輸規(guī)模較小。在技術上,公路和鐵

47、路罐車也是切實可行的方案。然而,除小規(guī)模運輸之外,這類運輸系統(tǒng)與管道和船舶相比則不經濟,不大可能用于大規(guī)模運輸。目前,美國等國家在管道運輸技術方面已很成熟,需要解決的問題是如何降低運輸成本。運輸成本主要取決于管道長度和管道直徑,而由于捕獲(包括壓縮)成本非常高,使得運輸成本在整個成本中所占比例較低。因此只要捕獲和封存成本較低,或為了獲得其他一些收益(如提高油田采收率),許多國家不惜長距離運輸的高成本遠距離輸送CO2。例如美國為提高原油采收率,采用遠距離輸送高壓液態(tài)CO2,最長的輸送管是綿羊山脈(Sheep Mountain)運輸管道,它將南科羅拉多州的CO2運至得克薩斯的二疊紀盆地,距離為65

48、6km。6.4 碳封存技術簡介碳封存是指將捕獲、壓縮后的CO2運輸到指定地點進行長期封存的過程。目前,主要的封存方式有地質封存、海洋封存和碳酸鹽礦石固存等等。另外,一些工業(yè)流程也可在生產過程中利用和存儲少量被捕獲的CO2。但是,從普通電廠排放、未經處理的煙道氣僅含有大約3%16%的CO2,可壓縮性比純的CO2小得多,而從燃煤電廠出來經過壓縮的煙道氣中CO2含量也僅為15%,在這樣的條件下儲存1t CO2大約需要68m3儲存空間。因此,只有把CO2從煙氣里分離出來,才能充分有效地對它進行地下處理。在將CO2封存到地下之后,為了防止CO2泄漏和或遷移,需要密封整個存儲空間。因此,選擇一個合適的具有

49、良好封閉性能的封存蓋層也十分重要,它可以起到一個“蓋子”的作用,以確保能把CO2長期地封存在地下。比較有效的辦法是利用常規(guī)的地質圈閉構造,它包括氣田、油田和含水層,對于前兩種,由于他們是人類能源系統(tǒng)基礎的一部分,人們已熟悉他們的構造和地質條件,所以利用它們來儲存CO2就比較便利和合算;而含水層由于其非常普遍,因此在儲存CO2方面具有非常大的潛力。根據碳封存地點和方式的不同,可將碳封存方式分為地質封存,海洋封存、碳酸鹽礦石固存以及工業(yè)利用固存等。其中,每種封存方式又包括不同的具體技術,他們的發(fā)展現狀見下表。6.5 碳的地質封存技術碳的地質封存技術是直接將CO2注入地下的地質構造當中,如油田、天然

50、氣儲層、含鹽地層和不可采煤層等都適合CO2的儲存。地質封存取決這些構造的物理和地球化學的俘獲機理。CO2注入后,儲層構造上方的大頁巖和粘質巖起到了阻擋CO2向上流動的物理俘獲作用。這個不透水層稱為“蓋層”(caprock)。毛管力提供的其他物理俘獲作用可將CO2留在儲層構造的孔隙中。然而,在許多情況下,儲層構造的一側或多側保持開口,以便于CO2在蓋層下側向流動。隨著CO2與現場流體和寄巖發(fā)生化學反應,地質化學俘獲機理開始發(fā)揮作用。如果CO2在現場水中溶解(一般是在幾百a乃至幾千a內),充滿CO2的水的密度越來越高,因此會沉伏于儲層構造中而不是浮向地表。此外,溶解的CO2與巖石中的礦物質發(fā)生化學

51、反應形成離子類物質并轉化為碳酸鹽礦物質。與地質封存關聯(lián)的另一種處理方式是CO2的再利用。即將CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。這種方案比較具有吸引力,因其能夠從額外開采的石油中部分補償CO的儲存成本,但缺點是這類油田的地理分布不均,且開采潛力有限。不可采煤層也可用以儲存CO2,因其可吸附于煤層表面,但是否可行則取決于煤床的滲透性。儲存過程中會產生甲烷氣體,并可加以開采利用,即煤層氣回收增強技術(ECBM)。含鹽地層中主要是高度礦化的鹽水,并無利用價值,有時用于存放化學廢棄物。鹽堿含水層的主要優(yōu)點是其巨大的儲存容量,且地理分布較廣,對CO2的運輸而言較為方便。但不象油田或煤層,在含鹽地層

52、中儲存CO2并不能產生任何有經濟價值的副產品,無形中提高了儲存成本。而且人們一直對這種構造中儲存的CO2是否會泄漏存有疑問,不過最近的研究表明有幾種吸附機理可使CO2固定在鹽層下。到2005年共有3個工業(yè)級的CO2地質儲存項目在運行之中。其中挪威Statoil公司開發(fā)的Sleipner天然氣田CO2封存項目運行時間最長。該氣田于1996年投產,位于北海,建有世界上第1個工業(yè)級CO2捕獲設施,處理方法是用醇胺溶劑從天然氣中吸收二氧化碳并通過回注鉆孔儲存于深達1000m海床下的含鹽地層中,處理能力約為每天2,800t。加拿大的Weyburn項目開始于2000年,是將美國北達科他州Beulah的大型

53、煤氣化裝置中捕獲的CO2輸送到加拿大Saskatchewan省東南部的Weyburn油田,用于增強采油,目前每年注入的CO2約為150萬t。第3個是位于阿爾及利亞的In Salah項目,與Sleipner類似,也是將從天然氣中分離的CO2注入地下,年處理量約為120萬t。地質封存是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方案,據估算全球貯量至少可以達到2000Gt。6.6 碳的海洋封存技術由于CO2可溶解于水,通過水體與大氣的自然交換作用,海洋一直以來都在“默默”吸納著人類活動產生的CO2。海洋中封存CO2的潛力理論上說是無限的。但實際封存量仍取決于海洋與大氣的平衡狀況。模擬分析表明,注入海洋的CO2將與大氣隔絕至

54、少幾百a。注入越深,保留的數量和時間就越長。目前CO2的海洋封存主要有2種方案:一種是通過船或管道將CO2輸送到封存地點,并注入1000m以上深度的海中,使其自然溶解；另一種是將CO2注入3000m以上深度的海里,由于CO2的密度大于海水,因此會在海底形成固態(tài)的CO2水化物或液態(tài)的CO2“湖”,從而大大延緩了CO2分解到環(huán)境中的過程。海洋封存尚未進入實際應用,也沒有小規(guī)模的試點示范,仍然處在研究階段。但有一些小規(guī)模的外場試驗并已開展了為期25a的CO2海洋封存的理論、實驗室和模擬研究。對CO2海洋封存的最大擔憂來自于其可能產生的環(huán)境影響,主要是對海洋生物的影響。根據一項為期數月的針對CO2升高

55、對海洋表面生物影響的試驗研究結果,隨著時間的推移,鈣化的速度、繁殖、生長、周期性供氧及活動性放緩和死亡率上升,一些生物對CO2的少量增加就會做出反應。在接近注入點或CO2湖泊時預計會立刻死亡。CO2升高對深層帶、深淵帶、海底帶生態(tài)系統(tǒng)可能產生的影響還缺乏充分的了解。盡管這些區(qū)域的生物相對稀少,但作用于其上的能量和化學效應還需要作更多的觀察以發(fā)現潛在的問題。由于CO2與水反應生成碳酸(H2CO3)會提高海水的酸性。為了加強封存效果,可以在封存地點溶解堿性礦物質,如石灰石等,以中和酸性的CO2。溶解的碳酸鹽礦物質可以將封存時間延長到大約10,000a,同時將海洋的pH值和CO2分壓的變化降至最低。

56、然而,該方法需要大量石灰石和材料處理所需的能源。海洋封存的另一個問題是溶解的CO2最終仍將回到大氣中,因此這種方法看來也并非是一勞永逸的。6.7 碳的礦石碳化封存和工業(yè)利用礦石碳化封存礦石碳化是利用CO2與金屬氧化物發(fā)生反應生成穩(wěn)定的碳酸鹽從而將CO2永久性地固化起來。這些物質包括堿性和堿土氧化物,如氧化鎂(MgO)和氧化鈣(CaO)等,一般存在于天然形成的硅酸鹽巖中,例如蛇紋巖和橄欖石。這些物質與CO2化學反應后產生諸如碳酸鎂(MgCO3)和碳酸鈣(CaCO3,石灰石)。由于自然反應過程比較緩慢,因此需要對礦物作增強性預處理,但這是非常耗能的,據推測采用這種方式封存CO2的發(fā)電廠要多消耗60

57、%180%的能源。并且由于受到技術上可開采的硅酸鹽儲量的限制,礦石碳化封存CO2的潛力可能并不樂觀。工業(yè)利用工業(yè)利用實質上是將CO2作為反應物生產含碳化工產品,從而達到封存的目的。這些含碳化工產品包括尿素、甲醇的生產,也可應用于園藝、冷藏冷凍、食品包裝、焊接、飲料和滅火材料等方面。據統(tǒng)計,目前全球的CO2利用量是每年約120Mt(30Mtc/a),其中大多數是用于生產尿素。工業(yè)利用從技術上看并不是一種理想的封存方案,因為在不同的工業(yè)流程當中,CO2的封存時間只有幾d,最多幾個月,然后會被再次降解為CO2,并排入大氣。從總體來看這對減緩氣候變化的并沒有實質上的貢獻,而且在很多情況下反而會造成總體

58、排放量的凈增加。7. 地質封存CO2技術的詳細介紹與資源化利用介紹地質封存CO2技術的詳細介紹與資源化利用，包括：地質封存CO2的空間類型與封存量分析利用C02封存提高石油采收率工藝利用C02封存提高煤層氣采收率利用C02封存提高含水層熱量采收率地質封存CO2的安全與監(jiān)測技術7.1 利用C02封存提高煤層氣采收率利用C02提高煤層氣采收率，即C02ECBMR。煤層因其表面微孔隙具有不飽和能，易與非極性分子之間產生范德華力，從而具有吸附氣體的能力，其天然狀態(tài)下所吸附的含甲烷(通常達90%)、少量較重烴類、COZ和NZ的天然混合氣體成為煤層氣(CBM)。根據煤對C02和CBM吸附能力的差異，來實施C02一ECBMR(C02一Enhanced Coal Bed Methane Recovery)。由于CO2比甲烷對煤具有更大的親和力(一定溫度和壓力下，煤體表面吸附C02的能力大約是吸附甲烷能力的2倍)，將C02注入煤層，C02將吸附于煤層，而驅替出甲烷。除非溫度升高或壓力降低，C02將不會因解吸而重返大氣。工藝示意圖如下圖： 深部煤層對C02成功處置有4項基本條件，包括相對均質的煤儲層，飽和氣煤層埋藏于適當的深度(500一2000m)，位于簡單的構造帶，且在此處有非常高的滲透性。為了防止封存后C0