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大气中的二氧化碳,压回到安全的地下场所

碳捕捉碳捕捉

碳捕捉,即carbon capture and storage (CCS), 含义为将工业生产中的二氧化碳用各种手段捕捉然后储存或者利用的过程。就是捕捉释放到大气中的二氧化碳,压缩之后,压回到枯竭的油田和天然气领域或者其他安全的地下场所。

基本信息

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中文名:碳捕捉

别名:CCS、CCUS

有害气体:温室气体

原理:二氧化碳和胺类物质发生反应

封存:埋于地下

释义:捕捉释放到大气中的二氧化碳

成本:25美元

简介

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捕捉

碳捕捉,吸引力在于能够减少燃烧化石燃料产生的有害气体——温室气体。在世界石油会议(WPC)上,能行业的老总们都热切希望把它当作一个解决气候将变暖的方案。但是,技术瓶颈仍然存在,大规模发展的价格依然昂贵,让项目进行困难重重。

封存

一个经常被谈及的可能性就是碳捕捉和封存(CCS),也就是把二氧化碳深埋于地下。能源公司对这项技术有着很高的期望(见图表)。

但是有两个问题。其一是没人知道这项技术是不是真的那么管用(或者说,是不是深埋的二氧化碳不会泄露)。另外一点便是虽然我们还不知道效果如何,可以肯定的一点是CCS技术很贵--它高昂的成本甚至使替代能源都显得十分具有吸引力。

原理

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捕捉:

对二氧化碳的捕捉主要有三种方式:

  • 1.

    燃烧后捕捉(post-combustion capture,简称 PCC):顾名思义,就是在工艺的燃烧部分之后进行捕捉。由于一般对 CO2的捕捉多用于发电厂,因此往往在电厂燃烧段之后放置一吸收分离装置,使用溶剂对 CO2进行吸收,最后则吹脱出 CO2气体并压缩,进入运输管道。

  • 2.

    燃烧前捕捉(pre-combustion capture或integrated gasification combined-cycle,简称 IGCC):与 PCC 相反的,在IGCC 中首先通入氧气或者空气,将煤炭和生物质燃料等原料气化,再进入燃烧段进行反应,与此同时通入一定的水蒸气,最终的产物有 CO2、CO、H2、N2以及硫化物等。由于此时的混合合成气(syngas)气压很高(约30-50个大气压),对 CO2的分离就变得容易很多。最后 CO2经过吸收/吸附/膜分离等技术处理后被压缩和运输,进入下一个步骤。剩下的气体则或被排空(N2等),或被再次利用(CO、H2等)。

  • 3.

    氧气燃烧(Oxy-combustion):该方法主要是通过将空气中的氮气与氧气分离,使用纯氧对燃料进行燃烧,从而可以提高燃烧效(大约提高17%-35%),提高 CO2的纯度,降低 CO等副产物的产生。

    上述三种方法各有优缺点,可以用于适应不同的情况:

  • PCC 主要的优点在于改造幅度最小,从而意味着最小的改造资金投入,一般认为是比较经济的做法,在欧盟地区得到普遍的采用。该方法主要使用0.3g/g 的乙醇胺(C2H7NO)溶剂对 CO2进行吸收,从而也带来一些问题,比如:乙醇胺溶液的再生需要耗费巨大的能量,溶剂的挥发对环境的影响以及其降解产物的影响等。所以之后也有学者研究了替代溶剂,如日本三菱的 KS1和 KS2溶剂和BASF’s OASE 蓝(GUSTAV200)等用以改善现状,可喜的是目前已经通过中试,有可能会很快投入使用。

  • IGCC 目前主要面临的问题是成本较高。由于需要将煤炭等燃料气化,不论是改造的投资费用还是后期运行费用均较高,另一方面该方法降低了一定的燃烧效率(约38%-43%,而一般的煤粉燃烧大概在44%左右),因此使用该技术的试点单位还不多。然而,该方法的优点在于提高了压强,更高的 CO2比例以及更小的气体流量,同时还可能同时产出 H2等能源气体,从而降低投资费用。

  • Oxy-combustion经过多年发展,也已经得到了广泛的应用。该技术的关键在于将空气提纯,得到氧气浓度大于95%的混合气,通入到燃烧室中。然而提纯的步骤需要耗费大量的能源,如何降低能量的消耗一直是近些年来研究的目标。同时Oxy-combustion 还被用于其他行业,比如炼油厂(refinery)、水泥(cement)行业、钢铁(iron and steel)行业等,但目前还处于比较初级的阶段。

    埋藏

    二氧化碳的封存一般适合以下地质结构:

  • 1.

    成熟或已经耗尽的气油田地质结构。

  • 2.

    深层盐碱含水层。

  • 3.

    废弃的含煤层。

    在这样的深度,压力会将二氧化碳转换成所谓的“超临界流体”,只有这样状态的二氧化碳才不容易泄露。

  • 成本

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    概念

    碳捕捉碳捕捉

    关于成本,根据麻省理工大学去年发表的一份报告,捕捉每吨二氧化碳并将其加压处理为超临界流体要花费25美元,将一吨二氧化碳运送至填埋点需要花费5美元。这也就是说,发电厂每向大气中排放一吨二氧化碳就要支付30美元;这一数字接近联合国政府间气候变化专门委员会建议的碳价格的中间值和欧盟现行的碳价格。另外,一份由一家名为Synapse Energy Economics的咨询公司发布的报告提出,美国的能源公司已经开始在内部审计中按每吨3元到61元不等计算碳价。而这一范围的中间值也是30美元。

    改变

    这样的价格,无论是作为碳税还是在排放权交易的制度中,都将大大改变能源经济。但即使是CCS最乐观的拥护者也质疑这项技术在2020年之前是不是真的能得到大范围推广。而到了那个时候,无论是地球的气候还是政治环境都会大不相同。

    位于伊利诺伊州的“未来发电”项目是一次调查CCS在实际发电中效果的认真尝试。但这个项目于一月份宣告取消,原因是预计成本从8亿3000万美元猛增至18亿美元。

    困难

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    四大难题

    必须克服的困难是令人畏缩的,它要求国际合作、创新、巨额投资项目和公众接受。所有这些都要通力配合才能敌过全球变暖的步伐。

    首先,在化石燃料和能源生产的过程中捕捉二氧化碳所需的费用是极其昂贵的。

    第二,埋藏地点必须经过检验。在那儿,二氧化碳不能泄漏,必须修建包括油轮和管道在内的设施来运输二氧化碳到这些地点。

    第三,由于成本原因,还没有各类环保公司有意向在(碳捕捉)CCS技术上进行投资,美国麻省理工学院的一项研究提出碳捕捉(CSS)处理二氧化碳的成本约30美元(19欧元)每吨。这就要求要么提高碳税抵消排放成本,采取碳排放限定及交易许可来取得税金,或者直接采用大量的政府补贴。专家说,面临着市场不断地全球化,一个使二氧化碳排放付出代价的绿色国际协议很有必要。有排放成本才会促使一些企业改进生产,减少污染。

    第四,对于在陆地而不是海上存储,公众可能会有反对意见,因为地震或者其他地质事件有可能将巨大的温室气体重新发散到大气中。

    目标

    作为天然气精炼以及氨、氢工厂工业过程的一部分,在能源生产中分离出了二氧化碳已经基本成功,所以碳捕捉已经完成,下一个目标就是寻找合适的埋藏地点了。

    意义

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    商业意义

    CCS技术不仅可以对气候变化产生作用,还可以实现一定的商业价值。被捕获的碳可以用于石油开采,冶炼厂,甚至汽车业。二氧化碳可以变废为宝,将石油的采收率提高至40-45%。

    能源意义

    潜力相当大。英国政府目前正在考虑将捕获的碳储存到北海油田采空石油后留下的空洞中,而且要把北海油田变为一个碳存储基地。

    示范工程

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    到现在为止,只有三个成功的CCS项目处在进行中。

    Weyburn-Midale项目填埋的是北达科他萨斯喀彻温省一座废弃油田的煤炭气化厂产生的二氧化碳。英国石油公司经营的阿尔及利亚萨拉油田项目把从当地生产的天然气中提取的二氧化碳输入地下。挪威大型石油天然气公司国家石油公司也在北海的有两处类似的项目。而这些项目事实上都与发电没有关系。几年之前,这些项目还大受追捧。但现在,追捧者开始紧张了,不敢立刻上马新的项目。

    问题很严重。上述的三个“示范工程”每年处理100万吨二氧化碳,但仅美国的发电厂每年二氧化碳排放量就达到15亿吨。这也就意味着仅美国就要找1500个合适的地点建立CCS项目,而且没人知道在美国是不是真的能找到那么多合适的地方。甚至把如此大量的二氧化碳运到处理厂也是一个巨大的工程。

    理想场所

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    国外场所

    碳捕捉:东北地区和东南海域是理想场所

    所谓“碳捕捉”,就是捕捉释放到大气中的二氧化碳,压缩后,封存到枯竭的油田或其他安全的地下场所。早在上世纪70 年代,欧美能源专家便开始研究该技术。目前,随着新一轮全球气候问题大讨论的展开,“碳捕捉”一下子又成为新能源技术中的大赢家。在美国,奥巴马政府上台后,便把“碳捕捉”列入推荐清洁煤的关键一环,美国能源部计划在未来10年投入4.5亿美元在美国7 个地区进行“捕捉和存储”

    位于英国蒂斯河畔斯托克顿(Stockton-on-Tees)市的航空燃料合成公司(Air Fuel Synthesis)称,自今年8月份以来,他们便开始利用一家小型精炼厂以提取汽油。该项目可从二氧化碳和水蒸气中合成燃料,而如今他们已经成功研制出5公升的汽油。

    目前,众多专家均称此项目是一项难以置信的突破,并且在人类长期以来与气候变迁以及日益加剧的全球能源危机的斗争中有望成为“游戏规则的改变者”。

    虽然航空燃料公司仍在推进其研究项目并仍需要使用国家电力系统,但该公司相信最终他们会从这些可再生资源中使合成物产生整体性的效果。

    产生汽油的原理图 产生汽油的原理图

    另外,该公司还希望在未来两年内建立一家日产量能达到1吨的具有商业规模的工厂,同时也希望扩大其在环保航空燃料方面的影响,进而使航空飞行更加环保。

    据悉,该技术首先使氢氧化钠与空气混合,接着电解混合得到的碳酸钠并释放出纯二氧化碳。而释放出的纯二氧化碳与水中的氢电解质相互反应后便会得到烃混合物。当然,根据人们对燃料类型的需求不同,研究人员还可变换反应条件,以得到不同成分比例的混合物。

    其所生产出的燃料可供任何型号的汽油使用,只要现场在燃料中加入与之匹配的添加剂即可。

    同时,该燃料还可直接与汽油、柴油以及航空燃料相合成。

    航空燃料合成公司CEO彼特-哈里逊(Peter Harrison)上周将该科学突破公布在于伦敦举办的机械工程师协会(Institution of Mechanical Engineers)大会上。在接受记者采访时,他说道:“我们正在将可再生电能转换成一项更具通用性、可用性以及存储性的能源,比如液体交通燃料。我们认为,截至2014年时,如果能得到资金支持使项目继续的话,我们就能利用可再生能源生产出汽油并使之商业化。”

    据了解,从空气中提取汽油对新兴绿色经济来说简直就是“圣杯”,它可有效地从大气中消除主要的工业温室气体。

    然而,将提取出的二氧化碳循环再生出可用于现有引擎的燃料,则有望改变世界的环境和经济格局。

    但是目前,该项目还相当昂贵,光是提取1吨二氧化碳便要花费400英镑。

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