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付超新蟲 (初入文壇)
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【轉(zhuǎn)帖】二氧化碳捕集與封存技術(shù) 已有7人參與
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(轉(zhuǎn)二氧化碳空間論壇原創(chuàng)文章,轉(zhuǎn)載注明出處:http://www.co2space.com/bbs/) 由于人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳直接排放到環(huán)境中,對(duì)環(huán)境可能造成氣候變暖和海水酸化等問題,有必要減排二氧化碳。在“二氧化碳減排措施”一節(jié)里介紹了各種二氧化碳減排方法,由于各種替代能源在一定時(shí)期內(nèi)很難動(dòng)搖化石能源的統(tǒng)治地位(短期內(nèi)很難期待新能源的研究取得重大突破),而二氧化碳問題越來越緊迫,相比其他處理方式而言,二氧化碳捕集與封存技術(shù)(CO2 Capture and Storage, CCS)被視為短期內(nèi)解決二氧化碳問題的一種有效途徑。 二氧化碳封存,簡單的說就是把排放的二氧化碳收集起來,然后封存到海洋深處或地底深處,使得二氧化碳避免進(jìn)入到大氣圈里。下面對(duì)CCS技術(shù)作詳細(xì)介紹。 1. 二氧化碳捕集 人類活動(dòng)(除去自然的活動(dòng),如呼吸等)排放的二氧化碳主要源自化石燃料的燃燒。由于大氣中的二氧化碳濃度較低,人們處理起來比較困難,當(dāng)前人們集中于對(duì)電廠尾氣中二氧化碳的處理進(jìn)行研究。2006年,所排放的二氧化碳中有40%來源于發(fā)電,34%源自交通,26%源自其他工業(yè)生產(chǎn)。需要指出的是,二氧化碳捕集過程包括二氧化碳的壓縮過程,一般而言,為了運(yùn)輸二氧化碳,CO2必須呈液態(tài)或稠態(tài)(dense phase),這是由于氣態(tài)體積太大,運(yùn)輸成本會(huì)非常高。所以捕集的二氧化碳都會(huì)壓縮成稠態(tài),也就是可以直接進(jìn)行運(yùn)輸。 就一個(gè)燃燒反應(yīng)來講,燃料與氧化劑反應(yīng)生成廢氣,并釋放反應(yīng)熱,熱量可用來發(fā)電?梢钥吹饺剂,氧化劑,燃燒產(chǎn)物(廢氣)和反應(yīng)熱是一個(gè)燃燒反應(yīng)的四要素。為了捕集二氧化碳,我們可以分別對(duì)燃料,氧化劑和燃燒產(chǎn)物采取措施,從而可以得到燃燒前捕集(pre-combustion),富氧捕集(oxy- combustion), 燃燒后捕集(post-combustion)。 先介紹下post-combustion。如果以空氣為氧化劑(絕大多數(shù)已有的電廠),燃煤電廠尾氣中二氧化碳的含量(質(zhì)量)大約為13%左右,而燃?xì)怆姀S大約為6%左右。將尾氣中的二氧化碳可采用物理或化學(xué)的方法把二氧化碳分離出來。相比于其他兩種方式而言,它的明顯優(yōu)勢就是可以應(yīng)用到一些已有的電廠里,可用于電廠的改造。不足在于尾氣中二氧化碳的分壓太低,耗能較大。 最常見的用于post-combustion的當(dāng)屬胺類溶液,吸收效果好,缺點(diǎn)在于二氧化碳解吸耗能較大,此類裝置已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,我國第一個(gè)二氧化碳捕集裝置(神華集團(tuán))采用此類工藝。另一類為氨水類溶液,雖然解吸能耗小,但氨損失較多,為了減少損失,需要附加低溫裝置,導(dǎo)致能耗也較大,但氨水類溶液也已接近工業(yè)化,阿爾斯通公司在該工藝走在了最前沿。還有一類為碳酸鹽類溶液,譬如碳酸鉀類溶液,這一類的優(yōu)點(diǎn)在于解吸能耗小。也有用碳酸鹽或者硅酸鹽的,譬如用硅類鹽和二氧化碳反應(yīng)生成復(fù)雜的鹽類,此類反應(yīng)均在高溫下進(jìn)行,通過熱量集成可降低能耗,據(jù)報(bào)道此類工藝能耗由于胺類工藝。最近的研究有使用離子液體作為二氧化碳吸收溶液的,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該考慮到離子液體價(jià)格昂貴,二氧化碳解吸能耗等問題。此外,還有使用金屬絡(luò)合離子溶液等各種新型溶液。另一大類用于 post-combustion的是采用物理法吸收。比較常見的有活性炭類,膜類以及各種有機(jī)溶液等。物理法吸收二氧化碳對(duì)煙氣中二氧化碳的濃度要求比較高,吸收速率和吸收能力往往受到限制。 以胺類溶液捕集二氧化碳為例,若應(yīng)用于煤電廠,將使電廠效率下降9.7個(gè)百分點(diǎn),若應(yīng)用于天然氣電廠,電廠效率將下降6個(gè)百分點(diǎn),主要耗損在溶劑再生和二氧化碳?jí)嚎s上面。一般而言,post-combustion應(yīng)該首先考慮用于天然氣電廠,就目前的研究情況講,post-combustion工業(yè)化已趨成熟。 接下來介紹oxy-combustion。如果我們?cè)噲D對(duì)燃燒反應(yīng)的氧化劑采取對(duì)策,譬如用氧氣替代空氣進(jìn)行燃燒,就可以得到富氧捕集法。Oxy- combustion針對(duì)post-combustion中煙氣里二氧化碳濃度較低特點(diǎn),采用氧氣替代空氣進(jìn)行燃燒,從而使燃燒后的煙氣主要含有二氧化碳和水(體積分?jǐn)?shù)大概為70%和15%左右,其余為氮?dú)猓鯕,氬等其他氣體),直接將水冷凝下來后,通過低溫閃蒸純化二氧化碳,即可捕集二氧化碳。這類方法優(yōu)點(diǎn)在于免去溶劑吸收和解吸過程,在能耗方面有較大的改進(jìn)潛力,但目前能耗仍和其他捕集方法相當(dāng),另外只能應(yīng)用到新建電廠和已有電廠的改造。 富氧捕集存在兩大難題,一則是富氧燃燒導(dǎo)致燃燒室溫度較高,一般采用部分煙氣循環(huán)的方式解決,另一則是氧氣的獲得。一般而言,氧氣濃度越高,煙氣中二氧化碳濃度越高,二氧化碳純化過程越簡單。就規(guī)模而言,目前只有深冷空分法才能提供如此大規(guī)模的氧氣,甚至目前最大規(guī)模的空分裝置都難以滿足一個(gè)中型發(fā)電廠富氧捕集的供氧需要。一個(gè)300MW的天然氣電廠,一天耗氧約4200噸,當(dāng)前日產(chǎn)4000噸氧氣的空分裝置并不多見。深冷空分法捕集二氧化碳對(duì)氧氣純度的要求大約為95%(體積),一般而言,純度低于95%時(shí),空分裝置主要在分離氧氣和氮?dú),大?5%時(shí),空分裝置則在分離氧氣和氬,由于氬和氧氣的沸點(diǎn)很接近,空分的能耗將顯著上升。富氧捕集法的能耗主要消耗在空氣分離和二氧化碳純化上。目前空分裝置的能耗是理論耗功的5~10倍左右,產(chǎn)生每公斤氧氣(純度95%)的能耗大約為0.22kWh電能,理論上大約為0.05kWh電能,這種熱力學(xué)損失主要發(fā)生在壓縮機(jī)上。此類方法捕集二氧化碳使得電廠發(fā)電效率降低大約10個(gè)百分點(diǎn),其中空分裝置大約貢獻(xiàn)6.5個(gè)百分點(diǎn),二氧化碳的純化和壓縮貢獻(xiàn)3.5個(gè)百分點(diǎn)。通過對(duì)該工藝的理論功(exergy)計(jì)算發(fā)現(xiàn),該工藝?yán)碚撋现辽偈沟秒姀S發(fā)電效率下降3.4個(gè)百分點(diǎn)。據(jù)法液空公司的最新研究,他們可以將每公斤氧氣的能耗降到0.14kWh,從而使得電廠的發(fā)電效率僅下降6個(gè)百分點(diǎn)左右,他們進(jìn)一步的研究目標(biāo)是使得電廠的發(fā)電效率損失控制在4.7個(gè)百分點(diǎn),這樣富氧捕集法在能耗上將明顯優(yōu)于其他捕集方法。 另一大類富氧捕集法可稱為載氧體燃燒法(chemical loopingcombustion)【還沒看到很好的翻譯】,它主要是為了克服深冷法分離空氣耗能太大的弊端,思路為用金屬和空氣反應(yīng)生成金屬的氧化物,然后用該金屬的氧化物和煤粒反應(yīng)使得金屬得以還原。這類方法實(shí)際上也是在氧化劑上做文章,換句話講,如果我們能找到和燃料發(fā)生高效氧化反應(yīng)的氧化劑,那么我們就邁出了一大步。制氧其實(shí)也有其他方法,但規(guī)模和能耗上都并不能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的方法。載氧體燃燒法在思維創(chuàng)新上是一個(gè)大的突破,但反應(yīng)的效果并不是很理想,目前人們?nèi)栽诎l(fā)現(xiàn)新的載氧體上進(jìn)行探索。 富氧燃燒(深冷法提供氧氣)應(yīng)用在煤電廠,使得電廠效率大約下降6~10個(gè)百分點(diǎn),應(yīng)用在天然氣電廠,將下降約11個(gè)百分點(diǎn)。因此富氧燃燒應(yīng)首先考慮應(yīng)用到煤電廠上,此外直接能用于富氧燃燒的天然氣輪機(jī)目前還未能研發(fā)出,原因在于燃燒溫度過高,對(duì)輪機(jī)的材料要求較高。目前,富氧燃燒的工業(yè)應(yīng)用尚不成熟。 最后介紹燃燒前捕集,Pre-combustion。前面提到,如果我們?cè)噲D對(duì)燃燒反應(yīng)的燃料采取措施,則可得到燃燒前捕集。燃燒前捕集的思路是將燃料轉(zhuǎn)化為含二氧化碳的合成氣,捕集二氧化碳后,再和空氣直接燃燒。最為常見的為煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)和二氧化碳捕集相結(jié)合,其思路是煤和水及氧氣反應(yīng)生成合成氣(一氧化碳和氫氣),合成氣和水發(fā)生反應(yīng)(一氧化碳轉(zhuǎn)為二氧化碳)得到二氧化碳和氫氣,對(duì)此混合氣進(jìn)行分離,即可分離出二氧化碳得到氫氣,氫氣進(jìn)而和空氣反應(yīng)放熱發(fā)電。燃燒前捕集可使得混合氣中二氧化碳的分壓得到一定程度上的增加,從而使得操作成本和能耗有所下降,此外IGCC工藝將煤氣化,使得其他一些污染物(如硫化物等)易于得到控制。此外,天然氣及其他一些合成氣,煤焦油等都可采用燃燒前捕集。一般而言,燃燒前捕集同樣需要空分裝置來提供少量的氧氣,從而使得能耗有所增加。 IGCC捕集二氧化碳工藝使得電廠的發(fā)電效率大概降低6.5~ 8.6個(gè)百分點(diǎn),消耗在一氧化碳的轉(zhuǎn)化反應(yīng),二氧化碳的壓縮,二氧化碳的分離,氧氣的獲取等上面。燃燒前捕集的工業(yè)應(yīng)用尚不成熟,但有較大的改進(jìn)前景。 這里要提到一種特殊的post-combustion捕集法- 直接深冷捕集法。拿煤電廠來說,煙氣中二氧化碳的含量大約為13%(質(zhì)量),其余為氮?dú),水,氧氣等。而空氣中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為23.%,能否直接用深冷法分離二氧化碳?由于它們蒸汽壓的不同,當(dāng)溫度降到一定程度,二氧化碳將首先得以分離。這種方法和深冷空分法相類似,對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)此類方法的優(yōu)點(diǎn): a.二氧化碳的分子量大于氧氣,相比從氮?dú)庵蟹蛛x氧氣而言,二氧化碳和氮?dú)獾姆蛛x將更為容易;b.相比空氣分離而言,此方法處理的煙氣體積流量小,使得設(shè)備體積更;c.此方法所需的最低溫度高于空氣分離所需的最低溫度,從而對(duì)材料的要求更低;d.此方法將直接得到固態(tài)或者液態(tài)二氧化碳,便于二氧化碳的壓縮。據(jù)報(bào)道,此方法的能耗要優(yōu)于富氧捕集及其他的燃燒后捕集法,成本也更低。但此方法至少存在兩大難題,一則適用范圍有限,受限于煙氣中二氧化碳的濃度,若濃度太低,則此方法不大實(shí)用,另外在煙氣的濃度范圍內(nèi),隨著溫度的降低,二氧化碳不會(huì)液化,而是直接呈固態(tài)(相平衡決定),使得管道堵塞等問題很難解決。 還要提到的一種捕集方式可稱作部分捕集方式(partialcapture),由麻省理工學(xué)院提出,主要應(yīng)用于燃燒后捕集技術(shù),目的是減少二氧化碳捕集的投資和操作成本。由于煙氣量很大,受到設(shè)備尺寸的限制,有時(shí)如果要對(duì)所有的煙氣進(jìn)行處理,將會(huì)使得投資和操作成本顯著增加,如果僅對(duì)部分煙氣進(jìn)行處理(另一部分煙氣直接排放),則會(huì)使得二氧化碳捕集的成本得到明顯下降。 捕集二氧化碳(85~95捕集率)將使得每度電成本增加0.012~0.036美元,捕集每噸二氧化碳的成本約為11~57美元不等(包括二氧化碳的壓縮過程,但不包括運(yùn)輸和封存)。 前面綜述了各種二氧化碳捕集方法,需要說明的是,我們必須認(rèn)識(shí)到目的所在,如果是為了解決溫室效應(yīng),還有其他很多種思路,同理,如果為了解決二氧化碳問題,同樣有其他多種手段,譬如發(fā)展新能源等。捕集二氧化碳的方式多樣化,我們也同樣不能局限于上面已有的各種方法,二氧化碳問題雖然是個(gè)久經(jīng)研究的問題,但仍有很多東西可以創(chuàng)新,每一個(gè)不起眼(哪怕很幼稚)的想法最后都可能得到應(yīng)用,實(shí)際上筆者認(rèn)為很多二氧化碳捕集方法看起來確實(shí)有些幼稚,但又是一種無奈之舉,真正推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的不是某個(gè)人或團(tuán)體,而是人民大眾的智慧。 2. 二氧化碳運(yùn)輸 二氧化碳捕集后,需運(yùn)輸?shù)椒獯娴攸c(diǎn)?刹捎每ㄜ,輪船或管道輸送到指定地點(diǎn),被運(yùn)輸?shù)亩趸伎梢杂袣庖汗倘N狀態(tài)。選用何種方式進(jìn)行運(yùn)輸,需要考慮捕集地和封存地之間的地理位置,同時(shí)要考慮設(shè)備投資和操作費(fèi)用。管道運(yùn)輸和輪船運(yùn)輸是用得最多的兩種方式。一般來說,距離不太遠(yuǎn)時(shí),可采用管道運(yùn)輸,距離過遠(yuǎn)時(shí),則采用輪船運(yùn)輸。 如果選用管道壓縮,二氧化碳大約被壓縮到110 個(gè)大氣壓,該壓力下能保證環(huán)境溫度下二氧化碳在管道中呈稠態(tài)(densephase),使得管道尺寸大大減小。管道運(yùn)輸對(duì)二氧化碳中的水,氧氣,硫化氫等雜質(zhì)有特殊的限制要求,以避免對(duì)管道的腐蝕作用。管道運(yùn)輸要求二氧化碳?jí)嚎s到較高的壓力,且管道設(shè)施投資大。0.8米直徑的管道每1千米投資大約為60萬美元,采用此種管道將1噸的二氧化碳輸送250千米的操作費(fèi)用約為1.5美元。 如果輪船運(yùn)輸,二氧化碳需壓縮到6個(gè)大氣壓以上,溫度保持在-52攝氏度左右,二氧化碳在此條件下呈液態(tài)。此種方式應(yīng)用于小規(guī)模的二氧化碳運(yùn)輸,二氧化碳的液化耗能較大。若輪船運(yùn)輸,2萬噸到3萬噸級(jí)的輪船造價(jià)約為5000到7000萬美元,1個(gè)100萬噸/年的二氧化碳液化裝置投資大約5000萬美元,目前最大的液化裝置處理能力為35萬噸/年。若將二氧化碳輸送到7600公里遠(yuǎn),費(fèi)用約為每噸34美元(不包括液化)或40美元(包括液化過程)。若不包括液化過程,500公里的運(yùn)費(fèi)大約為每噸20美元,1500公里大約為每噸22美元,4500公里大約為28美元。 3. 二氧化碳封存 CCS應(yīng)該說最大的難題在于二氧化碳的封存,可以說目前也沒有找到很有效的封存方式,主要原因在于人們擔(dān)心封存的二氧化碳會(huì)重新泄露到大氣層里。當(dāng)前的封存方式主要有以下幾種。 一是將高壓的二氧化碳注入到海底深入。在海面下500米內(nèi),二氧化碳可能會(huì)以氣態(tài)的形式逸出;在500米到2500米,二氧化碳以液態(tài)的形式存在,但密度小于海水,二氧化碳有可能浮到海面最終逸出;在2500米以下,二氧化碳以液態(tài)存在,且密度大于海水,可視作較為安全了。一般認(rèn)為,3000米以下的海洋區(qū)域才可作為二氧化碳封存地。海洋封存目前較為成熟,挪威北海1996年建立了世界首個(gè)二氧化碳封存裝置,迄今裝置運(yùn)行良好,封存的二氧化碳未出現(xiàn)泄漏情況。但人們對(duì)海洋封存仍然存在兩大擔(dān)憂,一則是可能會(huì)造成海水酸化,破壞生態(tài),二則封存的二氧化碳一旦受到地殼的影響重新進(jìn)入大氣層,則所有的努力付諸東流。二氧化碳的海洋封存費(fèi)用主要有二氧化碳的運(yùn)輸和封存構(gòu)成,輪船運(yùn)輸100到500千米封存1噸二氧化碳的費(fèi)用約為13.8到15.2美元。管道運(yùn)輸短距離來講(100千米),封存費(fèi)用低于輪船運(yùn)輸,長距離(大于500千米),封存費(fèi)用則高于輪船運(yùn)輸。采用管道運(yùn)輸100到500千米封存1噸二氧化碳到 3000米海平面下的費(fèi)用為6.2美元到31.1美元。 二是將二氧化碳埋到地下,進(jìn)行地質(zhì)封存。在地下800到1000米處,超臨界狀態(tài)的二氧化碳具有液體特性。此項(xiàng)技術(shù)也較為成熟,在阿爾及利亞建有示范裝置。另外,將二氧化碳注到快要枯竭的油井里,可使得采油率提升,此項(xiàng)技術(shù)被稱作EOR,在石油工業(yè)上開始廣泛應(yīng)用。這些都為二氧化碳地質(zhì)封存提供了技術(shù)保障。把二氧化碳埋藏到煤床里,可以提高甲烷的采出量,但這種技術(shù)有待進(jìn)一步研究。將二氧化碳直接埋藏到廢棄的天然氣井或油井里,則可視作非常成熟的技術(shù),此類機(jī)理研究較為全面,如果天然氣能夠安全的封存在地下,人們找不出其他理由為什么二氧化碳不能老老實(shí)實(shí)的待在地下。二氧化碳地下封存的費(fèi)用取決于封存地的選擇,大約封存每噸二氧化碳花費(fèi)0.6到8.3美元不等,如果應(yīng)用到EOR里,二氧化碳的封存則可以盈利每噸10-16美元。 此外還可以將二氧化碳注到鹽堿湖。二氧化碳可與鹽堿湖里的一些堿性物質(zhì)反應(yīng)生成礦物質(zhì)鹽,從而達(dá)到固碳的功能。另外二氧化碳可以與一些硅酸鹽物質(zhì)反應(yīng)生成二氧化硅和碳酸鹽物質(zhì),從而達(dá)到固碳的功能。 總體而言,對(duì)于燃煤電廠,CCS(包括捕集,運(yùn)輸和封存)費(fèi)用大概為每噸30~70美元,對(duì)于天然氣電廠而言,大概為40~90美元。 這里可以看到,二氧化碳封存問題的本質(zhì)其實(shí)就是找到一個(gè)穩(wěn)固的碳匯,使得二氧化碳得以封存,避免進(jìn)入到大氣層。植物也可以起到固定二氧化碳的功能,所以植樹造林本身也是一項(xiàng)二氧化碳封存技術(shù),而且該技術(shù)比起其他技術(shù)更成熟,更安全,也更適合每個(gè)普通人去做。 (更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)查看二氧化碳空間論壇:http://www.co2space.com/bbs/) [ Last edited by 付超 on 2010-7-21 at 02:54 ] |
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