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【轉帖】二氧化碳捕集與封存技術 已有7人參與
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（轉二氧化碳空間論壇原創(chuàng)文章，轉載注明出處：http://www.co2space.com/bbs/） 由于人類活動產(chǎn)生的二氧化碳直接排放到環(huán)境中，對環(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期內(nèi)很難動搖化石能源的統(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（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入到大氣圈里。下面對CCS技術作詳細介紹。 1. 二氧化碳捕集 人類活動(除去自然的活動，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，當前人們集中于對電廠尾氣中二氧化碳的處理進行研究。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，運輸成本會非常高。所以捕集的二氧化碳都會壓縮成稠態(tài)，也就是可以直接進行運輸。 就一個燃燒反應來講，燃料與氧化劑反應生成廢氣，并釋放反應熱，熱量可用來發(fā)電�？梢钥吹饺剂希趸瘎�，燃燒產(chǎn)物（廢氣）和反應熱是一個燃燒反應的四要素。為了捕集二氧化碳，我們可以分別對燃料，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（質量）大約為13%左右，而燃氣電廠大約為6%左右。將尾氣中的二氧化碳可采用物理或化學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的當屬胺類溶液，吸收效果好，缺點在于二氧化碳解吸耗能較大，此類裝置已實現(xiàn)工業(yè)化，我國第一個二氧化碳捕集裝置（神華集團）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生成復雜的鹽類，此類反應均在高溫下進行，通過熱量集成可降低能耗，據(jù)報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，實際應用中應該考慮到離子液體價格昂貴，二氧化碳解吸能耗等問題。此外，還有使用金屬絡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，膜類以及各種有機溶液等。物理法吸收二氧化碳對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，若應用于煤電廠，將使電廠效率下降9.7個百分點，若應用于天然氣電廠，電廠效率將下降6個百分點，主要耗損在溶劑再生和二氧化碳壓縮上面。一般而言，post-combustion應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。如果我們試圖對燃燒反應的氧化劑采取對策，譬如用氧氣替代空氣進行燃燒，就可以得到富氧捕集法。Oxy- combustion針對post-combustion中煙氣里二氧化碳濃度較低特點，采用氧氣替代空氣進行燃燒，從而使燃燒后的煙氣主要含有二氧化碳和水（體積分數(shù)大概為70%和15%左右，其余為氮氣，氧氣，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)點在于免去溶劑吸收和解吸過程，在能耗方面有較大的改進潛力，但目前能耗仍和其他捕集方法相當，另外只能應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中型發(fā)電廠富氧捕集的供氧需要。一個300MW的天然氣電廠，一天耗氧約4200噸，當前日產(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氧氣純度的要求大約為95%（體積），一般而言，純度低于95%時，空分裝置主要在分離氧氣和氮氣，大于95%時，空分裝置則在分離氧氣和氬，由于氬和氧氣的沸點很接近，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，這種熱力學損失主要發(fā)生在壓縮機上。此類方法捕集二氧化碳使得電廠發(fā)電效率降低大約10個百分點，其中空分裝置大約貢獻6.5個百分點，二氧化碳的純化和壓縮貢獻3.5個百分點。通過對該工藝的理論功(exergy)計算發(fā)現(xiàn)，該工藝理論上至少使得電廠發(fā)電效率下降3.4個百分點。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個百分點左右，他們進一步的研究目標是使得電廠的發(fā)電效率損失控制在4.7個百分點，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生成金屬的氧化物，然后用該金屬的氧化物和煤粒反應使得金屬得以還原。這類方法實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)生高效氧化反應的氧化劑，那么我們就邁出了一大步。制氧其實也有其他方法，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)新上是一個大的突破，但反應的效果并不是很理想，目前人們?nèi)栽诎l(fā)現(xiàn)新的載氧體上進行探索。 富氧燃燒（深冷法提供氧氣）應用在煤電廠，使得電廠效率大約下降6~10個百分點，應用在天然氣電廠，將下降約11個百分點。因此富氧燃燒應首先考慮應用到煤電廠上，此外直接能用于富氧燃燒的天然氣輪機目前還未能研發(fā)出，原因在于燃燒溫度過高，對輪機的材料要求較高。目前，富氧燃燒的工業(yè)應用尚不成熟。 最后介紹燃燒前捕集，Pre-combustion。前面提到，如果我們試圖對燃燒反應的燃料采取措施，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合，其思路是煤和水及氧氣反應生成合成氣（一氧化碳和氫氣），合成氣和水發(fā)生反應（一氧化碳轉為二氧化碳）得到二氧化碳和氫氣，對此混合氣進行分離，即可分離出二氧化碳得到氫氣，氫氣進而和空氣反應放熱發(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個百分點，消耗在一氧化碳的轉化反應，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)應用尚不成熟，但有較大的改進前景。 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%（質量），其余為氮氣，水，氧氣等。而空氣中氧氣的質量分數(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，對比可以發(fā)現(xiàn)此類方法的優(yōu)點: a.二氧化碳的分子量大于氧氣，相比從氮氣中分離氧氣而言，二氧化碳和氮氣的分離將更為容易；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），由麻省理工學院提出，主要應用于燃燒后捕集技術，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，受到設備尺寸的限制，有時如果要對所有的煙氣進行處理，將會使得投資和操作成本顯著增加，如果僅對部分煙氣進行處理（另一部分煙氣直接排放），則會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，我們必須認識到目的所在，如果是為了解決溫室效應，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久經(jīng)研究的問題，但仍有很多東西可以創(chuàng)新，每一個不起眼（哪怕很幼稚）的想法最后都可能得到應用，實際上筆者認為很多二氧化碳捕集方法看起來確實有些幼稚，但又是一種無奈之舉，真正推動技術進步的不是某個人或團體，而是人民大眾的智慧。 2. 二氧化碳運輸 二氧化碳捕集后，需運輸?shù)椒獯娴攸c�？刹捎每ㄜ�，輪船或管道輸送到指定地點，被運輸?shù)亩趸伎梢杂袣庖汗倘N狀態(tài)。選用何種方式進行運輸，需要考慮捕集地和封存地之間的地理位置，同時要考慮設備投資和操作費用。管道運輸和輪船運輸是用得最多的兩種方式。一般來說，距離不太遠時，可采用管道運輸，距離過遠時，則采用輪船運輸。 如果選用管道壓縮，二氧化碳大約被壓縮到110 個大氣壓，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。管道運輸對二氧化碳中的水，氧氣，硫化氫等雜質有特殊的限制要求，以避免對管道的腐蝕作用。管道運輸要求二氧化碳壓縮到較高的壓力，且管道設施投資大。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250千米的操作費用約為1.5美元。 如果輪船運輸，二氧化碳需壓縮到6個大氣壓以上，溫度保持在-52攝氏度左右，二氧化碳在此條件下呈液態(tài)。此種方式應用于小規(guī)模的二氧化碳運輸，二氧化碳的液化耗能較大。若輪船運輸，2萬噸到3萬噸級的輪船造價約為5000到7000萬美元，1個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，費用約為每噸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公里的運費大約為每噸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心封存的二氧化碳會重新泄露到大氣層里。當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年建立了世界首個二氧化碳封存裝置，迄今裝置運行良好，封存的二氧化碳未出現(xiàn)泄漏情況。但人們對海洋封存仍然存在兩大擔憂，一則是可能會造成海水酸化，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入大氣層，則所有的努力付諸東流。二氧化碳的海洋封存費用主要有二氧化碳的運輸和封存構成，輪船運輸100到500千米封存1噸二氧化碳的費用約為13.8到15.2美元。管道運輸短距離來講（100千米），封存費用低于輪船運輸，長距離（大于500千米），封存費用則高于輪船運輸。采用管道運輸100到500千米封存1噸二氧化碳到 3000米海平面下的費用為6.2美元到31.1美元。 二是將二氧化碳埋到地下，進行地質封存。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。此項技術也較為成熟，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，此項技術被稱作EOR，在石油工業(yè)上開始廣泛應用。這些都為二氧化碳地質封存提供了技術保障。把二氧化碳埋藏到煤床里，可以提高甲烷的采出量，但這種技術有待進一步研究。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，此類機理研究較為全面，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實的待在地下。二氧化碳地下封存的費用取決于封存地的選擇，大約封存每噸二氧化碳花費0.6到8.3美元不等，如果應用到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反應生成礦物質鹽，從而達到固碳的功能。另外二氧化碳可以與一些硅酸鹽物質反應生成二氧化硅和碳酸鹽物質，從而達到固碳的功能。 總體而言，對于燃煤電廠，CCS（包括捕集，運輸和封存）費用大概為每噸30~70美元，對于天然氣電廠而言，大概為40~90美元。 這里可以看到，二氧化碳封存問題的本質其實就是找到一個穩(wěn)固的碳匯，使得二氧化碳得以封存，避免進入到大氣層。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二氧化碳封存技術，而且該技術比起其他技術更成熟，更安全，也更適合每個普通人去做。 （更多詳細內(nèi)容請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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