碳捕捉（捕捉二氧化碳进行利用的过程）

内容简介

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。

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。

原理介绍

碳捕捉，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。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。

“捕捉”碳并不难。二氧化碳和胺类物质发生反应。二者在低温情况下结合，在高温中分离。这样，可以使电厂产生的废气在排放前通过胺液，分离出其中的二氧化碳；之后在适当的地方加热胺液就可以释放二氧化碳。更好的方法是使煤和水发生反应，产生一种二氧化碳和氢气的混合物。在这种混合物中二氧化碳含量比一般电厂废气中的更高，所以更容易分离。之后燃烧的就是纯氢气了。

这套处理工序成本很高，但没有证据表明这个方法是没有效果的。丹麦一家使用单乙醇胺做二氧化碳吸收剂的实验厂已经运行了两年。法国的阿尔斯通公司一所设在威斯康星的使用氨水捕捉碳的实验基地也即将建成完工。

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率（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。

真正麻烦的是下一个步骤。二氧化碳需要长期埋藏，因此必须达到很多要求。要成功地封存二氧化碳，需要一块在地平面1000米以下的岩体。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。另外，这片岩体还要有足够多的气孔和裂缝来容纳二氧化碳。最后，还需要一块没有气孔和裂缝的岩层来防止泄露。

成本介绍

碳捕捉

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。

困难介绍

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。

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。

意义介绍

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%。

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

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

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”(英文简称CCS )项目实验。在刚刚结束的八国集团峰会上，欧洲委员会提出将“碳捕捉”技术商业化的战略。到2010年，至少有20个发电厂使用“碳捕捉”技术，到2020年前，欧洲和美国将大力推广该技术，并在2025年前在全球推广。

在中国，“碳捕捉”技术也在尝试之中。路透社5月25日消息称，中国最大的独立发电公司华能集团将于年底在上海启动第二个碳捕捉示范项目，届时，每年将从华能电厂的尾气中“捕捉”二氧化碳10万吨。

6月18日，英国碳捕捉联盟首席研究员琼·吉宾斯博士(Jon Gibbins)来到上海，参加名为“碳捕捉与全球气候的未来”交流会。交流会上，琼·吉宾斯博士解释道，“捕捉”碳并不复杂，而“拥有丰富油田和天然气田的中国东北，以及中国东海南海区域，均是实施‘碳捕捉’技术的理想场所。”

变废为宝

将二氧化碳“变废为宝”

如果要在一家煤电厂旁边开展“碳捕捉”项目，首先要安装3个主要装置。琼·吉宾斯博士拿最近正在英国东海岸展开的一个“碳捕捉”试点项目举例道：“第一个是用于化学反应的金属片，‘清洗’发电厂排放出的尾气，把二氧化碳‘捕捉’下来；接着是让二氧化碳气体通过一个加热塔，目的是通过蒸汽加热，得到更纯的二氧化碳；最后一步是将气体通过一座压缩塔，得到方便运输的压缩二氧化碳。”

“通常，捕捉一吨碳的成本约60美元。但在中国，我预计成本可能降至40美元/吨。”吉宾斯博士告诉本报记者。煤电在中国电力结构中占极高比例，找到一种更清洁地使用煤炭的技术对中国而言意义重大。

根据联合国政府间气候变化委员会(IPCC)调查，全球大概有9300多亿吨的二氧化碳可以埋藏到油田中，相当于2050年全球累积排放量的45%。据预计，“碳捕捉”技术的应用能够把全球二氧化碳的排放量减少20%至40%。

除了对气候变化产生积极影响外，“碳捕捉”技术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。在全球范围内，最早成功实现“碳捕捉”试点项目的挪威国家石油公司证实，在油田里灌入二氧化碳，可以使得石油的采收率提高40-45%。

美国能源部发布的一份报告显示，目前美国剩余的石油可采储量为200亿桶，如果采用二氧化碳注入提高可采储量的话，其储量最多可增加至1600亿桶。

面临质疑

尽管“碳捕捉”潜力很大，但也面临一些质疑。最新一期《经济学人》杂志撰文表示，尽管能源公司对“碳捕捉和封存”技术有着很高的期望，但有两个问题尚未解决：一是价格昂贵；二是没有人知道这项技术是不是真的那么管用。或者说，深埋的二氧化碳会不会泄漏。“碳捕捉和封存的成本非常非常高。”中国华能集团公司科技部长蒋敏华表示，公司将于今年年底在上海启动第二个碳捕捉示范项目，每年捕捉10万吨二氧化碳，然而高昂的成本在一定程度上阻碍了项目进程。

蒋敏华说，按目前的技术计算，碳捕捉成本约在200元人民币/吨，而实际处理加工至进行商业应用的程度，每吨还需增加150元投入。

吉宾斯博士的助手、帝国理工大学博士李佳告诉记者，据她分析，华能之所以愿意上马第二个“碳捕捉”项目，说明该技术仍有利可图。据悉，华能集团去年已在北京尝试过一个小型的“碳捕捉”项目，将收集到的二氧化碳卖给汽水厂，或是制成干冰卖给消防单位。“华能内部员工告诉我，被捕获的二氧化碳售价是碳捕捉成本的两倍。”李佳说。关于二氧化碳泄漏问题，吉宾斯博士回应说，碳封存的前二三十年十分关键。过了这段时间，埋在地下的二氧化碳就绝对安全了。

据记者了解，目前二氧化碳的封存技术分为“地质封存”和“海洋封存”两种。适合封存二氧化碳的地质结构包括油田、气田、咸水层、无法开采的煤矿等。据IPCC研究表明，二氧化碳性质稳定，若地质封存点经过谨慎选择、设计与管理，注入其中的二氧化碳99%可封存上千年。

规划介绍

按照欧盟的规划，德国将建设2个CCS示范工程，荷兰有3个，英国有4个。德国，荷兰，英国，西班牙和波兰将分别获得约2.45亿美元的投资。除此以外，意大利将获得1.35亿美元，法国将获得6700万美元用于二氧化碳运输基础设施建设。

刚刚结束的八国集团峰会上，各国领导人继续就能源和气候问题达成共识。欧洲希望在2010年至少有20个发电厂使用CCS技术，并实现规模化和商业化。到2015年，欧洲至少要建立10个大型示范工程。那么到2020年，CCS技术就可以在全球范围内实现广泛的商业应用。要实现这个目标，这些发达国家需要在今后10多年内投入200亿美元。

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新闻介绍

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