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1、二氧化碳的捕获运输和封存二氧化碳的捕获运输和封存 CO2 Capture, Transport and Storage (CCTS)前言前言 世界气象组织（世界气象组织（WMO） 和联合国环境规划署（和联合国环境规划署（UNEP） 于于1988年共同创立了政府间气候变化专门委员（年共同创立了政府间气候变化专门委员（IPCC） IPCC职责：职责： （1）评估有关气候变化和影响以及有关减缓和适应气候）评估有关气候变化和影响以及有关减缓和适应气候变化方案的现有科学信息和社会经济信息；变化方案的现有科学信息和社会经济信息； （2）根据要求向联合国气候变化框架公约（）根据要求向联合国气候变化框架公约（
2、UNFCCC）缔约方大会（缔约方大会（COP）提供科学）提供科学/技术技术/社会经济咨询。作社会经济咨询。作为参照的标准文献并得到了政策制定者、科学家和其他为参照的标准文献并得到了政策制定者、科学家和其他专家的广泛采用。专家的广泛采用。 关于二氧化碳捕获和封存的特别报告关于二氧化碳捕获和封存的特别报告研究内容研究内容 CO2的来源的来源 CO2的捕获的捕获 CO2的运输的运输 地质封存技术地质封存技术 海洋封存技术海洋封存技术 成本和经济潜力成本和经济潜力 有待解决的问题有待解决的问题定义和意义定义和意义 二氧化碳（二氧化碳（CO2）捕获和封存（）捕获和封存（CCS）是指是指CO2从工业或相关
3、能源的源分离从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。为稳定大期与大气隔绝的一个过程。为稳定大气温室气体浓度、减缓气候变化做出气温室气体浓度、减缓气候变化做出贡献。贡献。 CO2的运输及封存方案示图的运输及封存方案示图CO2CO2的来源的来源CO2CO2大固定源包括大型化石燃料或生物能源设施、主大固定源包括大型化石燃料或生物能源设施、主要要CO2CO2排放型工业、天然气生产、合成燃料工厂以及排放型工业、天然气生产、合成燃料工厂以及基于化石燃料的制氢工厂。基于化石燃料的制氢工厂。CO2CO2的大固定源：世界范围内每年的大固定源
4、：世界范围内每年CO2CO2排放量在排放量在1010万吨以上的源。万吨以上的源。CO2大固定源的全球分布情况大固定源的全球分布情况 CO2 捕获捕获 CO2捕获的目的是产生能运输到封存地点的纯的捕获的目的是产生能运输到封存地点的纯的CO2高压浓缩液。高压浓缩液。 在大型工厂中，包括天然气加工厂和制氨设备，在大型工厂中，包括天然气加工厂和制氨设备，在运行中已有分离在运行中已有分离CO2的应用。的应用。 典型的做法是将典型的做法是将CO2清除，以获得其他工业用途清除，以获得其他工业用途的净化气流。清除仅在个别情况下用于封存；的净化气流。清除仅在个别情况下用于封存； 在多数情况下，在多数情况下，CO
5、2都被排放到大气中。捕获过都被排放到大气中。捕获过程也从煤和天然气燃烧后产生的烟道气体中获得程也从煤和天然气燃烧后产生的烟道气体中获得商业上有用的商业上有用的CO2。然而，迄今为止，。然而，迄今为止，CO2捕获捕获尚未在大型电厂中（例如尚未在大型电厂中（例如500MW）采用。）采用。 CO2捕获流程和系统概况捕获流程和系统概况三种捕获三种捕获CO2的方法的方法 燃烧后捕获法：从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气燃烧后捕获法：从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气体中分离体中分离CO2CO2。通常使用液态有机溶剂从主要成分为氮的。通常使用液态有机溶剂从主要成分为氮的烟气中捕获少量的烟气中捕获少量的
6、CO2CO2成分（一般占体积的成分（一般占体积的3-15%3-15%）。）。 燃烧前捕获法：在一个有蒸汽和空气或氧的反应器中处理燃烧前捕获法：在一个有蒸汽和空气或氧的反应器中处理一次燃料，产生主要成分为一氧化碳和氢的混合气体一次燃料，产生主要成分为一氧化碳和氢的混合气体（“合成合成”气体）。在第二个反应器内（气体）。在第二个反应器内（“变换反应器变换反应器”）通过一氧化碳与蒸汽的反应生成其余的氢和通过一氧化碳与蒸汽的反应生成其余的氢和CO2CO2。最后从。最后从产生的由氢和产生的由氢和CO2CO2组成的混合气体分离出一个氢流和一个组成的混合气体分离出一个氢流和一个CO2CO2气流（在烘干条件下
7、一般占体积的气流（在烘干条件下一般占体积的1560%1560%）。）。 氧化燃料捕获法：用氧代替空气作为一次燃烧进行燃料，氧化燃料捕获法：用氧代替空气作为一次燃烧进行燃料，产生以水汽和产生以水汽和CO2CO2为主的烟道气体。这种方法产生的烟道为主的烟道气体。这种方法产生的烟道气体具有很高的气体具有很高的CO2CO2浓度（占体积的浓度（占体积的80%80%以上）。以上）。CO2捕获的工业应用捕获的工业应用 大规模制氢（主要用于氨和化肥的生产，以及石大规模制氢（主要用于氨和化肥的生产，以及石油提炼）采用了与燃烧前捕获中所使用的完全相油提炼）采用了与燃烧前捕获中所使用的完全相同的技术。同的技术。 利
8、用类似于燃烧后捕获技术，从未加工天然气中利用类似于燃烧后捕获技术，从未加工天然气中分离分离CO2CO2的大规模实践。的大规模实践。 虽然商业系统也可用于大规模分离氧，但氧化燃虽然商业系统也可用于大规模分离氧，但氧化燃料燃烧后捕获料燃烧后捕获CO2CO2的技术目前处于示范阶段。的技术目前处于示范阶段。 正在开展研究，以使系统的集成达到更高的水平，正在开展研究，以使系统的集成达到更高的水平，提高所有类型捕获系统的效率并降低成本。提高所有类型捕获系统的效率并降低成本。强化甲烷回收强化甲烷回收当当CO2被偏好吸收的被偏好吸收的煤或有机物丰富的页煤或有机物丰富的页岩吸附，开始置换甲岩吸附，开始置换甲烷类
9、气体，在这种情烷类气体，在这种情况下，只要压力和温况下，只要压力和温度保持稳定，那么度保持稳定，那么CO2将长期保持俘获将长期保持俘获状态。通过煤对状态。通过煤对CO2的优先吸附作用，的优先吸附作用， 强化未开采煤床中的强化未开采煤床中的甲烷回收。甲烷回收。通过注如通过注如CO2 等惰性气体增进绸油采收率等惰性气体增进绸油采收率(Inert Gas Injection, EOR)no Dp, noH2O coningno Dp, nogas coningDV/Dtoil + water = DV/Dtgas(voidage filled)CO2, N2, CH4, other gases3-p
10、haseregion2-phaseregionhorizontalwellsvertical wellsDp 0向油藏注入向油藏注入CO2CO2形成逆向流形成逆向流, ,促使残余油产出促使残余油产出mineral grainmineral grainmineral grainmineral grainsteam +gasesH2OCH4CO2oiloilCountercurrent flow inthe pores and throatslead to a stable 3-phasesystem.The oil flow is aided bya “thin-film” surfaceten
11、sion effect whichhelps to draw down theoil very efficiently.To maintain a gravity-dominated flow system, it is essential to createthe fully interconnectedphases, and to not tryand overdrive using high pressures.waterwater马来西亚某个工厂中的马来西亚某个工厂中的CO2CO2燃烧后捕燃烧后捕获，该厂采用化学吸附工艺，每年从获，该厂采用化学吸附工艺，每年从燃气电厂的烟道气流中分离出
12、燃气电厂的烟道气流中分离出0.20.2兆兆吨的吨的CO2CO2，用于尿素生产（三菱重工，用于尿素生产（三菱重工技术提供技术提供）美国北达科他州煤气化工厂中的美国北达科他州煤气化工厂中的CO2燃烧前捕获。该厂采用物理溶剂工艺，燃烧前捕获。该厂采用物理溶剂工艺，每年从气流中分离出每年从气流中分离出3.3兆吨的兆吨的CO2，用于生产合成天然气。捕获的一部分用于生产合成天然气。捕获的一部分CO2用于加拿大的用于加拿大的EOR项目项目。CO2的运输的运输 将捕获的将捕获的CO2从捕获地点健康、安全、环境和低从捕获地点健康、安全、环境和低成本地运输到封存地点。成本地运输到封存地点。 目前管道是一种成熟的市
13、场技术并是运输目前管道是一种成熟的市场技术并是运输CO2最最 常用的方法。典型的做法是将气态常用的方法。典型的做法是将气态CO2施加施加8兆帕兆帕以上的压力进行压缩，旨在避免二相流和提升以上的压力进行压缩，旨在避免二相流和提升CO2的密度，因而便于运输和降低成本。也可将的密度，因而便于运输和降低成本。也可将液态液态CO2装在船舶、公路或铁路罐车中运输，装在船舶、公路或铁路罐车中运输，CO2被装在绝缘罐中，温度远低于环境气温且压被装在绝缘罐中，温度远低于环境气温且压力也大大降低。力也大大降低。 对于沿岸管道和沿海管道的对于沿岸管道和沿海管道的运输成本按每运输成本按每250公里每公里每Figuur
14、 4.5 吨吨CO2 以美元为以美元为单位计算。右图显示了高估单位计算。右图显示了高估算值（点线）和低估算值算值（点线）和低估算值（实线）。（实线）。左图显示了沿岸管道、沿海管道左图显示了沿岸管道、沿海管道和船舶的运输成本，按距离和船舶的运输成本，按距离Figuur 4.6 ，以美元，以美元/每吨每吨CO2为单位。给出了为单位。给出了6兆吨兆吨CO2/年的年的CO2质量流量的管道成本。船舶质量流量的管道成本。船舶成本包括中途封存设施、进港费、成本包括中途封存设施、进港费、燃料费和装卸费。这些成本还包燃料费和装卸费。这些成本还包括压缩之外的额外液化成本。括压缩之外的额外液化成本。CO2的封存的封
15、存-地质封存地质封存 封存构造：可用于封存构造：可用于CO2的地质封存的三种类型的的地质封存的三种类型的地质构造，即石油和天然气储层、深盐沼池构造地质构造，即石油和天然气储层、深盐沼池构造和不可开采的煤层。和不可开采的煤层。 封存技术：向深层地质构造注入封存技术：向深层地质构造注入CO2 涉及许多在涉及许多在石油和天然气开采和制造业中研发的相同技术。石油和天然气开采和制造业中研发的相同技术。为地质封存的设计和运行，正进一步发展钻探技为地质封存的设计和运行，正进一步发展钻探技术、井下注入技术、计算机模拟封存储层的动力术、井下注入技术、计算机模拟封存储层的动力学以及从现有应用中总结出的监测方法。其
16、它的学以及从现有应用中总结出的监测方法。其它的地下注入实践也提供了相关的运行经验。地下注入实践也提供了相关的运行经验。封闭层封闭层(页岩)目标层目标层(砂岩Sand)砂岩页岩地表沉积物(包括淡水)射孔封隔器生产套管表层套管注入管均质粘合剂护层无收缩或延展粘合剂. 需承受每天循环过程的高压震荡器震荡器/计计算机算机井底压力传感器电缆下伏页岩围堵层围堵层 (砂岩 & 页岩)深井压裂注入深井压裂注入 (SFI)高压和高速注入高压和高速注入 (压裂压裂)高纯度高压气体高纯度高压气体连续循环注入连续循环注入多相流多相流专用处理井专用处理井深井压裂注入方法深井压裂注入方法Slurry Fracture I
17、njected (SFI)地质封存技术要点地质封存技术要点在碳氢化合物储层或深盐沼池构造中的在碳氢化合物储层或深盐沼池构造中的CO2应封存在应封存在800米深米深度以下。度以下。周边压力和温度通常使周边压力和温度通常使CO2处于液体或超临界值状态。处于液体或超临界值状态。在这种条件下，在这种条件下，CO2的密度是水密度的的密度是水密度的50-80。该密度接。该密度接近某些原油的密度，产生驱使近某些原油的密度，产生驱使CO2向上的浮力。因此，选择封向上的浮力。因此，选择封存储层具有良好封闭性能的冠岩十分重要，以确保把存储层具有良好封闭性能的冠岩十分重要，以确保把CO2限制限制在地下。当被注入地下
18、时，在地下。当被注入地下时，CO2通过部分置换已经存在的流体通过部分置换已经存在的流体（“现场流体现场流体”）来挤占并充满岩石中的孔隙。在石油和天然）来挤占并充满岩石中的孔隙。在石油和天然气储层中，用注入的气储层中，用注入的CO2置换现场流体可为封存置换现场流体可为封存CO2提供大部提供大部分孔隙容积。成为趋油特别是绸油的动力。分孔隙容积。成为趋油特别是绸油的动力。随着随着CO2与现场流体和寄岩发生化学反应，就出现所谓的地质与现场流体和寄岩发生化学反应，就出现所谓的地质化学俘获机理。溶解的化学俘获机理。溶解的CO2与岩石中的矿物质发生化学反应形与岩石中的矿物质发生化学反应形成离子类物质，经过数
19、百万年，部分注入的成离子类物质，经过数百万年，部分注入的CO2 将转化为坚将转化为坚固的碳酸盐矿物质。固的碳酸盐矿物质。定期的地球物理（地震、重力和电磁）监测和检测封存的安全定期的地球物理（地震、重力和电磁）监测和检测封存的安全和和CO2的渗漏。的渗漏。 在盐沼池构造中，潜在的封存容量估值较低，占总岩体的百分在盐沼池构造中，潜在的封存容量估值较低，占总岩体的百分之几到之几到30以上。以上。地质封存方法示图地质封存方法示图几个地质封存方案的能力几个地质封存方案的能力适宜封存的全球前景沉积盆地区域适宜封存的全球前景沉积盆地区域在那里可以找到合适的盐沼池地质构造、油田或气田，或煤床。只包括了一部分可
20、供煤床封存的地点。封存前景是对可能性的一种定性评估，即根据已掌握的信息在某个特定区域中存在某个适合封存的地点。本图仅作为一个导向，因为它基于部分数据，其质量可能因区域而异，也可能随时间的推移和新的信息而有所变化。（澳大利亚地球科学澳大利亚地球科学提供）提供）已经开展封存的国家和进度已经开展封存的国家和进度ECBM 强化煤田甲烷回收强化煤田甲烷回收CO2的封存的封存-海洋封存海洋封存 海洋占地表的海洋占地表的70以上，海洋的平均深度以上，海洋的平均深度为为3,800米。由于米。由于CO2可在水中溶解，所以可在水中溶解，所以大气与水体在海洋表面不断进行大气与水体在海洋表面不断进行CO2的自的自然交
21、换，直到达到平衡为止。然交换，直到达到平衡为止。 通过管道或船舶将通过管道或船舶将CO2运输到海洋封存地运输到海洋封存地点，从那里再把点，从那里再把CO2注入海洋的水柱体或注入海洋的水柱体或海底（深度在海底（深度在1,000米以上）。被溶解和消米以上）。被溶解和消散的散的CO2随后会成为全球碳循环的一部分。随后会成为全球碳循环的一部分。海洋封存方法示图海洋封存方法示图海洋封存情景概览海洋封存情景概览在在“溶解型溶解型”海洋封存中，海洋封存中，CO2迅速地溶解到海水中，而在迅速地溶解到海水中，而在“湖泊型湖泊型”海洋封存中，海洋封存中，CO2最初是沉积在海床上的最初是沉积在海床上的液体液体 海洋
22、封存有两种潜在的实施途径：一种是经固定海洋封存有两种潜在的实施途径：一种是经固定管道或移动船只将管道或移动船只将CO2注入并溶解到水体中（以注入并溶解到水体中（以1000米以下最为典型），另一种则是经由固定的米以下最为典型），另一种则是经由固定的管道或者安装在深度管道或者安装在深度3000米以下的海床上的沿海米以下的海床上的沿海平台将其沉淀，此处的平台将其沉淀，此处的CO2比水更为密集，预计比水更为密集，预计将形成一个将形成一个“湖湖”，从而延缓，从而延缓CO2分解在周围环分解在周围环境中海洋封存及其生态影响尚处于研究阶段。境中海洋封存及其生态影响尚处于研究阶段。 被溶解和消散的被溶解和消散的
23、CO2将成为全球碳循环的一部分，将成为全球碳循环的一部分，并最终与大气中的并最终与大气中的CO2达到平衡。在实验室试验、达到平衡。在实验室试验、小规模海洋试验和模式模拟中，已正在针对一系小规模海洋试验和模式模拟中，已正在针对一系以及阿尔及利亚的艾因萨拉赫（以及阿尔及利亚的艾因萨拉赫（In Salah）天然）天然气气 列的海洋封存方案，各项技术和相关的物理、列的海洋封存方案，各项技术和相关的物理、化学现象进行研究，其中还特别包括了酸度的增化学现象进行研究，其中还特别包括了酸度的增加（低加（低pH值）及其对海洋生态系统的影响。值）及其对海洋生态系统的影响。CCS各项技术的成熟度各项技术的成熟度成本
24、分析成本分析问题和不足问题和不足 捕获和封存技术捕获和封存技术 需要研发提高有关用于需要研发提高有关用于CO2捕获的新概念和可用技术的知识，捕获的新概念和可用技术的知识，CO2捕捕获有着大幅度降低新的和现有设施获有着大幅度降低新的和现有设施CO2捕获的潜力。在水泥和钢铁行捕获的潜力。在水泥和钢铁行业，它们是显著的业，它们是显著的CO2源，但在源，但在CO2的捕获方面经验很少。的捕获方面经验很少。 地质封存能力和效果地质封存能力和效果 需要加强监测和检验地质封存需要加强监测和检验地质封存CO 的能力。的能力。 海洋封存的影响海洋封存的影响 知识空缺涉及深海中知识空缺涉及深海中CO2CO2对生态的影响究究。需要研发探测和监测海对生态的影响究究。需要研发探测和监测海底升浮出的底升浮出的CO2CO2羽状体及其生物和地球化学后果的技术和传感器。羽状体及其生物和地球化学后果的技术和传感器。 法规问题法规问题 还没有一个合适的法律框架以推进地质封存的实施，也没有考虑到相还没有一个合适的法律框架以推进地质封存的实施，也没有考虑到相关的长期责任。需要澄清有关海洋环境封存（海洋或海床下地质封存）关的长期责任。需要澄清有关海洋环境封存（海洋或海床下地质封存）的各种潜在法律限制。的各种潜在法律限制。谢谢！请提问题！谢谢！请提问题！