[科普中國]-二氧化碳封存技術(shù)

釋義

二氧化碳封存是指將大型排放源產(chǎn)生的二氧化碳捕獲、壓縮后運(yùn)輸?shù)竭x定的地點(diǎn)長期保存，而不是釋放到大氣中。二氧化碳的封存技術(shù)尤其是地質(zhì)封存正得到越來越多的關(guān)注與研究，美國、歐盟、日本、澳大利亞等都制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，開展二氧化碳封存技術(shù)的理論、試驗(yàn)、示范以及應(yīng)用研究。1

運(yùn)輸條件把捕集到的CO2輸送到利用或者封存地點(diǎn)，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體條件、要求、輸送量等選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸方式。CO2的運(yùn)輸狀態(tài)可以是氣態(tài)、超臨界狀態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，但是從大規(guī)模運(yùn)輸?shù)目尚行詠砜?，流體態(tài)（氣態(tài)、超臨界和液態(tài)）CO2便于大規(guī)模運(yùn)輸，管道運(yùn)輸通常采用超臨界狀態(tài)。目前已經(jīng)實(shí)踐過的CO2運(yùn)輸方式主要有管道運(yùn)輸、輪船運(yùn)輸和罐車運(yùn)輸。這三種運(yùn)輸方式適合不同的運(yùn)輸場合與條件。管道運(yùn)輸適合大容量、長距離、負(fù)荷穩(wěn)定的定向輸送。輪船適合大容量、超遠(yuǎn)距離、靠近海洋或江河的運(yùn)輸。罐車運(yùn)輸適用于中短距離、小容量的運(yùn)輸，其運(yùn)輸相對(duì)靈活。

封存技術(shù)目前，較大規(guī)模的CO2封存方式主要有地質(zhì)封存、地表封存和海洋封存三大類。

地質(zhì)封存地質(zhì)封存的基本原理就是模仿自然界儲(chǔ)存化石燃料的機(jī)制，把CO2封存在地層中，CO2可經(jīng)由輸送管線或車船運(yùn)輸至適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)后，注入特定地質(zhì)條件及特定深度的地層中。目前所提出適合作CO2地質(zhì)封存的地質(zhì)條件，包含舊油氣田、難開采煤層、深層地下水層等地質(zhì)環(huán)境。

比較理想的地質(zhì)封存環(huán)境是無商業(yè)開采價(jià)值的深部煤層（同時(shí)促進(jìn)煤層天然氣回收）與油田（同時(shí)促進(jìn)石油回收）、枯竭天然氣田、深部咸水含水地層。在每種類型中，CO2的地質(zhì)封存都將CO2壓縮液注入地下巖石構(gòu)造中。封存深度一般要在800m以下，該深度的溫壓條件可使CO2處于高密度的液態(tài)或超臨界狀態(tài)。二氧化碳埋藏其間的時(shí)間跨度為數(shù)千年甚至上萬年，為防止二氧化碳在壓力作用下返回地表或向其他地方遷移，地質(zhì)構(gòu)造必須滿足蓋層、儲(chǔ)集層和圈閉構(gòu)造等特性，方可實(shí)現(xiàn)安全有效埋藏。

常規(guī)地質(zhì)圈閉構(gòu)造包括油田、氣田和不含烴的儲(chǔ)氣層（主要是深部含鹽水層）三種。對(duì)于前兩種，由于熟悉已開采油氣田的構(gòu)造和地質(zhì)條件，利用它們來儲(chǔ)存CO2相對(duì)容易。利用含鹽水層儲(chǔ)存有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是含鹽水層的圈閉構(gòu)造比油田和氣田更普遍；二是在含鹽水層中可能有一些適于儲(chǔ)存CO2的巨大儲(chǔ)氣構(gòu)造。此外，還有一點(diǎn)不同的是，CO2注入含鹽水層后，經(jīng)過流體力學(xué)的反應(yīng)，可在含水地層中穩(wěn)定上萬年，礦物地層和和富含CO2的含水層之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使CO2轉(zhuǎn)化為無害的碳酸鹽沉淀下來，可以保存上百萬年。

非常規(guī)地質(zhì)圈閉構(gòu)造的處理包括海上與陸地兩部分，利用非常規(guī)地質(zhì)圈閉構(gòu)造來儲(chǔ)存CO2也是有效的方法?？赡艿牡刭|(zhì)構(gòu)造或結(jié)構(gòu)包括玄武巖、鹽穴、廢棄礦井以及深海海底，都是潛在的封存CO2地點(diǎn)的選擇對(duì)象，在沿岸和沿海的沉積盆地中也可能存在合適的封存構(gòu)造，有充分滲透性且以后不可能開采的煤炭，也可能用于封存CO2，此外，把CO2埋存在地下深部的不可采深煤層還能增加煤層氣的產(chǎn)量。2

地表封存地表封存的基本原理是使CO2與金屬氧化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成固體形態(tài)的碳酸鹽及其他副產(chǎn)品。地表封存所形成的碳酸鹽，也是自然界的穩(wěn)定固態(tài)礦物，可在很長的時(shí)間中提供穩(wěn)定的CO2封存效果。CO2地表封存的可行性取決于封存過程所需提供的能量成本、反應(yīng)物的成本以及封存的長期穩(wěn)定性三個(gè)因素。每封存1t的CO2約需要1.6～3.7t含堿土金屬的硅酸鹽巖石，并會(huì)產(chǎn)生2.6～4.7t的廢棄物。一旦CO2經(jīng)地表封存為碳酸鹽礦物后，其封存穩(wěn)定性可高達(dá)千年以上，相對(duì)于地質(zhì)、海洋等其他封存機(jī)制，其封存后的監(jiān)管成本較低。整體而言，CO2地表封存技術(shù)尚未成熟，高操作成本、礦業(yè)開采作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響等議題，是后續(xù)研究的重點(diǎn)。3

海洋封存海洋封存的基本原理是利用海洋龐大的水體體積及CO2在水體中不低的溶解度，使海洋成為封存CO2的容器。目前海水中所含碳的總量約為大氣層的50倍，植物及土壤中總和的20倍。CO2海洋封存的潛在容量遠(yuǎn)大于化石燃料的含量，海水能自大氣層吸收CO2的潛在能力，取決于大氣層的CO2濃度和海水的化學(xué)性質(zhì)。而吸收速率的高低，則取決于表層及深層海水的混合速率。海洋每年要吸收約70×10t CO2，受限于表層及深層海水間的緩慢對(duì)流，目前，僅在大約1000m深的海洋水體中發(fā)現(xiàn)了因人類活動(dòng)所排放CO2的證據(jù)。就阻隔CO2返回大氣層而言，灌注深度越深隔離效果越好。目前，CO2的海洋封存都是把CO2灌注于海洋的斜溫層以下，以期獲得更好的封存效果。被灌注到深海中的CO2，可以是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)或水合物形態(tài)，不同灌注形態(tài)CO2的溶解速率會(huì)有差別。增加海水中CO2的濃度，會(huì)對(duì)海洋生物造成不利的影響，例如降低生物鈣化、繁殖及成長速率、遷移能力等。雖然CO2海洋封存已歷經(jīng)近30年的理論發(fā)展、試驗(yàn)室試驗(yàn)和小規(guī)模現(xiàn)場測(cè)試以及模式模擬研究，但截至目前為止，尚缺乏大規(guī)模CO2海洋封存的操作實(shí)例。

一個(gè)潛在的CO2封存方案是將捕獲的CO2直接注入深海，深度在1000m以上，大部分CO2在這里將與大氣隔離若干世紀(jì)。該方案的實(shí)施辦法是：通過管道或船舶將CO2運(yùn)輸?shù)胶Ｑ蠓獯娴攸c(diǎn)，從那里再把CO2注入海洋的水柱體或海底。被溶解和消散的CO2隨后會(huì)成為全球碳循環(huán)的一部分。