太原科技
文章编号：1006－4877（2010）02－0026－05
２０１０年第２期
TAIYUAN
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气候变︱︱︱化碳科捕捉技与2009年12月18日，承载了太多希望的哥本哈联合国气候变化框架公约》缔约方第十五次会根《
议暨《京都议定书》缔约方第五次会议结束了，来自世界各地的领导人和谈判代表带着经历交锋与妥协最终达成的协议，现已返回自己的家园。但是，那些还栩栩如生的动物冰雕，已经在哥本哈根街头慢慢地融化成一滩水，在冬日的暖阳下已蒸发成薄薄的水汽，弥漫在城市的上空，以及同样弥漫在这座城市里且正逐步蔓延到世界各地的还有2009年气候变化大会传出的悲伤声音：“我们提出法律文本，不是玩法律游戏，而是为了生存。今天早上醒来的时候，我哭了……我们国家的命运掌握在你们的手里。”
发生在哥本哈根的这场政治博弈，表面上是对环境和全人类未来发展的讨论，但其真正的焦点却是碳排放权和碳交易，CO2已无可辩驳地成为商品，具有巨大的发展潜力。如何利用掌握碳交易定价权的机会来重新划分世界版图将是各国博弈的重点。
而作为发展中国家的中国，减缓温室气体排放的目标是根据国情采取的自主行动，是对中国人民和全人类负责的，不附加任何条件，不与任何国家的减排目标挂钩。但我国产业发展基本还是依靠传统化石能源，能源利用中的70%为煤炭，仍处于煤炭时代，这种能源结构即使到2050年也难以完全改
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封存的技术介绍和实施研究··26
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变。因此，目前中国应将更多的资金和精力放在对煤炭的清洁技术以及减排，高度重视气候变化问题，坚定不移地走可持续发展道路，从国情和实际出发，积极推进经济和产业结构调整、优化能源结构、实施鼓励节能、提高能效等政策措施，不断增加应对气候变化科技研发投入，努力减缓温室气体排放。
国务院总理温家宝在2009年12月25日主持召开国务院常务会议中讲到：到2020年，单位GDP中CO2排放比2005年下降40％～45％，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法。
山西主导产业的能源结构基本上仍是依靠煤炭，技术落后、资金短缺等因素，在短时间内很难摆脱高能耗的产业模式，为实现2020年单位GDP中CO2排放比2005年下降40％～45％的减排目标，其比较可行的方案就是通过科技研发投入和技术引进，达到碳减排的目标。
CO2减排技术
CO2是对气候变化影响最大的气体，它产生的增温效应占所有温室气体总增温效应的63%，且在大气中的留存期最长，可达200年。一系列的研究表明，全球气候变化对自然生态系统造成重大影响，进而威胁到人类社会的生存和发展。在未来几个世纪，预计能源使用和消耗将进一步增加。为减少温室气体的排放，世界各国均采取了一系列减排技术措施，目前，CO2减排技术可分为源头减排和下游减排两大类。
源头减排包括调整经济结构、能源结构、产品结构。建立低能耗、低排放的企业，对高能耗工业进行改造，用高新技术提升传统产业，发展附加值高的低能耗新兴产业等；推广节能技术，提高能源利用效率；大力发展可再生能源、高效的煤洁净利用技术、天然气发电技术、多联产技术等；改变人们生活方式，倡导低碳、零碳消费等。
下游减排是指将不得已排放的CO2进行分离回收、碳捕获和封存等。回收分离CO2技术主要有化学吸收法、吸附分离法、气体膜分离和低温蒸馏法等，尽管已在工业上广泛使用，但仍存在一些问题，例如投资大、成本高、能耗高，在回收CO2的同时又在排放CO2。
与分离技术不同，CO2捕获和封存技术则以其存储容量大、地下保持时间长、环境友好等诸多优点，被美国为首的一些发达国家认为是可选择的有效技术之一。
CCS技术
CCS（CarbonCaptureandStorage）技术是一种将排放源产生的CO2进行收集、运输并安全存储到某处，使其长期与大气隔离的过程，主要由捕获、运输和封存3个环节组成。一是捕获。是指将CO2从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来，并将其压缩的过程。目前针对化石燃料电厂的捕获分离系统主要有三种，即燃烧后捕获系统、燃烧前捕获系统和氧化燃料捕获系统。二是运输。CO2的运输，指将分离并压缩后的CO2通过管道或运输工具运至存储地。三是封存。是指将运抵存储地的CO2注入到如地下盐水层、废弃油气田、煤矿等地质结构层或者深海海底以及海床以下的地质结构中。
1）碳捕获。对于大量分散型的CO2排放源是难于实现碳的收集，因此碳捕获的主要目标是像化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂、合成氨厂等CO2的集中排放源。针对电厂排放的CO2的捕获分离系统主要分为燃烧后系统和富氧燃烧系统。燃烧后捕获与分离主要是烟气中CO2与N2的分离。化学溶剂吸收法是当前最好的燃烧后CO2收集法，具有较高的捕集效率和选择性，而能源消耗和收集成本较低。除了化学溶剂吸收法，还有吸附法、膜分离法。富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的介质。燃烧产物主要是CO2和水蒸气，另外还有多余的氧气以保证燃烧完全，以及燃料中所有组成成分的氧化产物、燃料或泄漏进入系统的空气中的惰性成分等。
2）碳运输。输送大量CO2的一般采用管道运输，在碳输送环节中，主要考虑的是成本。管道运输的成
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本主要由3部分组成：基建费用、运行维护成本，以及其他的如设计、保险等费用。由于管道运输是成熟的技术，因此其成本的下降空间预计不大。对于250km的运距，管道运输CO2的成本一般为1～8美元/t。当运输距离较长时，船运将具有竞争力，船运的成本与运距的关系极大。
3）碳封存。碳的地质封存技术是直接将CO2注入地下的地质构造当中，如油田、天然气储层、含盐地层和不可采煤层等都适合CO2的储存。
地质封存取决于这些构造的物理和地球化学的俘获机理。CO2注入后，储层构造上方的大页岩和黏质岩起到了阻挡CO2向上流动的物理俘获作用。毛细管力提供的其他物理俘获作用可将CO2留在储层构造的孔隙中。随着CO2与现场流体和寄岩发生化学反应，地质化学俘获机理开始发挥作用。如果CO2在现场水中溶解，充满CO2的水的密度越来越高，因此会沉伏于储层构造中而不是浮向地表。此外，溶解的CO2与岩石中的矿物质发生化学反应形成离子类物质并转化为碳酸盐矿物质。
不可采煤层也可用以储存CO2，因其可吸附于煤层表面，但是否可行则取决于煤床的渗透性。储存过程中会产生甲烷气体，并可加以开采利用。
含盐地层中主要是高度矿化的盐水，并无利用价值，有时用于存放化学废弃物。盐碱含水层的主要优点是其巨大的储存容量，且地理分布较广，对CO2的运输而言较为方便。
CCS技术进展
当前，CCS技术已受到国际科技和产业界的密切关注。由于其与现有能源系统基础构造的一致性，受能源资源条件限制较小，该技术尤其受到工业化国家的广泛关注与密切重视，美国、欧盟和加拿大等都制定了相应的技术研究规划，开展相应的CCS技术的理论、试验、示范及应用研究。根据国际能源署的统计，截至目前，全世界共有碳捕获商业项目131个，捕获研发项目42个，地质埋存示范项目20个，地质埋存研发项目61个。其中，比较知名的有挪威Sleipner项目、加拿大Weyburn项目和阿尔及利亚InSalah项目等。
CCS技术是一项极具潜力的、可有效减少CO2排放的前沿技术，该技术有可能在经济发展与环境保护两个方面实现双赢局面。因此，我国和山西省也应密切关注CCS技术的研究现状和最新进展，及早开展相关技术研究规划和理论与试验的示范与应用。
我国CCS的发展现状
我国CO2排放总量大，目前已位居世界第二，仅次于美国。作为负责任的大国，我国政府高度重视气候变化与温室气体排放问题，提出了在2006—2010年间单位GDP的能源消耗降低20％的节能减排目标。我国政府也明确表示，在可持续发展的框架下，与国际社会一起，积极寻求应对气候变化的有效途径，并根据自己的能力和国情为减缓气候变化做出应尽的努力。
我国对CCS技术的发展给予了高度重视，CCS技术作为前沿技术已被列入《国家中长期科技发展规划（》；在国家科技部2007年的《中国应对气候变化科技专项行动》中，CCS技术作为控制温室2006—2020）
气体排放和减缓气候变化的重点技术被列入专项行动的4个主要活动领域之一。“十一五”期间，国家“中国应对气候863”计划也对发展CCS技术给予很大支持。2007年6月国家发展和改革委员会在公布的《
变化国家方案》中强调重点开发CO2的捕获和封存技术，并加强国际间气候变化技术的研发、应用与转让。
我国与国际社会一起积极开展了CCS技术研究与项目合作。2007年启动了“中欧碳捕获与封存合作行动”，到目前，已有12个欧方机构和8个中方机构参与了此项行动；2007年11月20日，启动了“燃煤发电二氧化碳低排放英中合作项目”；2008年1月25日，中联煤层气有限责任公司（以下简称“中联煤”）深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气技术研究”项与加拿大百达门公司、香港环能国际控股公司签署了“
目合作协议；自2002年以来，中联煤和加拿大阿尔伯达研究院已在山西省沁水盆地南部合作，成功实施了浅部煤层的CO2单井注入试验。
CCS技术环境、经济和社会因素
CCS技术作为应对全球气候变暖的一种有效措施，正在逐步受到科学界和企业的关注。然而，这项技
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术的进一步发展还会受到环境、经济和社会诸多因素的影响。
1）环境风险评估与风险缓解与补救。CO2作为一种带有窒息特性的酸性物质，其捕获和存储会对人类健康和安全、对自然和环境造成一定的风险，风险主要与可能泄漏有关。具体说，碳捕获和存储对当地健康、安全和环境的危害来源于3方面：浅层地下和近表面环境处气态CO2高浓度产生的直接效应；溶解的CO2对地下水化学的影响；CO2注入替代流体所造成的效应。从来源推断出可能潜在的主要风险包括：CO2逃逸到大气层后对人体健康与安全的潜在危害、CO2泄漏和盐水取代对地下水的危害、对陆地和海洋生态系统的危害、诱发地震、引起地面沉降或升高。对地质存储风险的有效缓解可从仔细地选择厂址，实施监测，在管理上实施有效的监管，实施补救措施以及排除和限制泄漏的起因和后果等。然而，在某些场合下，泄漏还是有可能会发生的，需要采取补救措施，以终止泄漏或阻止对人类或生态系统造成的危害。
2）公众意识。CCS作为一项新兴的CO2减排技术，除在化石能源生产和研究的企业和机构外，对其可以作为一种潜在的减排选择方式还了解不多。因此政府需要在提高公众对这项技术优缺点的知晓方面扮演一个重要角色，需要将公众意识普及与技术开发放在同等重要的地位给予考虑，以保证公众意识的提高和合理的应对。
3）经济评估。如果将CCS技术用于电力生产企业的CO2减排中，每千度电的费用估计会增加0.01~0.05美元。随着技术开发的进步，规模经济的扩大等，未来碳捕获和存储技术的费用将会降低。根据预测，在未来10年，捕获的费用将可能下降20%~30%。更多的新技术目前尚在研究和示范阶段，随着这些技术的成熟运用，将可望有更多的降价空间。运输和存储的费用也将随着技术的进一步成熟和规模化的增加而逐渐下降。
4）市场障碍。除了上面谈到的经济因素外，市场障碍也不容回避，这包括从事风险的组织机构和部门、技术不确定性和市场的不确定性几个因素。从组织机构讲，要求能源企业、油气海运企业、产油企业和政府在20~30年内通力合作和大量的前期资本投入，这就需要建立一种机制在利益相关者之间能均衡分摊风险，以使项目顺利进展。
CCS在山西应用及实施的现状
山西省是煤炭生产和消费的重点省之一，由于石油和天然气资源有限，2050年之前主要能源结构仍然是以煤炭为主。而根据山西省的能源结构，并按照现在的工业发展能力，要保持或提高生活水平，在相当长的一段时间内煤炭就必然要更多地用于满足不断增长的能源需求。因此，山西省作为CO2排放的大省，面对来自国际社会和国内发展的双重压力，面临着这种能源发展态势和煤炭的严重污染，需要即刻开展相关重点研究，并逐步实施一系列重大战略和重要技术，以此来减少CO2排放而又不降低能源服务水平和人民生活水平。
首先，在战略上必须从国情、省情出发，构建科学合理的能源环境经济一体化的能源资源利用系统，以此支撑我国经济和社会的发展；其次，在技术上要采取更积极的态度，将CO2加以收集和压缩并储存到地下。虽然截止到现在，有关CCS的研究国内、省内仍不完善，将其储于地下或废弃煤田中将对环境产生何种类型以及何种程度的影响仍未明晰，但值得肯定的是，随着研究的不断发展和边干边学效应的持续深入，CCS技术必将日益成熟，也非常有可能成为未来各国实现减排目标最主要的方法。
利用CCS技术时可捕获的CO2源有很多，但根据山西省的省情，主要的可捕捉CO2排放源是工业生产和电力行业，如以煤炭作为主要燃料的火力发电厂、水泥厂、钢铁厂、铝厂等企业。
据有关CCS技术的文献显示，关于CCS应用行业的相关研究中定性研究多于定量分析，缺乏结合技术成本和捕获规模的详细定量研究。而从实践的观点来看，CCS项目必须同时满足技术可行和经济可行，技术可行意味着项目满足技术上的可操作性，经济可行意味着进行项目的成本有效。所以，一个可行的CCS项目除了必须选择固定排放源之外，还要在捕获规模和捕获成本两个方面具备可操作性。
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因此，结合捕获成本和捕获规模对CCS应用进行定量研究显得尤为必要。综上所述，CCS技术可能是一项应对能源和环境提出的严峻挑战的可选措施，也是一项应对气候变化的重大战略举措。而在CCS技术应用的层面来讲，从电力行业和工业生产的烟道气中分离CO2进行地下储存，是最为有效的途径，但关于CCS技术应用的具体细节，还有待结合捕获规模和捕获成本进行定量研究。然而，火力发电厂、水泥厂、钢铁厂、铝厂由于其排放量大，且易于分离和富集CO2，是山西省应用CCS技术潜力最大的产业企业。
同时，山西省地处华北平原，在深层地壳存在大量的水，因为高盐度往往无法使用，含盐渍深水层实际上是可能较为理想的CO2储存地点，注入CO2不会干扰水资源。而且，山西省的废弃煤田和不可开采的煤层较多，也比较适合CO2的地下封存。
另外，在与国际合作中，山西省人民政府代表团在2009年12月上旬就CO2地质封存研究方面以及利用CO2增加油气产量的做法和经验已经和美国怀俄明州地质调查局罗纳德局长签署了关于“二氧化碳地质封存项目”合作备忘录和研究合作协议书，开始了山西省CCS方面的国际合作研究和应用。
关于推进CCS实施的建议
目前，山西省在以减少碳排放为目的所开展CCS方面的研究、实施几乎是空白，才刚刚起步。为此，笔者建议应尽快和重点开展以下几方面的工作。
1）加大CCS基础性研究。山西作为CO2排放大省，虽已积极参与温室气体CO2减排行动，密切关注CCS技术进展，并着手开展了一些研究与实践工作，但如何进行CO2捕捉、如何选择合适的存储地点等研究，还未见开展相关工作的研究报道。在后续的研究中，应主要开展以下一些基础研究：碳捕获技术的研究，特别是针对煤基多联产技术、氢能技术等的研究；确定山西省目前主要和集中的CO2排放源的位置；研究山西省CCS的存储地质潜力，包括盐水层、废弃煤矿等地质结构层的碳封存潜力；研究在CCS实施中，可能的风险与不确定性分析，并提出应对措施；对相关的法律问题的研究等。
2）开展国际、省市合作，学习、消化、吸收有关CCS研究的方法与经验；与国外合作开展碳捕获分离技术的研发；与国外合作开展具有净效益的强化开采煤层气等示范项目。进一步推动与发达国家和有关国际组织开展CDM的实质性合作，获得额外的资金或先进的环境友好技术，从而可以促进山西省CO2减排和经济社会的可持续“双赢”发展。
3）调整产业结构，减少CO2源排放。通过技术创新、产业绿色转型、加快新能源开发等手段，改变现有的能源结构，尽可能减少煤炭、石油等高碳能源消耗，多用可再生能源。加快淘汰落后生产能力，重点抓钢铁、火电、电解铝、焦炭等高能耗产业的淘汰落后产能工作。同时，要把应对气候变化作为山西省经济社会发展的重大战略，将减排目标作为约束性指标纳入山西省国民经济和社会发展的中长期规划；加强对节能、提高能效、洁净煤、可再生能源等低碳和零碳技术的研发和产业化投入，加快建设以低碳为特征的工业、建筑和交通体系，从而减少碳排放，最终达到CCS实施的成本。
4）应对气候变化，科技是基础。要大力推进应对山西省气候变化的科技专项行动的实施工作，加大气候变化方面的科技投入，提高自主创新，加强研发，不断通过技术创新，提出适合山西省CCS发展实际的新途径，形成一大批具有自主知识产权并能够为科技界所认可的研究成果。
5）积极采取节能减排措施、制度建设。在正确评价对环境以及社会所造成影响的前提下，大力发展可再生能源，发展低碳经济，走可持续发展之路。在采用应对政策、市场机制和技术手段时，预防和缓解对社会、环境造成的不良影响。建立相应的制度机制，将减缓气候变化及节能减排的目标和应对其他环境问题相结合，提高应对气候变化工作的整体效率，避免气候变化的减缓措施和其他环境目标相冲突。
（实习编辑李洋）
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