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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(shù)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(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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、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40～60℃ ，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(jīng)由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100～140℃和比大氣壓略高的壓力下得到再生。水蒸汽經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)物、燃料或泄漏進入系統(tǒng)的空氣中的惰性成分等。經(jīng)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(jīng)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(jīng)過干燥以防止在管道中出現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)過蒸汽轉化反應，使合成氣中的CO轉化為CO2，并產(chǎn)生更多的H 。最后，將H2從CO2與H 的混合氣中分離，干燥的混合氣中CO2的含量可達15％～60％，總壓力2～7MPa。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(jīng)濟方法是通過管道運輸。管道運輸?shù)某杀局饕?部分組成：基建費用、運行維護成本，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40％～70％。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?shù)某杀疽话銥?～8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l0～30美元/tCO2(或5—15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3.5～6.0美元(t CO2·250km))，與管道運輸?shù)某杀鞠喈敗?/p>

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(xiàn)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CO2進入該巖層原先由巖層流體所占據(jù)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(chǎn)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，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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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，地下水流動速度是很低的，典型的只有每年數(shù)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(xiàn)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。“殘留氣體飽和值”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(jīng)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(jù)，余下的圈閉被鹽水所占據(jù)。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(chǎn)生斷裂，不使現(xiàn)有的斷層成為活動斷層。

地下的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(xiàn)通常稱為溶解捕獲的過程。其次，將形成離子形式，出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(jīng)有了成功的實例。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(xiàn)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(shù)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(jù)有關專家初步估算，預計2025～2030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，我國政府高度重視氣候變化與溫室氣體排放問題，1990～2005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18～10stCO2排放。同時，政府提出了在2006～2010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(jù)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(jīng)濟、政治和社會責任的大型國企．為展現(xiàn)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

①CCS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。

② 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CCS—EOR技術，近年來在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。

③ 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(jīng)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。

④CCS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。

⑤CCS技術的發(fā)展需要加強國際合作，尤其需要在技術、立法、經(jīng)濟等方面進行合作，聯(lián)合國正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。

⑥ 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。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”