二氧化碳捕集与封存技术探讨

呼晓昌

（中国海洋石油总公司节能减排监测中心 天津 300452）

1 前言

近年来，温室效应加剧带来的一系列环境问题日益受到人们的关注。而自工业革命以来化石燃料的大量燃烧是导致大气中的CO2浓度不断升高，引起全球气候变化的最主要原因。时至今日全世界能源消耗体系中，仍有近80%来自煤炭及石油等化石能源。由于短期内新能源的研究难以取得革命性的突破，各种清洁替代能源（例如核能、风能、太阳能等）在一定时期内很难动摇化石能源的统治地位，而人为工业活动造成CO2大量排放导致的温室效应加剧问题越来越紧迫，相对其它办法而言，二氧化碳捕集与封存技术（CO2CaptureandStorage，简称CCS）是短期内解决温室效应问题的一种可靠方法。CCS技术不但可以将化石燃料燃烧产生的大量CO2封存于地下或海底避免进入大气，甚至可以将CO2“废物利用”，因此被视为是解决温室效应问题最佳方法之一。

2 CO2 捕集技术

二氧化碳捕集技术，简单来说就是将原本排至大气层的二氧化碳收集起来，以便以后的输送和封存。根据捕集原理和技术方法的不同，通常将CO2的捕集技术分为四种：燃烧前捕集、富氧燃烧技术、化学链燃烧技术以及燃烧后捕集。

2.1 燃烧前捕集

燃烧前捕集是通过采用一定的方法，在燃料燃烧前把化学能从碳中转移出来，继而进一步分离碳与氢等携带能量的组分，由此实现脱碳的目的。燃烧前分离捕集可简单认为是采用技术手段分离CO2和H2，该技术目前主要应用于煤气化联合循环发电厂。发电厂的化石燃料燃烧产生富含H2和CO的混合气体，控制混合气保持一定的温度、压力与蒸汽在催化转化器内进行一系列化学反应，蒸汽（即气相H2O）与CO发生化学反应生成CO2和H2，而后再通过分离装置将H2从混合气中分离作为燃料燃烧来推动燃气轮机及蒸汽轮机联合循环发电。而CO2通过上述一系列反应从混合气体中分离出来，并进一步被捕获和储存。

2.2 富氧燃烧技术

富氧燃烧技术是首先通过空分装置将燃烧空气分为氮气和较高纯度氧气，然后用高纯度氧气代替空气与燃料一起在特定的加热炉内燃烧，生成烟气的主要成分是气体水蒸气和CO2。通常情况下需进一步将燃烧后的烟气重新回注燃烧炉，这样即可降低燃料燃烧温度，又可以进一步提高烟气中的CO2体积分数。烟气中CO2的含量大幅度提高，可明显减少捕集CO2的能源消耗，但相对而言必须采用专门的燃烧技术、燃烧设备以及燃烧空气分离系统，这会加大燃烧系统的投资成本。

2.3 化学链燃烧技术

化学链燃烧技术是依据燃烧化学原理，用金属氧化物所携带的氧来代替空气中的氧与燃料进行燃烧化学反应，在还原反应器和氧化反应器中，金属氧化物作为载氧体不断循环重复利用。在氧化反应器中燃料与金属氧化物中的氧进行化学反应，其反应过程及结果与燃料在空气中燃烧相同；而在还原器中金属与空气中的氧反应生成氧化物。氧化反应器的反应产物主要是气相H2O和CO2，通过冷却装置将气相H2O凝结为液态从而实现CO2的分离。目前该技术仍处于实验室研究阶段，工艺成熟性及工业适用性有待进一步提高。

2.4 燃烧后捕集

燃烧后捕集是采取技术方法从燃料燃烧排放的烟气中分离CO2，常用的分离方法有物理吸收法、化学吸收法、吸附法和膜分离等。目前应用最广的方法为胺吸收法，其基本原理是富含CO2的烟气首先经过经预处理脱杂质，然后在吸收塔内CO2与吸收剂中的胺发生化学反应生成富含CO2的化合物，再将吸收剂送入再生塔进行加热，富含CO2的化合物分解，高纯度的CO2从再生塔顶逸出被收集，吸收剂从塔底采出送入吸收塔循环利用。

3 CO2 运输技术

通过上述一系列手段捕集高纯度的CO2后，需要运输到CO2封存地点进行封存处理。一般可采用管道运输、汽车火车运输或轮船运输至封存地点，被输送的CO2可以是气态，也可以是液态或固态。不管采取哪种方法运输CO2，都必须充分考虑封存地和捕集地之间的距离，以便降低操作费用和设备投资。目前应用最多的是轮船运输和管道运输。

通常情况下，CO2封存地和捕集地距离较近，可采用管道运输的方式；而距离较远，则采用轮船运输。如果采取管道压缩运输，CO2需被压缩到11MPa左右，在此压力能保证环境温度下CO2在管道中呈稠态，这会大幅度缩小运输管道尺寸而减少设备投资。同时为了减少对运输管道的腐蚀，需要严格限制CO2中的水、氧气、硫化氢等杂质。若采用轮船运输，CO2需要被压缩到0.6MPa左右，同时温度控制在-50℃以下，在该条件下CO2被压缩成液体，大大提高了轮船的运输能力。

4 CO2 封存技术

二氧化碳封存技术就是为了避免CO2进入大气层，采取一定技术手段将原本排放大气的CO2捕集起来，然后输送至地底或海洋深处进行封存。目前常用的CO2封存技术有地质封存和海洋封存。

4.1 地质封存

地质封存主要有以下三种封存方式：

4.1.1 石油和天然气储层，包括采空和正在开采的油气田。利用采空的油气田封存CO2就是通过注入井，将收集起来的CO2注入其中，该方法操作简单便捷。利用正在开采的油气田封存CO2，主要有CO2-EOR（CO2强化采油）和CO2-EGR（CO2强压气体回收）两种技术。CO2-EOR技术是通过向地层注入CO2代替注水来降低原油黏度，从而达到提高原油采出率的目的，该技术目前已广泛应用，在本文中会进一步详细介绍。CO2-EGR利用CH4密度小于CO2密度的物理性质，通过向气田注入CO2来增加气田压力，从而提高天然气产量。

4.1.2 不可开采的煤层。该技术是将CO2注入不可开采的煤层，利用煤层气密度小于CO2密度的物理性质，在置换开采煤层气的同时封存大量的CO2。

4.1.3 深盐沼池构造和深部咸水含水层。国际上已有应用把CO2封存于地下近1km的盐沼池构造和咸水含水层当中。但是由于我国对该地质层的具体情况和详细数据并不十分明确，故目前尚不能实施在该地质层封存CO2，有待今后进一步研究。

4.2 海洋封存

海洋是巨大的CO2吸收库，自工业革命以来，化石燃料燃烧产生的CO2总计1.3×1012t，海洋表层吸收了5×1011t，而海洋深层CO2浓度远远小于表层。虽然海洋具有可观的封存CO2的能力，但是该技术尚不成熟，也未开展小规模试点示范，仍然处在实验室研究阶段。

5 CO2—EOR 技术国内外应用现状

目前，世界上很多油田仍采用注水开发，而世界大部分国家及地区水资源严重匮乏。采用CO2气驱强化采油技术（Carbondioxide EnhancedOilRecovery，简称CO2-EOR）不仅可以避免向大气排放大量的CO2加剧温室效应，还可以“变废为宝”，用CO2来代替水的消耗来保障原油的采收率。因此，世界各国对CO2-EOR日益重视。

5.1 国外

5.1.1 欧洲

BP石油在苏格兰Peterhead地区建设联合循环燃气发电装置，约2×106m3/d的CO2通过燃烧前捕集技术被捕集，经压缩机升压后通过管道注入北海即将衰竭的Miller油田来提高其采油率。通过该项目约1.3×106t/aCO2被注入Miller油田，预计可延长油田寿命15～20a，额外采出原油4000万桶。壳牌石油公司2006年3月宣布与挪威国家石油公司合作，新建多个发电厂CO2捕集设施，并在挪威哈尔滕岛实施海上CO2-EOR项目。

5.1.2 北美洲

美国是目前实施CO2-EOR项目最多的国家，CO2封存规模为9×104t/d。美国西方石油公司在Permian盆地通过实施CO2-EOR项目年封存CO2约1.2×1010m3，现年开采原油约1.1×107m3。在美国Permian盆地，SandRidge能源公司与西方石油公司合作正在开展一项大规模CO2-EOR项目，预计在项目实施后可年增产原油2.9×105m3。

加拿大的Weyburn油田CO2-EOR项目将永久封存CO2约2×107tCO2，同时增产原油2×107m3，这是目前世界上最大的CO2-EOR项目之一。Glencoe资源公司通过在数个采油率为10%～20%的低产油田实施CO2-EOR项目，采油率提高到40%。2013年，加拿大TransAlta电力公司下属的阿尔伯达燃煤电厂CO2-EOR项目正式运行，项目所捕集CO2数量的8%被注入封存于地下油层以提升油田采出率。

5.2 国内

5.2.1 大庆油田

大庆油田自1985年起在3个油田进行了小规模CO2-EOR试验，以提高油田采收率。目前，大庆油田已将CO2-EOR技术纳入战略储备技术，并且不断扩大CO2-EOR项目的实施油田区块数量和CO2注入规模。截至2009年初，已有6个采油厂开展了CO2强化驱油项目，累计增产原油近5000m3。此外，根据大庆油田与日本公司合作实施CO2-EOR项目计划，将进一步新建CO2捕集装置来输送哈尔滨部分燃煤电厂排放的CO2送至大庆油田，该项目除增产原油5×103t/d外，还可封存CO2约1.5×108t。

5.2.2 胜利油田

胜利油田自1998年起开展CO2单井吞吐增油研究，三年内实施已有30余口井，共增产原油1.5×104t以上，经济效益明显。此外，为了提高部分超稠油藏的采出率，胜利采油院研发成功以蒸汽吞吐为主、CO2采油为辅的综合热力采油新工艺，且在实践应用中收到良好效果。该项新技术在郑411-P2井进行试验，注入CO2约2000t、蒸汽1980t，平均日产油23t，峰值近45t。

5.2.3 吉林油田

吉林油田自上世纪80年代开始进行CO2-EOR试验，30年来已积累丰富的技术经验。2002年，吉林油田在新立油田新228区块建设2座CO2驱油试验站，累计封存注入CO2约1500t，增产原油160t，如果扣除原油开采年递减因素则增产原油5200t。2005年，吉林油田CO2-EOR项目被列入国家973项目。截至目前，吉林油田CO2-EOR项目总共封存CO2近6000t。

6 结语

二氧化碳捕集与封存技术(CCS)是短期内解决二氧化碳超排导致温室效应加剧的一种有效途径，其关键技术是CO2捕集、运输和封存。目前制约CCS技术发展的一个重要原因是地址封存和海洋深处封存CO2的建设和运行成本过高，且没有经济效益。而通过CO2-EOR将CO2注入油田，既可以减少CO2排放和水的消耗，又可以提高石油采收率，同时获得可观的经济效益，且已经在实际应用中效果得到了充分肯定，因此CCS技术中最有发展前景的是CO2-EOR技术，也是我国应该优先发展的技术。

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