1、13.1 概述概述13.2碳捕集、利用与封存技术的基本碳捕集、利用与封存技术的基本原理与开发应用原理与开发应用13.3 碳捕集、利用与封存技术的发展碳捕集、利用与封存技术的发展现状与前景现状与前景复习思考题复习思考题碳捕集、利用与封存碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization andstorage,CCUS)技术：技术：将将 CO2 从电厂等工业或其他排放源分离从电厂等工业或其他排放源分离,经捕集、压缩并运输到特定地经捕集、压缩并运输到特定地点加以利用或注入储点加以利用或注入储 层封存以实现被捕集的层封存以实现被捕集的CO2与与大气长期分离的技大气长期分离的技术
2、。术。CCUS技术一般包括技术一般包括CO2 捕集捕集、运运 输输、利用利用和和封存封存,其中其中CO2的的利用主利用主要是在封存的同时实现利用要是在封存的同时实现利用 (如用于驱油、驱煤层气如用于驱油、驱煤层气 等等)。CO2的的资源资源化利用化利用,可以创造一定的经济效益可以创造一定的经济效益,减少减少CCUS技术的综合成本。技术的综合成本。 13.1 概述概述13.1.1碳捕集、利用与封存技术的概念与意义 一、碳捕集、利用与封存技术的概念 13.1 概述概述13.1.1碳捕集、利用与封存技术的概念与意义 一、碳捕集、利用与封存技术的概念 从电力生产、工业生产和燃料处理过程中分离、收集CO
3、2,并净化和压缩。目前,常 用的CO2 捕集方式主要有燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集,其中以燃烧后捕集方 式应用最广、技术上最为成熟。 将收集到的CO2 通过罐车、管道或船舶等方式运输到封存地。通过管道运输压缩CO2 是当前采用的主要方法,在海运便利的地方,液态CO2 也可以通过船舶输送,而且是一种 更经济的输送方案。 碳封存是指将CO2 长期封存于生物圈、地下构造或海洋中,以减少CO2 在空气中的含 量。地质封存是应用最广泛的碳封存技术,适于CO2 地质封存的结构一般包括海底盐沼池、 衰竭油气藏、煤层和咸水层等地质体。此外,还可以通过化学反应将CO2 转化成无机矿物 性碳酸盐从而达到几
4、乎永久性的储存,这方面的技术仍处于研究阶段,其经济可行性和减排 效率存在很大的不确定性在封存的同时实现CO2 的利用,可以创造一定的经济利益,降低CCUS技术的总体成 本。这方面应用比较多的是将CO2 注入衰竭的油藏,提高原油采收率 ( enhanced oil recovery,EOR),或者将CO2 注入渗透率较低的煤层,达到增采煤层气 ( enhanced coal bed methane,ECBM)的目的。另外,CO2 在食品、化工、生物和建材等领域也得到了较为广 泛的应用捕集阶段运输阶段封存阶段 CO2 的利用 13.1 概述概述13.1.1碳捕集、利用与封存技术的概念与意义 二、发
5、展碳捕集、利用与封存技术的意义 2016年,国际能源署提出解决全球气候变化的主要手段是发展清洁能源 (包括可再生 能源和核能)、提高能效 (包括最终使用燃料和电力效率以及最终使用燃料转换)和CCUS 技术。政府间气候变化专门委员会也指出,如果没有CCUS,绝大多数气候模式都不能实现 缓解气候变化的目标;重要的是,如果不采用CCUS技术,在2050年前实现大气中温室气 体浓度控制在0 .045% CO2 当量的成本会增加138%。据全球碳捕集与封存研究院的统计, 2018年年底,全球共有37个大型CCUS项目,其中有22个项目处于运行或建设阶段,综 合捕集CO2 的能力约为3700万t /a。因
6、此,CCUS技术是一种减少温室气体排放和利用温 室气体的技术,是解决全球气候变化的重要手段之一,其发展及广泛应用对建立清洁低碳的 能源体系,倡导绿色低碳的生活方式以及推动国家可持续发展,实现绿色发展进程都有积极 的意义。我国在提高能效和发展清洁能源方面已经位居世界前列,政府在调整产业结构、优化能 源供给、提高节能效率、控制非能源活动温室气体排放、增加碳汇等方面采取了一系列行 动,取得了一定的积极成效,如2017年碳强度比2005年下降约46%,已经提前完成了到 2020年碳强度下降40%45%的目标。CCUS技术作为重要的减排技术,是我国践行低碳 发展战略的重要技术选择,对实现绿色发展至关重要
7、。截至2017年年底,全国已建成或运 营的万吨级以上CCUS示范项目13个,大规模全流程的集成项目有14个正在部署中。 1.1 随机现象与随机试验随机现象与随机试验1.2 随机事件随机事件1.3 概率及其性质概率及其性质1.4 条件概率条件概率1.5 事件的独立性事件的独立性1.6 应用实例应用实例l随机现象随机现象l确定性现象l非确定性现象随机现象l统计规律性统计规律性l随机试验随机试验 E1：投掷一枚均匀骰子，观测出现的点数：投掷一枚均匀骰子，观测出现的点数(即朝上那一面的点即朝上那一面的点数数). E2：在一批产品中，任取一件，检测它是正品，还是次品：在一批产品中，任取一件，检测它是正品
8、，还是次品. E3：投掷两枚质地均匀的硬币，观测正面和反面出现的次数：投掷两枚质地均匀的硬币，观测正面和反面出现的次数. E4：记录某网站一天的点击量：记录某网站一天的点击量. E5：从一批灯泡中，任取一只，测试其寿命：从一批灯泡中，任取一只，测试其寿命. l可重复性可重复性l明确性明确性l随机性随机性l样本空间样本空间： 样本点：样本点：l必然事件必然事件：l不可能事件不可能事件：事件的关系事件的关系l子事件子事件：事件：事件A发生必然导致事件发生必然导致事件B发生，称事件发生，称事件A是事是事件件B的子事件的子事件l和和事件事件：事件：事件A与与事件事件B中至少有中至少有一个发生一个发生，
9、称为事件，称为事件A与事件与事件B的和事件的和事件l积积事件事件：事件：事件A与与事件事件B同时发生同时发生，称为事件，称为事件A与事件与事件B的积事件的积事件 或或ABABABAB事件的关系及运算事件的关系及运算l差差事件事件：事件：事件A发生发生而而事件事件B不发生，称为事件不发生，称为事件A关于事件关于事件B的差事件的差事件l互不相容互不相容事件事件：事件：事件A与与事件事件B不能同时不能同时发生发生，称事件称事件A与事件与事件B互不相容互不相容l对立对立事件事件：事件：事件A不发生不发生，称为，称为A的对立事件的对立事件ABABAB A事件的运算事件的运算l交换律交换律l结合律结合律l
10、分配律分配律l对偶律对偶律l吸收律吸收律ABBAABBA()()ABCABC()()ABCABC()()()ABCACBC()()()ABCACBCABABABAB,ABABB ABA古典概型古典概型定义:设E 是一个随机试验,若它满足以下两个条件：(1)仅有有限多个基本事件；(2)每个基本事件发生的可能性相等。这类随机试验的数学模型称为古典概型古典概型。定义：设试验定义：设试验E为古典概型试验，为古典概型试验，Ai，i=1,2,n是基本事件是基本事件,则由则由样本空间的样本点总数样本空间的样本点总数所含样本点的数目所含样本点的数目基本事件总数基本事件总数所含的基本事件个数所含的基本事件个数A
11、AAP )(所确定的概率称为事件所确定的概率称为事件A的的古典概率古典概率。注：在古典概率的计算中常用到排列组合的知识，如乘法注：在古典概率的计算中常用到排列组合的知识，如乘法原理、加法原理等等。原理、加法原理等等。几何概型几何概型定义:设E是一个随机试验,若它满足以下两个条件：(1)如果一个随机现象的样本空间充满某个几何区域，其度量(长度、面积、体积等)大小可以用S表示；(2)任意样本点落在度量相同的子区域内是等可能的。这类随机试验的数学模型称为几何概型几何概型。13.1 概述概述13.1.2碳捕集、利用与封存技术的特点和应用 一、CCUS技术的特点 在技术成熟的前提下,CCUS技术有可能实
12、现近零排放,这是全球气候解决方案的重要 组成部分。CCUS技术在促进煤清洁利用方面具有重要作用,有可能对油气、燃煤发电、煤 化工等行业的优化发展起明显的推进作用,对世界能源供给也具有战略意义。13.1 概述概述13.1.2碳捕集、利用与封存技术的特点和应用 二、CCUS技术的应用表13-2总结了CCUS技术的应用领域，主要包括物理应用、化工应用和生物应用等。其中，物理应用主要包括：在啤酒、碳酸饮料中的应用；石油三采的驱油剂；焊接工艺中的惰性气体保护焊；将液体、固体CO2的冷量用于食品蔬菜的冷藏、储运；在果蔬的自然降氧、气调保鲜剂，以及用于超临界CO2萃取等行业中。化工应用主要包括：无机和有机精
13、细化学品、高分子材料等的研究应用上。如以CO2为原料合成尿素、生产轻质纳米级超细活性碳酸盐；CO2催化加氢制取甲醇；以CO2为原料生产系列有机原料；CO2与环氧化物共聚生产的高聚物；通过CO2转化为CO，从而合成一系列羟基化碳等化学品。生物应用主要以微藻固定CO2转化为生物燃料和化学品，生物肥料、食品和饲料添加剂等。目前，我国在CCUS全流程的各种技术路线上都开展了示范工程，新建规模也在不断扩大。根据麦肯锡的估算，在经过初期的示范阶段之后，CCUS产能规模每翻一番，成本将有望下降1020%。13.2碳捕集、利用与封存技术的基本原理与开发应用碳捕集、利用与封存技术的基本原理与开发应用13.2.1
14、碳捕集技术目前，碳捕集技术主要有3种类型：燃烧前捕集（pre-combustion capture）、富氧燃烧捕集（oxy-fuel combustion capture）和燃烧后捕集（post-combustion capture)，其技术路线的典型工艺如图13-1所示。此外，一些新型的捕集技术，如化学链燃烧捕集技术、电化学泵、CO2水合工艺和光催化工艺分离烟气CO2技术等也逐渐受到研究者们的关注和重视。碳捕集技术的选择主要取决于燃料的类型、燃烧方式、燃烧的温度、气体中CO2浓度和分压以及现有技术和成本等。13.2.1碳捕集技术一、燃烧前捕集技术在燃烧前去除燃料中的碳元素，那么就需要将燃料中
15、的碳转化为易分离的物质。以燃煤火电厂为例，如图13-2所示，煤与水蒸汽或者O2在高温高压下发生部分氧化反应，产生一定量的CO和H2，即得到所谓的“合成气”。合成气经过颗粒去除纯化以后，合成气中的CO与水蒸汽发生反应生成CO2，然后经过吸收法、吸附法等技术去除CO2，例如已得到广泛工业应用的Seloxol法，然后得到几乎纯净的H2燃料气。尽管燃料气化相对于传统的直接燃烧的步骤较为复杂且成本较高，但是在CO2的分离过程中，在高压、且CO2浓度较高的分离条件下，分离更为简单且成本较低。与燃烧后捕集CO2是通过CO2与吸收剂发生化学反应不同的是，燃烧前捕集CO2更适合的方法是CO2在高压、高浓度条件下
16、发生物理吸收吸附，然后降压进行解吸。但是燃烧前捕集的能耗较大，特别是燃料气气化重组转换和CO2与H2混合气变压分离CO2的过程，最初的燃料转化步骤较为复杂，与燃烧后系统相比成本较高。但由变换反应器产生的高浓度CO2（在烘干条件下一般占体积的1560%），以及在这些应用中的高压条件，则更有利于CO2的分离。13.2.1碳捕集技术一、燃烧前捕集技术燃烧前系统可以在采用整体煤气化联合循环（Integrated gasification combined cycle, IGCC）技术的电厂中使用。IGCC技术是20世纪70年代西方国家在石油危机时期开始研究和发展的一种技术，是把煤气化和燃气蒸汽联合循环
17、发电系统有机集成的一种洁净煤发电技术。系统主要由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备。第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。IGCC系统流程示意如图13-3所示。IGCC的工艺过程如下：煤制备后经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料；然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气轮机做功；燃气轮机排气进入余热锅炉，加热给水，产生过热蒸汽，驱动蒸汽轮机做功。13.2.1碳捕集技术二、富氧燃烧捕集技术如图13-4所示，富氧燃烧技术是指
18、在燃烧过程中通入不含N2的纯氧，燃烧后的烟气CO2体积浓度可达85%以上，便于后续的封存。富氧燃烧捕集具有非常大的发展前景，由于燃烧过程中没有N2的参加，其燃烧温度更高，且只产生微量的NOx，因而整个碳捕集过程其能耗较低。但是富氧燃烧捕集整个核心是制氧过程，常采用低温分离和膜分离技术，制氧过程费用很高。由于富氧燃烧过程温度较高，因而涉及燃烧器的材料耐受力和燃烧器的结构设计和改造。综合考虑制氧成本和燃烧器结构这两方面问题，该过程目前主要限制于实验室和中试研究。美国阿贡国家实验室正在研究改造富氧燃烧器，使得燃烧器能够同时将CO2的传输利用以及保存集于一体。13.2.1碳捕集技术三、燃烧后捕集技术火
19、电厂的CO2燃烧后捕集在特定的经济条件下是可行的，且已有工业化应用。如图13-5所示，传统的火力发电厂通过煤与空气混合燃烧产生热和电，在燃烧过程中会产生SO2、NOx和颗粒物等污染物，由于CO2的捕集过程需要保持混合气体的相对洁净度，因而一般捕集的过程是在除尘、脱硫、脱硝以后。燃烧后捕集技术的分支较多，主要分为吸收法、吸附法、膜分离法、低温蒸馏法等，目前应用得最广泛且高效的CO2捕集方法是醇胺吸收法。醇胺法能够捕集8595%的CO2，吸收了CO2的溶剂再进行升温解吸，可得到高浓度的CO2气体进行运输封存。13.2.1碳捕集技术四、化学链燃烧技术近年来，化学链燃烧技术（chemical loop
20、ing combustion, CLC）逐渐发展起来。CLC技术改变了传统的燃烧方式，可通过煤的间接燃烧，得到高浓度的CO2尾气，这将便于CO2的回收利用。CLC的基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧剂的作用分解为两个气固反应，燃料与空气无需接触，由载氧剂将空气中的氧传递到燃料中。反应方程式如下：燃料侧反应为：燃料+MO（金属氧化物）CO2+H2O+M（金属）空气侧反应为：M（金属）+O2（空气）MO（金属氧化物）13.2.1碳捕集技术四、化学链燃烧技术CLC系统由氧化炉、还原炉和载氧剂组成。其中，载氧剂由金属氧化物与载体组成，金属氧化物是真正参与反应传递氧的物质，而载体是
21、用来承载金属氧化物并提高化学反应特性的物质。燃料从固体金属氧化物MO获取氧，无需与空气直接接触，燃料侧的生成物为高浓度的CO2、水蒸气和固体金属M；空气侧是前一个反应中生成的固体金属M与空气中的氧反应，重新生成固体金属氧化物MO。金属氧化物MO与金属M在两个反应之间循环使用，起到传递氧的作用。整个过程中不会产生NOx，采用物理冷凝法即可分离回收CO2，可以节省大量能耗。这种新的能量释放方法是解决CO2、NOx环境污染的一个重大突破，其动力系统如图13-6所示。热力学计算和分析表明，还原反应和氧化反应的反应热总和等于总反应放出的燃烧热，也即传统燃烧中放出的热量，但由于CLC系统降低了传统燃烧的损
22、失，提供了提高能源利用率的可能性；同时，由于燃料与空气不直接接触，整个过程中不会产生NOx，在还原反应器内生成的CO2和水不会被过量的空气和N2稀释，分离回收CO2只需将水蒸气冷凝、去除，无需消耗能量和CO2分离装置。尽管CLC的优点已引起了许多国内外学者的兴趣，但该技术目前仍处于研究发展阶段，其有效利用还有待于进一步开发。13.2.2碳运输技术CO2可以以气体的形式在管道中运输，也可以以液体的形式在管道、船舶和罐车（包括公路罐车和铁路罐车）中运输。表13-3简要列出了各种运输方式的优缺点及其适用场合。13.2.2碳运输技术采用罐车对CO2进行运输的技术已经成熟，罐车运输主要有卡车运输（公路罐
23、车运输）和火车运输（铁路罐车运输）两种方式。公路罐车运输规模有250 t不等，运输方式较为灵活，适应性强，但运输过程中存在CO2的蒸发问题，依据车内储藏时间的不同，该蒸发量可以高达10%。铁路罐车适用于较大容量、长距离的CO2输送。但是铁路输送除了需要考虑现有的铁路条件外，还需要考虑CO2的罐装、卸除和临时储存等基础设施的条件，如果这些条件不具备，其运输成本同样会很高。罐车运输目前已经广泛应用在食品级CO2的运输方面，由于食品级CO2的运输量很小，采用其他的运输方式容易“大材小用”。目前已有小型的CO2运输船舶，但还没有大型的适合CO2运输的船舶。不过在石油工业中，液化石油气（liquid p
24、etroleum gas, LPG）和液化天然气（liquid natural gas, LNG）的船舶运输已经商业化，未来可以考虑利用已有的LPG油轮来进行CO2的运输。和罐车运输一样，采用船舶运输的时候也必须考虑CO2的蒸发与泄漏；在长距离运输时，这种蒸发和泄漏可能很严重，因而需要对泄露的CO2进行回收。相对于管道运输而言，轮船具有运输方向灵活和运输距离远等优点。因此，未来海上油田EOR或者在海底地质层封存CO2时，船舶运输将是一种较有竞争力的选择。一、罐车和船舶运输13.2.2碳运输技术（1）管道运输的原理CO2具有其独特的物理性质，这也决定了CO2的管道运输方式与其他气体不同。图13-
25、7为CO2的三相图。在常温常压下，CO2呈气态，密度小，黏度大，不利于管道运输。和其他气体的管道运输一样，CO2需以压缩态来运输。从图13-7可以看出CO2的临界温度和压强分别为31.1C和7.38 MPa，运输过程中只要温度和压强同时保持在临界点以上，CO2就会处于超临界状态，避免运输过程中气液两相流的产生。超临界状态的CO2基本上仍是一种气态，但又不同于气态，其密度比一般气态CO2要大两个数量级，与液体相似（如当压力高于临界压力、温度低于20C时，CO2的密度范围为8001200 kg/m3，相当于密度为1000 kg/m3的水的密度）。在扩散力和黏度上，它却更接近于气态CO2。由于超临界
26、CO2有黏度小、密度小的特点，因此可将CO2转化为超临界态后在管道中运输。这也是目前大多数学者建议的一种CO2运输方式。但由图13-7可以看出，只要保证CO2的压力高于7.38 MPa，在温度大于-60C的情况下，CO2都会是压缩态，不会有两相流产生。这就意味着没有必要对温度进行严格的限制，环境温度完全可以满足运输要求。二、管道运输在一定的温度下，CO2的可压缩性会随压力的不同而不同，同时还会受CO2中可能混入的杂质的影响。有研究表明，CO2的可压缩性在8.6 MPa时会发生显著变化，为了减少设计和操作过程中可能遇到的麻烦，一般情况下建议CO2的管道运输压力应保持在8.6 MPa以上。通过管道
27、输运CO2存在摩擦损耗，通常摩擦损耗范围为450 kPa/km，这取决于管道直径、质量、CO2的流速以及管道的粗糙系数。一般来说，管道直径越大，摩擦损耗越小。因此，为了使CO2在整个管道中都保持为致密相，通常采用足够高的管道入口压力来克服损失，或者通过在每100150 km处安装增压压力站来弥补压力损失，从而使CO2在输运过程中始终保持为超临界状态。另外，CO2管道与天然气管道类似，CO2需经过脱水以降低管道被腐蚀的可能性，因为钢制的管道不会被干燥的CO2腐蚀，在脱水站之前的短管道需用一种耐蚀合金制成。13.2.2碳运输技术二、管道运输对于大规模CO2的运输，管道运输是一种廉价的方式。在100
28、500 km每年运输15 Mt CO2或者在5002000 km每年运输520 Mt CO2将会在经济上形成规模效益。未来40年中CCUS的需求规模决定了管道运输将是最主要的CO2运输方式。然而，在CCUS技术从示范到商业化的漫长历程中，为确定管道网络和常规运载工具将如何发展而进行的大量工作尚待完成。在世界的很多地区，只有弄清埋存地分布之后，管道运输网络的规划才能进入实质性阶段。13.2.2碳运输技术二、管道运输CO2预处理CO2管道输送系统的压缩方案风险控制13.2.2碳运输技术二、管道运输一般来说，捕集得到的CO2中往往含有N2、H2O、O2、H2S等杂质气体，这些气体一方面容易形成气泡，
29、导致运输阻力增加、能耗增大，从而降低经济性；另一方面也可能对压缩泵、管道和储存罐等设备造成氧化、腐蚀，影响管道的使用寿命和经济性。因此，在进行运输之前，需要对CO2进行净化，使其中杂质的含量低于某一数值。不同国家或者企业，对管道运输的CO2成分有不同的规定，一般来说，应该满足如下要求：CO2的体积分数应该大于95%；不含自由水，水蒸气的含量低于0.489 g/m3（气态）；H2S的质量分数小于1500 ppm，全硫质量分数小于1450 ppm；温度低于48.9C；N2的体积分数小于4%；O2的质量分数小于10 ppm。吸收法捕集系统所捕集的CO2基本能够满足以上要求，无须进一步净化。这种浓度的
30、CO2可以用于地质封存或者强化石油开采。对采用富氧燃烧捕集系统得到的CO2可能还需要进一步净化才能满足运输要求。另外，对于其他用途的CO2，如食品级的CO2，则纯度要更高、所含的杂质也要更少。13.2.2碳运输技术二、管道运输如图13-8所示，CO2的压缩一般情况下包括如下三步：初压缩，即入管前的压缩；中间压缩，即中间压气站的压缩；注入点的压缩。考虑到压缩机和压缩泵各自的工作特点以及它们在工作时效率与能量消耗的不同，通常将CO2的初压缩分成两步进行：首先用压缩机将CO2气体压缩为具有一定压力的液态，然后利用泵来进一步将其提压至规定的压力值。工程中常将（6 MPa，23C）作为泵和压缩机的工作区
31、间分界点，低于6 MPa时采用压缩机压缩，高于6 MPa后采用泵来压缩。需要注意的是，经压缩机压缩后，CO2的温度可能会超过23C，为了确保通过泵时CO2处在液态，必要时需要对CO2进行冷却处理，使其温度不超过23C。如果管道太长，当管道内CO2的压力降低到9 MPa时，就需对CO2进行中间加压。当CO2运输到封存点时，如果其出口压力低于注入压力，则需要对CO2继续加压。需要注意的是，此时CO2的压力不再受管道所能承受压力极限的限制，只需满足注入的要求即可。13.2.2碳运输技术二、管道运输CO2不存在爆炸和着火有关的风险，但气体CO2比空气的密度大，它可以在低洼地积累。高浓度的CO2会影响人
32、类的健康，有时甚至会有致命的危险。某些杂质（如H2S和SO2)的存在会增加与管道泄漏有关的风险，潜在的管道泄漏可能由管道中损伤、腐蚀或损坏的阀、焊缝引起。裂缝的外部检测和目视检查（包括通过使用外部监督设备或者分布式光纤传感器），可以有效减少与腐蚀相关的风险。13.2.2碳运输技术三、三种运输方式的比较从目前已知的CO2运输成本来看，管道和船舶的CO2运输成本最低，且随着CO2运输规模增大，其成本能够进一步降低。但是，对于小规模的CO2运输，公路罐车运输相对较灵活，固定投资成本较小，也是经常采用的一种方法。总之，公路罐车适合小规模（106 t/年）、远距离、运输目的地稳定的场合，管道运输的经济性
33、会比较好。当然，对于未来海洋封存，船舶运输和管道运输一样具有成本优势。由于火电站每年的CO2排放量在百万t以上（30万kW燃煤机组每年捕集的CO2约为l Mt)，且进行大规模封存时，其封存地相对稳定，因此适宜采用管道运输13.2.3碳利用技术CO2利用的前提是如何持续稳定地获取CO2资源，目前我国已经掌握了碳捕集、分离与净化技术，这为实现CO2资源化和规模化利用、减少CO2排放提供了有力的技术支撑。CO2的应用途径主要包括强化驱油（CO2-EOR)、驱煤层气(CO2-ECBM)。CO2驱油技术具有提高石油产量的潜力，同时还能封存一部分CO2。石油产量的提高将创造额外利润，能抵消部分碳捕集与封存
34、技术应用的成本。中国煤层气资源丰富，煤层气勘探开发实践表明，中国煤层气储层渗透率偏低，向煤层中注入CO2，可以达到增采煤层气的目的。此外，CO2在生物、化工、建材等领域也得到了广泛的应用。13.2.3碳利用技术EOR主要指在油藏开采过程中不包括一次采油和二次采油的增产措施，主要开采目标是油藏剩余油。一次采油是利用地层天然能量来生产原油，石油的开采一般开始时是依靠自身压力压向地面，当压力不足时，采用泵抽的方法。二次采油是通过向地层注入流体，恢复油藏压力来驱替原油。目前，CO2-EOR已成为美国提高石油采收率的主导技术，2004年美国CO2-EOR增加的原油产量占全国提高采收率项目总产量的31%。
35、一、CO2-EOR热采工艺化学驱工艺微生物驱油技术CO2-EOR13.2.3碳利用技术1）CO2混相驱油技术在二次采油结束时，由于毛细作用，不少原油残留在岩石缝隙间，而不能流向生产井，不论用水或烃类气体驱油都是非均相驱油，油与水（或气体）均不能相溶形成一相，而是在两相之间形成界面。必须具有足够大的驱动力才能将原油从岩石缝隙间挤出，否则一部分原油就会停留下来。如果能注入一种同油相混溶的物质，即与原油形成均匀的一相，孔隙中滞留油的毛细作用力就会降低甚至消失，原油就能被驱向生产井。CO2能通过逐级提取原油中的轻组分与原油达到完全互溶。CO2混相驱油一般采用CO2与水交替注入储层的方法，注水改变CO2
36、的驱油速度，扩大CO2的波及效率。混相驱油的基本原理是CO2和地层原油在油藏条件下形成稳定的混相带前缘，该前缘作为单相流体移动并有效地把原油驱替到生产井（图13-9）。一、CO2-EOR13.2.3碳利用技术（2）CO2非混相驱油技术储层压力较低时，石油组成不利于混相驱油工艺的实施（如重油）；所注入的CO2将不与石油相溶或只部分相溶。在这种条件下，就会发生不溶或接近相溶的CO2驱油过程。CO2非混相驱油的机制是将CO2注入圈闭构造的顶部，使原油向下及构造两边移动，在构造两边的生产井中将原油采出（图13-10）。一、CO2-EOR主要采油机理是对原油中轻烃汽化和抽提，使原油体积膨胀、黏度降低、界
37、面张力减小。另外，CO2还可以提高或保持地层压力，当地层压力下降时，CO2就会从饱和了CO2的原油中溢出，形成溶解气驱，从而达到提高原油采收率的目的。在大多数情况下，CO2非混相驱油的效率比混相驱油的效率低，并且之前使用的频率也较低，但在考虑CO2封存时，可以设计不溶或接近混溶的CO2注入技术。CO2非混相驱油技术的主要应用包括：用CO2来恢复枯竭油藏的压力，重力稳定非混相驱替（用于开采高倾角、垂向渗透率高的油藏），重油CO2驱替（可以改善重油的流度，从而改善水驱效率），应用CO2驱替开采高黏度原油。13.2.3碳利用技术（3）CO2吞吐技术CO2吞吐技术的实质是非混相驱油，采油机理主要是原油
38、体积膨胀、降低原油界面张力和黏度，以及CO2对轻烃的抽提作用。该方法的一般过程是把大量的CO2注入生产井底，然后关井几个星期，让CO2渗入到油层以降低石油的黏度，然后重新开井生产。这种单井开采技术不依赖于井与井间的流体流动特性，适用范围很广，一般对开采井间流动性差或其他提高采收率方法不能见效的小型断块油藏、裂缝性油藏、强烈水驱的块状油藏、有底水的油藏等一些特殊油藏，以及不能承受油田范围的很大前沿投资的油藏等几类油藏具有更重要的意义。CO2吞吐技术增产措施相对来说具有投资低、返本快的特点，能在CO2耗量相对较低的条件下增加采油量。一、CO2-EOR13.2.3碳利用技术地下的煤储层受到地质史中构
39、造、地温、低压等诸多应力场的作用。固相的煤层中发育有极为丰富的裂隙，此外由于煤基质块中的原生孔裂隙，在煤层有机化学生烃阶段产生的次生孔裂隙导致煤含有大量的微孔隙，比表面积巨大，且孔隙表面存在不饱和能，与非极性气体分子之间产生一种范德华力，从而达到吸附气体分子的效果，并且由于吸附力的作用导致分子间距离的下降致使气体吸附量远大于煤层体积。地下煤层在没有注入CO2之前，主要吸附着有机化学反应阶段生成的CH4气体。但是煤对不同气体的吸附能力不同。试验表明，煤对CO2的吸附能力大于CH4，也就是说在保持煤层压力的同时注入CO2，CH4气体将会进行解吸，同时煤层达到吸附固定CO2的效果（图13-11）。因
40、此，在保持煤层压力的同时注入CO2，就可以把煤层中多余的CH4驱出来，从而达到增采煤层气的目的。二、CO2-ECBM13.2.3碳利用技术CO2的生物固定或利用主要指陆地和海洋生态环境中的植物、自养微生物等通过光合或化学作用，吸收和固定大气中游离的CO2，并在一定条件下实现向有机碳的转化，从而达到固定或利用CO2的目的。因其符合自然界循环和节省能源的理想方式（经济、安全、有效），目前被认为是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循环中起决定作用。森林约占陆地植物现存量的90%，另外，与草原、农田植物相比，森林具有较高的碳储存密度（即与别的土地利用方式相比，单位面积内可以储存更多的有机碳）。因此，
41、本部分将从森林固碳和微生物固碳两个方面对CO2的生物利用加以阐述。三、生物固定或利用13.2.3碳利用技术（1）森林固定全球植物每年固定大气中11%左右的CO2，森林每年固定4.6%。森林通过光合作用吸收CO2，制造碳氢化合物，即生物量，从而将CO2以有机碳的形式固定于森林植物中。森林在陆地植物中拥有最高的生物量，是陆地生物光合产量的主体，也是全球碳循环的主体。所以森林具有CO2储存库的重要地位，其光合作用过程为：三、生物固定或利用22612626CO6H OC HO6Ohv叶 绿 素13.2.3碳利用技术三、生物固定或利用根据减缓大气CO2浓度升高的方式，进行分类（1）保存现有碳，减少森林采
42、伐、改变现有的采伐体制和保护森林，以保存现有的森林碳库不再向大气净排放；（2）固定大气碳，增加天然林、人工林和农林复合林的面积或森林碳密度，以增加森林的碳储量；（3）替代碳排放，利用森林生物质替代石化产品，把生物碳转化为生物燃料和长寿命的木材产品。13.2.3碳利用技术三、生物固定或利用森林生态系统的固碳作用取决于两个对立的过程，即碳素输入过程和碳素输出过程。植物首先通过光合作用吸收CO2生成有机质储藏在体内，形成总初级生产量（GPP）。而后，通过植物自身的呼吸作用释放出一部分碳素（RA），GPP减去这一部分即为净初级生产量（NPP）。NPP可反映森林生态系统的碳素输入能力。植物以枯枝落叶、根
43、屑等形式把碳储藏在土壤中，而土壤中的碳有一部分会被微生物和其他异养生物通过分解和呼吸释放到大气中（RH），这是碳素输出过程，NPP减掉这一部分即为净生产量（NEP），它可以反应森林生态系统的固碳能力，可用如下公式表示：NEP=GPP-RA-RH。根据该公式，如果在自然生长状态下，一般森林生态系统的NEP为正值，是个碳汇。然而，由于人类活动的干扰和破坏，尤其是对热带森林的滥伐或把其变为农业用地等行为，就会使森林生态系统的NEP为负，从而成为碳源。我国森林生态系统在陆气系统碳循环中表现为碳汇，其NEP值为0.48 PgC。13.2.3碳利用技术三、生物固定或利用（2）微生物固定固定CO2的微生物种
44、类固定CO2的微生物一般有两类：光能自养型微生物和化能自养型微生物。前者主要包括微藻类和光合细菌，它们都含有叶绿素，以光为能源，CO2为碳源合成菌体物质或代谢产物；后者以CO2为碳源，以H2、H2S、S2O32-、NH4+、NO2-、Fe2+等为能源。固定CO2的微生物种类见表13-4。13.2.3碳利用技术三、生物固定或利用微藻固定CO2微藻在固定CO2的同时会产生大量的藻体，如不对藻体加以综合利用必然会带来污染。若开发合适的综合利用途径，不仅可以避免二次污染，还可降低过程成本。其综合利用主要包括在固定CO2的过程中利用现代高新技术，将微藻转化为生物柴油等高价值液体燃料；生产有用物质如类脂和
45、蛋白质；作为提取高附加值药物的原料；固定烟道气中CO2的同时生产高蛋白、易消化的动物饲料；与-亚麻酸的生产结合，以得到高产量的-亚麻酸等。可见，微藻固定CO2的综合利用有着非常广阔的应用前景。13.2.3碳利用技术四、其他资源化利用途径除了上述的CO2驱油和提高煤层气开采率外，CO2还可被应用于化工、建材等领域，如合成有机高分子化合物、无机化工产品、焊接保护、矿化制建材和烟丝膨化等。从规模尺度上评价，相对于EOR和ECBM技术而言，这五种利用方式能够减排的CO2量都比较小；但从时间尺度上评价，利用CO2制备合成有机高分子化合物、无机化工产品等方式可在一定时间范围内起到碳减排的作用，而在这些材料
46、被消耗的过程中将再次排放CO2。由于这些方式在一定程度上使CO2得到利用，创造了一定的经济效益，因而这些利用方式属于广义的CO2资源化利用方式。13.2.3碳利用技术四、其他资源化利用途径合成有机高分子化合物碳酸酯聚脲聚氨基甲酸酯聚酮、聚醚、聚酮醚酯无机化工产品尿素白炭黑碳酸钡晶体碳酸钙13.2.3碳利用技术四、其他资源化利用途径（3）焊接保护CO2电弧焊是一种高效率的焊接方法，以CO2气体作为保护气体，依靠焊丝与焊件之间的电弧来熔化金属的气体保护焊的方法称CO2焊。由于CO2具有一定的氧化性，因此，CO2焊一般采用一定脱氧元素的专业CO2焊丝。CO2电弧焊接在我国的造船、机车、汽车制造、石油
47、化工、工程机械、农业机械中已获得广泛应用。（4）烟丝膨化卷烟厂的烟丝如果不膨化，则需要三年以上才能使用，如果采用CO2膨化，则只需要两个月就可以使用，并且膨化后的烟丝透气性、耐燃性和味道都有很大改观，所以现在的卷烟厂全部采用CO2膨化技术。CO2和氟利昂是两种常用的烟丝膨化剂，但后者已被列为淘汰禁用品，这给CO2在烟草业中的发展提供了良机。13.2.3碳封存技术目前潜在的可用于封存CO2的技术有：地质封存（在地质构造中，如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深部咸水层构造）、海洋封存（直接释放到海洋水体中或海底）、森林和陆地生态系统封存以及将CO2固化成无机碳酸盐等。表13-6给出了各种封存方式
48、潜在的封存能力。相比来说，CO2的地质封存是最具潜力的封存技术，其优点如下：在油气田开发、废物处置和地下水保护中积累的经验有助于该项技术的顺利开展；在世界范围内有着较大容量的封存潜力；有较好的安全性，可以保证注入的CO2长期封存于储层中。13.2.3碳封存技术地质封存是目前最经济、最可靠的CO2封存技术。目前主要的CO2地质封存场地包括深部咸水层、废弃的油气田、气储层和不可采的贫瘠煤层，如图13-12所示。油气田是CO2封存的首选之地。因为这种地质构造在地质年代时期内一直保存流体；在油气田开发中已经积累了不少CO2封存的专业技术经验；将CO2注入油气藏，可提高采收率，在经济上抵消CCUS的整体
49、成本。向煤层中注入CO2提高CH4回收率的研究正处于示范阶段。假设煤层有充分的渗透性且这些煤炭以后不可能被开采，则该煤层也可用于封存CO2。咸水层的CO2封存容量相当大。对油气田的勘探和开发能够获得大量的地质数据，而咸水层则相反，由于缺乏资金支持，对咸水层的大规模研究尚未展开，关于咸水层的详细信息目前还较为缺乏。一、地质封存13.2.3碳封存技术（1）地质封存的机制向深层地质构造中注入CO2所使用的技术与石油天然气开采工业的许多技术相同。目前正进一步深入研究与CO2封存相适应的钻探技术、井下注入技术、封存地层的动力学模拟技术以及相应的监测技术。在石油天然气储层或咸水层构造中封存CO2的深度应在
50、800 m以下，在这种温度和压力条件下，CO2处于液态或超临界状态，其密度为水的5080%，可产生驱使CO2向上的浮升力。因此，选择用于封存CO2的地层必须有良好的圈闭性能，以确保把CO2限制在地下。当CO2被注入地下时，CO2需置换已经存在的流体。在石油天然气储层中，置换量较大，而在咸水层构造中，潜在的封存量就比较低，估计仅占孔隙体积的百分之几到30%。CO2注入地层以后，储层构造上方的大页岩和黏质岩起到了阻挡CO2向上流动的作用。毛细管力则可使CO2停留在储层空隙中。当CO2与地层流体和岩石发生化学反应时，CO2就从地质化学作用上被“俘获”了。首先，CO2会溶解在地层水中，而一旦溶解在地层
