二氧化碳的捕獲和封存

1、.1二氧化碳的捕獲運(yùn)輸和封存二氧化碳的捕獲運(yùn)輸和封存 CO2 Capture, Transport and Storage (CCTS).2前言前言 世界氣象組織（世界氣象組織（WMO） 和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP） 于于1988年共同創(chuàng)立了政府間氣候變化專門委員（年共同創(chuàng)立了政府間氣候變化專門委員（IPCC） IPCC職責(zé)：職責(zé)： （1）評(píng)估有關(guān)氣候變化和影響以及有關(guān)減緩和適應(yīng)氣候）評(píng)估有關(guān)氣候變化和影響以及有關(guān)減緩和適應(yīng)氣候變化方案的現(xiàn)有科學(xué)信息和社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息；變化方案的現(xiàn)有科學(xué)信息和社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息； （2）根據(jù)要求向聯(lián)合國氣候變化框架公約（）根據(jù)要求向聯(lián)合國氣候變化框

2、架公約（UNFCCC）締約方大會(huì)（締約方大會(huì)（COP）提供科學(xué)）提供科學(xué)/技術(shù)技術(shù)/社會(huì)經(jīng)濟(jì)咨詢。作社會(huì)經(jīng)濟(jì)咨詢。作為參照的標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)并得到了政策制定者、科學(xué)家和其他為參照的標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)并得到了政策制定者、科學(xué)家和其他專家的廣泛采用。專家的廣泛采用。 關(guān)于二氧化碳捕獲和封存的特別報(bào)告關(guān)于二氧化碳捕獲和封存的特別報(bào)告.3研究內(nèi)容研究內(nèi)容 CO2的來源的來源 CO2的捕獲的捕獲 CO2的運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸 地質(zhì)封存技術(shù)地質(zhì)封存技術(shù) 海洋封存技術(shù)海洋封存技術(shù) 成本和經(jīng)濟(jì)潛力成本和經(jīng)濟(jì)潛力 有待解決的問題有待解決的問題.4定義和意義定義和意義 二氧化碳（二氧化碳（CO2）捕獲和封存（）捕獲和封存（CCS）是指是指C

3、O2從工業(yè)或相關(guān)能源的源分離從工業(yè)或相關(guān)能源的源分離出來，輸送到一個(gè)封存地點(diǎn)，并且長出來，輸送到一個(gè)封存地點(diǎn)，并且長期與大氣隔絕的一個(gè)過程。為穩(wěn)定大期與大氣隔絕的一個(gè)過程。為穩(wěn)定大氣溫室氣體濃度、減緩氣候變化做出氣溫室氣體濃度、減緩氣候變化做出貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)。.5 CO2的運(yùn)輸及封存方案示圖的運(yùn)輸及封存方案示圖.6CO2CO2的來源的來源CO2CO2大固定源包括大型化石燃料或生物能源設(shè)施、主大固定源包括大型化石燃料或生物能源設(shè)施、主要要CO2CO2排放型工業(yè)、天然氣生產(chǎn)、合成燃料工廠以及排放型工業(yè)、天然氣生產(chǎn)、合成燃料工廠以及基于化石燃料的制氫工廠?；诨剂系闹茪涔S。CO2CO2的大固定源：

4、世界范圍內(nèi)每年的大固定源：世界范圍內(nèi)每年CO2CO2排放量在排放量在1010萬噸以上的源。萬噸以上的源。.7CO2大固定源的全球分布情況大固定源的全球分布情況.8 CO2 捕獲捕獲 CO2捕獲的目的是產(chǎn)生能運(yùn)輸?shù)椒獯娴攸c(diǎn)的純的捕獲的目的是產(chǎn)生能運(yùn)輸?shù)椒獯娴攸c(diǎn)的純的CO2高壓濃縮液。高壓濃縮液。 在大型工廠中，包括天然氣加工廠和制氨設(shè)備，在大型工廠中，包括天然氣加工廠和制氨設(shè)備，在運(yùn)行中已有分離在運(yùn)行中已有分離CO2的應(yīng)用。的應(yīng)用。 典型的做法是將典型的做法是將CO2清除，以獲得其他工業(yè)用途清除，以獲得其他工業(yè)用途的凈化氣流。清除僅在個(gè)別情況下用于封存；的凈化氣流。清除僅在個(gè)別情況下用于封存；

5、在多數(shù)情況下，在多數(shù)情況下，CO2都被排放到大氣中。捕獲過都被排放到大氣中。捕獲過程也從煤和天然氣燃燒后產(chǎn)生的煙道氣體中獲得程也從煤和天然氣燃燒后產(chǎn)生的煙道氣體中獲得商業(yè)上有用的商業(yè)上有用的CO2。然而，迄今為止，。然而，迄今為止，CO2捕獲捕獲尚未在大型電廠中（例如尚未在大型電廠中（例如500MW）采用。）采用。.9 CO2捕獲流程和系統(tǒng)概況捕獲流程和系統(tǒng)概況.10三種捕獲三種捕獲CO2的方法的方法 燃燒后捕獲法：從一次燃料在空氣中燃燒所產(chǎn)生的煙道氣燃燒后捕獲法：從一次燃料在空氣中燃燒所產(chǎn)生的煙道氣體中分離體中分離CO2CO2。通常使用液態(tài)有機(jī)溶劑從主要成分為氮的。通常使用液態(tài)有機(jī)溶劑從主要

6、成分為氮的煙氣中捕獲少量的煙氣中捕獲少量的CO2CO2成分（一般占體積的成分（一般占體積的3-15%3-15%）。）。 燃燒前捕獲法：在一個(gè)有蒸汽和空氣或氧的反應(yīng)器中處理燃燒前捕獲法：在一個(gè)有蒸汽和空氣或氧的反應(yīng)器中處理一次燃料，產(chǎn)生主要成分為一氧化碳和氫的混合氣體一次燃料，產(chǎn)生主要成分為一氧化碳和氫的混合氣體（“合成合成”氣體）。在第二個(gè)反應(yīng)器內(nèi)（氣體）。在第二個(gè)反應(yīng)器內(nèi)（“變換反應(yīng)器變換反應(yīng)器”）通過一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)生成其余的氫和通過一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)生成其余的氫和CO2CO2。最后從。最后從產(chǎn)生的由氫和產(chǎn)生的由氫和CO2CO2組成的混合氣體分離出一個(gè)氫流和一個(gè)組成的混合氣體分離出一

7、個(gè)氫流和一個(gè)CO2CO2氣流（在烘干條件下一般占體積的氣流（在烘干條件下一般占體積的1560%1560%）。）。 氧化燃料捕獲法：用氧代替空氣作為一次燃燒進(jìn)行燃料，氧化燃料捕獲法：用氧代替空氣作為一次燃燒進(jìn)行燃料，產(chǎn)生以水汽和產(chǎn)生以水汽和CO2CO2為主的煙道氣體。這種方法產(chǎn)生的煙道為主的煙道氣體。這種方法產(chǎn)生的煙道氣體具有很高的氣體具有很高的CO2CO2濃度（占體積的濃度（占體積的80%80%以上）。以上）。.11CO2捕獲的工業(yè)應(yīng)用捕獲的工業(yè)應(yīng)用 大規(guī)模制氫（主要用于氨和化肥的生產(chǎn)，以及石大規(guī)模制氫（主要用于氨和化肥的生產(chǎn)，以及石油提煉）采用了與燃燒前捕獲中所使用的完全相油提煉）采用了與燃

8、燒前捕獲中所使用的完全相同的技術(shù)。同的技術(shù)。 利用類似于燃燒后捕獲技術(shù)，從未加工天然氣中利用類似于燃燒后捕獲技術(shù)，從未加工天然氣中分離分離CO2CO2的大規(guī)模實(shí)踐。的大規(guī)模實(shí)踐。 雖然商業(yè)系統(tǒng)也可用于大規(guī)模分離氧，但氧化燃雖然商業(yè)系統(tǒng)也可用于大規(guī)模分離氧，但氧化燃料燃燒后捕獲料燃燒后捕獲CO2CO2的技術(shù)目前處于示范階段。的技術(shù)目前處于示范階段。 正在開展研究，以使系統(tǒng)的集成達(dá)到更高的水平，正在開展研究，以使系統(tǒng)的集成達(dá)到更高的水平，提高所有類型捕獲系統(tǒng)的效率并降低成本。提高所有類型捕獲系統(tǒng)的效率并降低成本。.12強(qiáng)化甲烷回收強(qiáng)化甲烷回收當(dāng)當(dāng)CO2被偏好吸收的被偏好吸收的煤或有機(jī)物豐富的頁煤或

9、有機(jī)物豐富的頁巖吸附，開始置換甲巖吸附，開始置換甲烷類氣體，在這種情烷類氣體，在這種情況下，只要壓力和溫況下，只要壓力和溫度保持穩(wěn)定，那么度保持穩(wěn)定，那么CO2將長期保持俘獲將長期保持俘獲狀態(tài)。通過煤對(duì)狀態(tài)。通過煤對(duì)CO2的優(yōu)先吸附作用，的優(yōu)先吸附作用， 強(qiáng)化未開采煤床中的強(qiáng)化未開采煤床中的甲烷回收。甲烷回收。.13通過注如通過注如CO2 等惰性氣體增進(jìn)綢油采收率等惰性氣體增進(jìn)綢油采收率(Inert Gas Injection, EOR)no Dp, noH2O coningno Dp, nogas coningDV/Dtoil + water = DV/Dtgas(voidage fille

10、d)CO2, N2, CH4, other gases3-phaseregion2-phaseregionhorizontalwellsvertical wellsDp 0.14向油藏注入向油藏注入CO2CO2形成逆向流形成逆向流, ,促使殘余油產(chǎn)出促使殘余油產(chǎn)出mineral grainmineral grainmineral grainmineral grainsteam +gasesH2OCH4CO2oiloilCountercurrent flow inthe pores and throatslead to a stable 3-phasesystem.The oil flow is

11、 aided bya “thin-film” surfacetension effect whichhelps to draw down theoil very efficiently.To maintain a gravity-dominated flow system, it is essential to createthe fully interconnectedphases, and to not tryand overdrive using high pressures.waterwater.15馬來西亞某個(gè)工廠中的馬來西亞某個(gè)工廠中的CO2CO2燃燒后捕燃燒后捕獲，該廠采用化學(xué)吸

12、附工藝，每年從獲，該廠采用化學(xué)吸附工藝，每年從燃?xì)怆姀S的煙道氣流中分離出燃?xì)怆姀S的煙道氣流中分離出0.20.2兆兆噸的噸的CO2CO2，用于尿素生產(chǎn)（三菱重工，用于尿素生產(chǎn)（三菱重工技術(shù)提供技術(shù)提供）.16美國北達(dá)科他州煤氣化工廠中的美國北達(dá)科他州煤氣化工廠中的CO2燃燒前捕獲。該廠采用物理溶劑工藝，燃燒前捕獲。該廠采用物理溶劑工藝，每年從氣流中分離出每年從氣流中分離出3.3兆噸的兆噸的CO2，用于生產(chǎn)合成天然氣。捕獲的一部分用于生產(chǎn)合成天然氣。捕獲的一部分CO2用于加拿大的用于加拿大的EOR項(xiàng)目項(xiàng)目。.17CO2的運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸 將捕獲的將捕獲的CO2從捕獲地點(diǎn)健康、安全、環(huán)境和低從捕獲地點(diǎn)健康

13、、安全、環(huán)境和低成本地運(yùn)輸?shù)椒獯娴攸c(diǎn)。成本地運(yùn)輸?shù)椒獯娴攸c(diǎn)。 目前管道是一種成熟的市場(chǎng)技術(shù)并是運(yùn)輸目前管道是一種成熟的市場(chǎng)技術(shù)并是運(yùn)輸CO2最最 常用的方法。典型的做法是將氣態(tài)常用的方法。典型的做法是將氣態(tài)CO2施加施加8兆帕兆帕以上的壓力進(jìn)行壓縮，旨在避免二相流和提升以上的壓力進(jìn)行壓縮，旨在避免二相流和提升CO2的密度，因而便于運(yùn)輸和降低成本。也可將的密度，因而便于運(yùn)輸和降低成本。也可將液態(tài)液態(tài)CO2裝在船舶、公路或鐵路罐車中運(yùn)輸，裝在船舶、公路或鐵路罐車中運(yùn)輸，CO2被裝在絕緣罐中，溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境氣溫且壓被裝在絕緣罐中，溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境氣溫且壓力也大大降低。力也大大降低。 .18對(duì)于沿岸管道

14、和沿海管道的運(yùn)對(duì)于沿岸管道和沿海管道的運(yùn)輸成本按每輸成本按每250公里每公里每Figuur 4.5 噸噸CO2 以美元為單位計(jì)算。以美元為單位計(jì)算。右圖顯示了高估算值（點(diǎn)線）右圖顯示了高估算值（點(diǎn)線）和低估算值（實(shí)線）。和低估算值（實(shí)線）。左圖顯示了沿岸管道、沿海管道左圖顯示了沿岸管道、沿海管道和船舶的運(yùn)輸成本，按距離和船舶的運(yùn)輸成本，按距離Figuur 4.6 ，以美元，以美元/每噸每噸CO2為單位。給出了為單位。給出了6兆噸兆噸CO2/年的年的CO2質(zhì)量流量的管道成本。船舶質(zhì)量流量的管道成本。船舶成本包括中途封存設(shè)施、進(jìn)港費(fèi)、成本包括中途封存設(shè)施、進(jìn)港費(fèi)、燃料費(fèi)和裝卸費(fèi)。這些成本還包燃料費(fèi)

15、和裝卸費(fèi)。這些成本還包括壓縮之外的額外液化成本。括壓縮之外的額外液化成本。.19CO2的封存的封存-地質(zhì)封存地質(zhì)封存 封存構(gòu)造：可用于封存構(gòu)造：可用于CO2的地質(zhì)封存的三種類型的的地質(zhì)封存的三種類型的地質(zhì)構(gòu)造，即石油和天然氣儲(chǔ)層、深鹽沼池構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造，即石油和天然氣儲(chǔ)層、深鹽沼池構(gòu)造和不可開采的煤層。和不可開采的煤層。 封存技術(shù)：向深層地質(zhì)構(gòu)造注入封存技術(shù)：向深層地質(zhì)構(gòu)造注入CO2 涉及許多在涉及許多在石油和天然氣開采和制造業(yè)中研發(fā)的相同技術(shù)。石油和天然氣開采和制造業(yè)中研發(fā)的相同技術(shù)。為地質(zhì)封存的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，正進(jìn)一步發(fā)展鉆探技為地質(zhì)封存的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，正進(jìn)一步發(fā)展鉆探技術(shù)、井下注入技術(shù)、計(jì)算機(jī)模

16、擬封存儲(chǔ)層的動(dòng)力術(shù)、井下注入技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬封存儲(chǔ)層的動(dòng)力學(xué)以及從現(xiàn)有應(yīng)用中總結(jié)出的監(jiān)測(cè)方法。其它的學(xué)以及從現(xiàn)有應(yīng)用中總結(jié)出的監(jiān)測(cè)方法。其它的地下注入實(shí)踐也提供了相關(guān)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。地下注入實(shí)踐也提供了相關(guān)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。.20封閉層封閉層(頁巖)目標(biāo)層目標(biāo)層(砂巖Sand)砂巖頁巖地表沉積物(包括淡水)射孔封隔器生產(chǎn)套管表層套管注入管均質(zhì)粘合劑護(hù)層無收縮或延展粘合劑. 需承受每天循環(huán)過程的高壓震蕩器震蕩器/計(jì)計(jì)算機(jī)算機(jī)井底壓力傳感器電纜下伏頁巖圍堵層圍堵層 (砂巖 & 頁巖)深井壓裂注入深井壓裂注入 (SFI)高壓和高速注入高壓和高速注入 (壓裂壓裂)高純度高壓氣體高純度高壓氣體連續(xù)循環(huán)注入

17、連續(xù)循環(huán)注入多相流多相流專用處理井專用處理井深井壓裂注入方法深井壓裂注入方法Slurry Fracture Injected (SFI).21地質(zhì)封存技術(shù)要點(diǎn)地質(zhì)封存技術(shù)要點(diǎn)在碳?xì)浠衔飪?chǔ)層或深鹽沼池構(gòu)造中的在碳?xì)浠衔飪?chǔ)層或深鹽沼池構(gòu)造中的CO2應(yīng)封存在應(yīng)封存在800米深米深度以下。度以下。周邊壓力和溫度通常使周邊壓力和溫度通常使CO2處于液體或超臨界值狀態(tài)。處于液體或超臨界值狀態(tài)。在這種條件下，在這種條件下，CO2的密度是水密度的的密度是水密度的50-80。該密度接。該密度接近某些原油的密度，產(chǎn)生驅(qū)使近某些原油的密度，產(chǎn)生驅(qū)使CO2向上的浮力。因此，選擇封向上的浮力。因此，選擇封存儲(chǔ)層具有

18、良好封閉性能的冠巖十分重要，以確保把存儲(chǔ)層具有良好封閉性能的冠巖十分重要，以確保把CO2限制限制在地下。當(dāng)被注入地下時(shí)，在地下。當(dāng)被注入地下時(shí)，CO2通過部分置換已經(jīng)存在的流體通過部分置換已經(jīng)存在的流體（“現(xiàn)場(chǎng)流體現(xiàn)場(chǎng)流體”）來擠占并充滿巖石中的孔隙。在石油和天然）來擠占并充滿巖石中的孔隙。在石油和天然氣儲(chǔ)層中，用注入的氣儲(chǔ)層中，用注入的CO2置換現(xiàn)場(chǎng)流體可為封存置換現(xiàn)場(chǎng)流體可為封存CO2提供大部提供大部分孔隙容積。成為趨油特別是綢油的動(dòng)力。分孔隙容積。成為趨油特別是綢油的動(dòng)力。隨著隨著CO2與現(xiàn)場(chǎng)流體和寄巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就出現(xiàn)所謂的地質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)流體和寄巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就出現(xiàn)所謂的地質(zhì)化學(xué)俘獲機(jī)

19、理。溶解的化學(xué)俘獲機(jī)理。溶解的CO2與巖石中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形與巖石中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成離子類物質(zhì)，經(jīng)過數(shù)百萬年，部分注入的成離子類物質(zhì)，經(jīng)過數(shù)百萬年，部分注入的CO2 將轉(zhuǎn)化為堅(jiān)將轉(zhuǎn)化為堅(jiān)固的碳酸鹽礦物質(zhì)。固的碳酸鹽礦物質(zhì)。定期的地球物理（地震、重力和電磁）監(jiān)測(cè)和檢測(cè)封存的安全定期的地球物理（地震、重力和電磁）監(jiān)測(cè)和檢測(cè)封存的安全和和CO2的滲漏。的滲漏。 在鹽沼池構(gòu)造中，潛在的封存容量估值較低，占總巖體的百分在鹽沼池構(gòu)造中，潛在的封存容量估值較低，占總巖體的百分之幾到之幾到30以上。以上。.22地質(zhì)封存方法示圖地質(zhì)封存方法示圖.23幾個(gè)地質(zhì)封存方案的能力幾個(gè)地質(zhì)封存方案的能力.2

20、4適宜封存的全球前景沉積盆地區(qū)域適宜封存的全球前景沉積盆地區(qū)域在那里可以找到合適的鹽沼池地質(zhì)構(gòu)造、油田或氣田，或煤床。只包括了一部分可供煤床封存的地點(diǎn)。封存前景是對(duì)可能性的一種定性評(píng)估，即根據(jù)已掌握的信息在某個(gè)特定區(qū)域中存在某個(gè)適合封存的地點(diǎn)。本圖僅作為一個(gè)導(dǎo)向，因?yàn)樗诓糠謹(jǐn)?shù)據(jù)，其質(zhì)量可能因區(qū)域而異，也可能隨時(shí)間的推移和新的信息而有所變化。（澳大利亞地球科學(xué)澳大利亞地球科學(xué)提供）提供）.25已經(jīng)開展封存的國家和進(jìn)度已經(jīng)開展封存的國家和進(jìn)度ECBM 強(qiáng)化煤田甲烷回收強(qiáng)化煤田甲烷回收.26CO2的封存的封存-海洋封存海洋封存 海洋占地表的海洋占地表的70以上，海洋的平均深度以上，海洋的平均深度

21、為為3,800米。由于米。由于CO2可在水中溶解，所以可在水中溶解，所以大氣與水體在海洋表面不斷進(jìn)行大氣與水體在海洋表面不斷進(jìn)行CO2的自的自然交換，直到達(dá)到平衡為止。然交換，直到達(dá)到平衡為止。 通過管道或船舶將通過管道或船舶將CO2運(yùn)輸?shù)胶Ｑ蠓獯娴剡\(yùn)輸?shù)胶Ｑ蠓獯娴攸c(diǎn)，從那里再把點(diǎn)，從那里再把CO2注入海洋的水柱體或注入海洋的水柱體或海底（深度在海底（深度在1,000米以上）。被溶解和消米以上）。被溶解和消散的散的CO2隨后會(huì)成為全球碳循環(huán)的一部分。隨后會(huì)成為全球碳循環(huán)的一部分。.27海洋封存方法示圖海洋封存方法示圖.28海洋封存情景概覽海洋封存情景概覽在在“溶解型溶解型”海洋封存中，海洋封存

22、中，CO2迅速地溶解到海水中，而在迅速地溶解到海水中，而在“湖泊型湖泊型”海洋封存中，海洋封存中，CO2最初是沉積在海床上的液最初是沉積在海床上的液體體.29 海洋封存有兩種潛在的實(shí)施途徑：一種是經(jīng)固定海洋封存有兩種潛在的實(shí)施途徑：一種是經(jīng)固定管道或移動(dòng)船只將管道或移動(dòng)船只將CO2注入并溶解到水體中（以注入并溶解到水體中（以1000米以下最為典型），另一種則是經(jīng)由固定的米以下最為典型），另一種則是經(jīng)由固定的管道或者安裝在深度管道或者安裝在深度3000米以下的海床上的沿海米以下的海床上的沿海平臺(tái)將其沉淀，此處的平臺(tái)將其沉淀，此處的CO2比水更為密集，預(yù)計(jì)比水更為密集，預(yù)計(jì)將形成一個(gè)將形成一個(gè)“湖湖”，從而延緩，從而延緩CO2分解在周圍環(huán)分解在周圍環(huán)境中海洋封存及其生態(tài)影響尚處于研究階段。境中海洋封存及其生態(tài)影響尚處于研究階段。 被溶解和消散的被溶解和消散的CO2將成為全球碳循環(huán)的一部分，將成為全球碳循環(huán)的一部分，并最終與大氣中的并最終與大氣中的CO2達(dá)到平衡。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、達(dá)到平衡。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、小規(guī)模海洋試驗(yàn)和模式模擬中，已正在針對(duì)一系小規(guī)模海洋試驗(yàn)和模式模擬中，已正在針對(duì)一系以及阿爾及利亞的艾因薩拉赫（以及阿爾及利亞的艾因薩拉赫（In Salah