技术简介

当前位置:首页 > 中心概况 > 技术简介
CCS技术简介

时间:2018-01-12 浏览:632

二氧化碳捕集与封存技术(Carbon Capture and Sequestration 或 Carbon Capture and Storage),简称为CCS技术,在国内也被称为CCUS技术(Carbon Capture, Utilization and Storage)。二氧化碳捕集与封存是指将煤化工、燃煤(气)电厂等高碳排放企业产生的CO2进行分离和捕集,然后将其液化压缩后通过特殊的运输方式注入到地下深部地质构造中进行永久性封存,以减少人类生产活动产生的CO2对于生态环境破坏的技术方法。据联合国统计,在全球范围内,如果不采用CCS技术实现气候目标的成本将上升138%。

该项技术一方面减少了向大气中排放的CO2降低了温室效应;另一方面将CO2注入地下开发中后期的油气田进行CO2驱油,可以极大地提高原油采收率(CO2-EOR),实现了缓解环境压力和提高经济效益的双赢。国际上大规模的CCS项目可以实现每年百万吨以上的CO2减排量,被认为是大规模快速减排CO2最有效的办法之一,是《巴黎协定》温室气体控制目标不可或缺的技术。同时,CO2作为最好的驱油剂,混相驱较传统水驱油提高石油采收率达到12-19%,非混相驱也可达5-8%。

全流程CCUS技术,包括四个步骤:CO2捕集、CO2运输、CO2利用、CO2封存。


CO2捕集:即在燃煤电厂及高碳排放企业通过物理化学生物等方法捕集CO2。其工艺可以分为燃烧后捕集技术、燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术。目前采用较多的是燃烧后捕集技术。

燃烧后捕集技术:即在燃烧设备后排放的烟气中捕集CO2。如今常用的CO2分离技术主要有化学吸收法(利用酸碱性吸收)和物理吸收法(变温或变压吸附),此外还有膜分离法技术,正处于发展阶段,但却是公认的在能耗和设备紧凑性方面具有非常大潜力的技术。其中化学吸收法应用最为广泛,化学吸收法是利用CO2的酸性特征,通常采用碱性溶液吸收CO2,然后借助逆反应实现吸收剂的再生,该方法的吸收效果和经济性与化学吸收剂有很大的关系,常见的化学吸收法有热钾碱法,氨水法和醇胺法等。从理论上说,燃烧后捕集技术适用于任何一种火力发电厂。然而,普通烟气的压力小体积大,CO2浓度低,而且含有大量的N2,因此捕集系统庞大,耗费大量的能源。

燃烧前捕集技术:指在碳基燃料燃烧前,首先将其化学能从碳中转移出来,然后将碳与携带能量的其他物质进行分离,从而实现碳燃烧利用前的捕集。整体煤气化联合循环发电(IGCC)是最典型的可进行燃烧前碳捕集的系统。IGCC是将煤气化与燃气-蒸汽联合循环结合的发电系统,化石燃料气化转化为合成气(主要成分为CO和H2),然后利用水煤气变换反应提高CO2的浓度,CO2捕集后得到的富氢燃气可用于燃烧发电,分离得到的CO2压缩纯化后可进行后续利用或封存。

富氧燃烧技术:采用传统燃煤电站的技术流程,但通过制氧技术,将空气中大比例的氮气(N2)脱除,直接采用高浓度的氧气(O2)与抽回的部分烟气(烟道气)的混合气体来替代空气,这样得到的烟气中有高浓度的CO2气体,可以直接进行处理和封存。欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧项目。该技术路线面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗太高,还没找到一种廉价低耗的能动技术。

CO2运输CO2捕集后,需运输到封存地点。可采用卡车,轮船或管道输送到,被运输的CO2可以有气液固三种状态。管道运输和轮船运输是用得最多的两种方式。一般来说,距离不太远时,可采用管道运输,距离过远时,则采用轮船运输。

如果选用管道压缩,CO2大约被压缩到110个大气压,该压力下能保证环境温度下CO2在管道中呈稠态(densephase),使得管道尺寸大大减小。管道运输对CO2中的水,氧气,硫化氢等杂质有特殊的限制要求,以避免对管道的腐蚀作用。2008年,美国约有5800千米的CO2管道,这些管道大都用以将CO2运输到油田,注入地下油层以提高石油采收率。如果轮船运输,CO2需压缩到6个大气压以上,温度保持在-52摄氏度左右,CO2在此条件下呈液态。此种方式应用于小规模的CO2运输,CO2的液化耗能较大。

CO2利用:将捕集到的CO2纯化后进行商业化利用(食品利用、工业利用)、地质利用(CO2驱油、CO2驱煤层气、地热增强)、创新型利用(化学合成、生物利用)等。

CO2封存:地质封存是将CO2注入地下深部的油气层、煤层、盐水层、碳酸盐岩、甚至玄武岩中,较为适合的封存地点为枯竭油气田、不可开采的煤层和深部咸水层。

CO2注到盐碱湖、咸水层:CO2可与盐碱湖里的一些碱性物质反应生成矿物质盐,从而达到固碳的功能。咸水层一般在地下深处,富含不适合农业或饮用的咸水,这类地质结构较为常见,同时拥有巨大的封存潜力。不过与油田相比,人们对这类地质结构的认识还较为有限。另外CO2可以与一些硅酸盐物质反应生成二氧化硅和碳酸盐物质,从而达到固碳的功能。

CO2注到油气层:高效驱油利用,即CO2-EOR(CO2 Enhance Oil Recovery)。封存在地下油层中的CO2有驱油的作用,油层可以是现阶段废弃油藏,也可以是现有油藏。目前人类对油气层的开采率只能达到30%-40%,随着技术进步,存在着将剩余的60%-70%的油气资源开采出来的可能性。将CO2注到油井里,并在生产井口进行回收与回注,可使得采油率提升,此项技术被称作二氧化碳强化驱油技术(即CO2-EOR技术),已经十分成熟,这为CO2地质封存提供了技术保障。这些油层往往在地下1000米以下,上覆泥质盖层致密而无法渗透CO2,并且具有多套盖层封堵CO2,确保其安全的封存于地下。因此,将CO2注入到地下开发中后期或废弃的油气田中进行封存,不仅可以减少大气中CO2含量,缓解环境压力,又可以进行地下驱油驱气,提高石油天然气的采收率,是一种环境保护和经济开发双赢的温室气体减排方法,可实现石油和天然气增产,提高采收率5-8%。

CO2驱油是三次采油中最具潜力的提高采收率方法之一,注入到油层的CO2之所以可以起到驱油的作用,是因为CO2能显著降低原油粘度、改善原油与水的流度比、使原油体积大幅度膨胀、萃取和汽化原油中的轻烃、以及CO2与原油之间的混相效应消除了界面张力,因此可以有效提高石油采收率,减少剩余油。

CO2的捕集与封存过程中,如何监测地质封存的效果,特别是监测地质封存的安全、可靠性与CO2 泄漏的风险,成为CCS技术最大的挑战。地球物理监测技术是CO2封存选址、检测CO2地下封存状态,分布范围,证实CO2是否泄露,即证实CO2注入量与地质封存量相同的核心技术。在CO2地质封存完成后,还需要长期的地球物理监测,以便监测CO2长期封存的安全性。四维地震监测技术是研究这些地质特征最有效的技术手段。

Copyright © 2017 NATIONAL&LOCAL JOINT ENGINEERING RESEARCH

CENTER OF CARBON CAPTURE AND STORAGE TECHNOLOGY(Northwest University)

二氧化碳捕集与封存技术国家地方联合工程研究中心 © 版权所有 管理入口