地下注入二氧化碳工艺.doc

地下注入二氧化碳工艺*罗伯特索科洛夫（Robert H. Socolow）普林斯顿大学机械制造与空间技术的教授翻译：宋清；校对：苑惠明为了避免大气继续升温，可以向地下注入二氧化碳。这项任务是困难的，但是是值得做的。在威廉莎士比亚时代吸入的每百万个分子中就有280个是二氧化碳分子。如今，在我们的每次呼吸中每百万分子含有380个二氧化碳分子，其份量每年增加2个分子。大家都知道，二氧化碳大气浓度上升的后果将会如何：人类在地球范围内将进行无法操纵的实验。众所周知，二氧化碳促使大气增温，这样首先会引起海平面升高和水酸度增加。问题在于，全球气候因此会如何变化，这种情况下生态系统会受到怎样的折磨，所有这些会对人类的健康和福祉产生怎样的影响。目前，人类活动对气候的影响是如此之快，以至于学者们来不及评价其后果会严重到什么程度。如果要清楚，没有专门的工作能降低二氧化碳浓度的增长速度，那么应该立即采取一些必要的措施。相反，人类不得不要适应不可避免的后果。如果减少二氧化碳的排放成为人类社会的首要任务，那么未来可能会实质地降低生态灾害产生的风险。对此必须马上遵循几个方针：更加有效地利用能源和利用可再生能源替换化石燃料（煤、石油和天然气大气中二氧化碳的主要“人工制造”源）。除此之外，可以捕获二氧化碳并将其储存在地下储层中。绝对不能把二氧化碳排放到大气中，到目前为止这是有害排放物的主要储库，因为燃烧产物是自己通过排气通道和烟筒排出的。但是有一个好的新发明，即二氧化碳捕获和埋存工艺，而影响该工艺利用的障碍是完全可以克服的。捕获二氧化碳* ，2008 年。如果汽车每100公里需要8升汽油，那么行驶16,000千米必须购买1280升汽油，即一吨汽油。在汽油燃烧时通过排汽管排出大约3吨二氧化碳气体。在气体排出之前捕获二氧化碳并返回到加油站实际上是不可能的，而在固定的燃煤发电厂捕获所产生的二氧化碳则要容易得多。目前，在占全球二氧化碳排放量的四分之一的发电厂尝试捕获和储存二氧化碳不足为怪。功率为1,000兆瓦的大型燃煤发电厂，每年产生6,000,000吨的气体（等同于2,000,000辆汽车的排气量）。全球二氧化碳的总排放量（1,000个大型发电厂的工作当量）在未来几十年会增加一倍，因为美国、中国、加拿大和其他国家正在建造新的发电厂（见下文）。因为最近25年会出现新的燃煤企业，最好设计成能尽快滤除二氧化碳的企业。目前，能源公司可以从两种能源生产系统中选择其中一个。第三种系统在研究阶段。传统的燃煤蒸汽发电厂在一个阶段内完全采用空气燃煤，释出的热量把水转化成高压蒸汽使汽轮机转动发电。在最初系统方案中（上个世纪煤炭发电厂的主力）从混合物中分离出硫磺后剩余气体的混合物在大气压下通过高大的烟囱排出。排出的气体中15%是二氧化碳，其余剩下的是氮气和水蒸气。为了使工艺操作用于分离二氧化碳，可以把烟囱替换为吸收塔，吸收塔中分离的气体和少量化学制品（胺）发生反应，部分吸收二氧化碳。在第二个反应塔中（解吸塔）加热含有胺的液体，释放高浓度二氧化碳气体然后还原为化学吸收剂。众所周知，另一个获得能量的“煤”系统是煤气化复合循环。在这个系统中，煤开始部分在气化舱内加氧燃烧，以便获得主要由氢气和一氧化碳（煤气）混合物组成的合成气体。在除去硫化物和其他混合物以后含有空气的合成气体混合物在发电的燃气轮机中燃烧。进入烟囱之前，利用转动燃气轮机排出的热气把水转化为蒸汽，使汽轮机叶片转动，产生额外的能量。为了在这种装置捕获碳，向合成气体添加蒸汽，以便把大部分的一氧化碳转变为二氧化碳和氢气。在主要由氢气组成的剩余气体燃烧之前，滤除二氧化碳并在燃气和蒸汽涡轮机中产生电能。图 1 位于撒哈拉沙漠中的阿尔及利亚天然气开采公司的解吸塔。在这里用化学方法从专供于欧洲市场的天然气中分离出二氧化碳气体，然后注入到地下2千米深深处第三种方法是加氧燃煤，而不是在空气中燃烧。其中的方案之是在该系统一期燃烧时使用氧气，以便在排出的混合气体中虑氮，仅剩下二氧化碳和水蒸气，这样就可以轻易分离。在煤复合气化过程中可以加氧燃烧合成气体。在这种情况下，取消转化反应仅分离二氧化碳和水蒸气。但是，能够抗衡氧气中燃烧产生高温的结构材料还没有制造出来。复杂方案捕获二氧化碳不仅会增加难度和成本，而且同样降低燃料回收能量的效率。换句话说，为了顺利储存含有碳的副产品必须要开采和燃烧大量的煤。如果企业在滤清含硫的气态产品的同时并将其如二氧化碳那样储存的话，可以节省用于分离硫的一大笔费用，这样就可以补偿部分的开支。为了在发电厂运行的整个期间内（60年或以上）使利润最大化，应该不能忘记用于维护目前以及未来生态标准的费用。煤气化复合循环企业捕获二氧化碳的附加费用，大概明显低于传统企业的费。高压下去除二氧化碳，如同合成气体情况下比较经济，因为不需要安装庞大的设备。但是，目前仅是几个实验范例发挥作用，要选择这种气化系统会产生用于备用设施的附加费用。所以，为了能长期的不浪费用于阻止向大气排放二氧化碳的资金，应该选择用燃煤的传统发电厂，未来可在发电厂安装碳捕获设备。但是，如果在最近十年期间出现用于去除温室气体的限额，最好采用煤气化系统。为了提供煤炭生产者、电厂老板和房主给因转向捕获二氧化碳战略带来哪些费用，必须要评估所需的开支。专家统计表明，煤复合气化企业用于捕获和埋存1吨二氧化碳的附加资金大约25美元。（这个数字对于传统蒸汽发电厂可能会2倍以上。当出现新工艺时，这两种情况下总数会降低。）煤炭生产者、发电厂老板和房主感到成本不同程度地增加。化石燃料供应商必须支付大约60美元用于捕获和储存二氧化碳/吨，这样对于发电厂老板成本就增加两倍。后者和提供给能源系统的提高50%的能源成本发生冲突（大约在4分/瓦特时成本的基础之上增加2分/瓦特时）。购买火力发电厂电能的房主，平均要支付10分/瓦特时，感受到电价增长了20%（如果，假设增加的用于二氧化碳捕获与储存的2分/瓦特不会引起能量传输和分配费用的增加）。未来的化石燃料发电厂未来我们要转向并研究10年期间已经捕获二氧化碳的、功率为1,000兆瓦特的煤气化电站附近的城市。城市从不影响二氧化碳注入的浅水层取水。铁路把煤运送到发电厂，而输电线输送发出的电。在发电站发电最初的10年，收集了弥散在地下疏松地层中的大约60,000,000吨二氧化碳。二氧化碳通过钻井注入到2个含盐水的、位于不透水盖层下方距地表2千多米深的建造中。处于压力下“超临界”的密度为0.7千克/立方米的二氧化碳大概为90,000,000立方米。三分之一孔隙充满二氧化碳，占两个构造中10%的容积（见图）。注入气体的三分之二被注入到厚度为40米的上层建造，而另外三分之一气体注入到厚度为20米的下层建造。因此，充满超临界二氧化碳的疏松岩石的全部面积（水平面）在每个建造中大约为40平方米。要注意，水平和垂直图像范围是有区别的。每个注气井的深度和水平延伸长度实际上大体相等，近2千米。地震监测站的专家们用声波探测地面，跟踪二氧化碳的分布情况。在发电厂运行的第一个十年内，专家们通过观测二氧化碳气体在地下“储存器”中的分布情况了解了很多当地的地质信息。积累的信息可以决定，是否继续向旧的钻井注入发电厂排放的二氧化碳，是否向该建造钻新钻井或者是转移到另一个地下区域。 图 2最初和最后的步骤工业领导者不会等待建立新的发电厂，而在制氢和用于供暖、发电的净化天然气（沼气）的现有企业尝试捕获和储存二氧化碳的工艺。这些生产过程伴随着大量二氧化碳气体的排出。在位于净化石油和生产氨气的工厂采用的工业制氢的设备中，二氧化碳从处于高压下的含氢气的二氧化碳混合物中分离，同时把二氧化碳排放到大气中。在从混合气体净化天然气的工厂中分离二氧化碳，是为了使进入液化天然气的油罐车中的甲烷不含可以进入系统的冰凉干冰（干冰），以便二氧化碳的浓度不会超过3%（天然气分布网的需要）。目前，在石油天然气工业领域正在研究几个捕获从上述源头排出的二氧化碳的方案。制氢和净化天然气是在发电厂工业规模捕获二氧化碳的第一步。一些国家，例如中国，对进口石油需求的增加，已导致使用煤作为原料用来生产代替汽油和柴油的合成燃料。从气候变化的观点来看，这是倒退。如果要计算机动车排出的尾气和生产这类燃料的工厂排放，那么可以说，这种燃料在大气中燃烧时比使用汽油排放的二氧化碳多一倍以上。在工厂生产合成燃料时从煤炭中仅能转化一半的碳，而所有剩下的气体都通过烟囱排放。燃料生产工厂可以这样规划，捕集排放的二氧化碳。未来，机动车将采用电能驱动或者采用已安装了二氧化碳捕获设备的工厂所获得的不含碳的氢气驱动。 也可以从生物量中，如谷类作物、木材和造纸工业排放物等获取电能。如果忽略在收获和加工作物时所使用的化石燃料，那么在大气和土地之间的交换将是平衡的，所以采用生物量的传统发电厂排放的二氧化碳量几乎等于植物生长过程中光合作用下从大气中排放的二氧化碳的量。但是，如果生物发电厂安装捕获二氧化碳的设备，重复使用从归拢的植被中获得的生物量，那么，最终可以降低空气中二氧化碳的浓度。遗憾的是，光合作用的低效果限制了大气净化的可能性，因为需要大面积土地培育树木和谷类作物。但是，新工艺能够改变这种情况。也许，只有绿色植物能够较有效地消除二氧化碳和直接从大气中消除二氧化碳时，才能成为可能（例如，采用化学吸附剂过滤空气）。图 3 假设在最近25年间建造的发电厂煤炭燃烧产生的二氧化碳排放，在电厂发电的整个期间的排放量将可以和以前两个半世纪的所有排放量相比。左边的柱状图显示从1751 年到2002年间所有采用（包括运输和楼房采暖）煤炭、石油和天然气燃烧中二氧化碳的总排放量，右边显示采用化石燃料的发电厂运行期间，正如国际能源协会设计的运营到2030年产生的二氧化碳排放量。推断，燃煤发电厂还将运营60年，而燃气发电厂为40年二氧化碳储存捕获二氧化碳仅是一半的工作。如果能源公司要建造功率为1,000兆瓦特的可用于捕获二氧化碳的燃煤发电厂，工程师们必须要考虑到在发电厂运营的整个期间内每年要埋藏6,000,000吨的气体。学者们认为，多数情况下岩石孔隙充满盐水（咸水）的地下松散沉积岩是最适当的地方。合适的区域应该远远处在任何饮用水源下方，即至少离地表800米以上。这个深处的压力是大气压的80倍，对于二氧化碳转入超临界状态是完全足够的，该状态下二氧化碳的密度几乎等于盐水的密度。有时在含盐水的建造中可能发现几百万年前进入到这里的原油和天然气。向地下输送的二氧化碳量可以用桶表示，即在石油工业中使用的标准单位容量（1桶=159升）。每年，1,000兆瓦的燃煤发电厂应该储存50,000,000桶超临界二氧化碳（大约每天100,000桶）。60年工作期间内，在地下必须要储存3,000,000,000桶二氧化碳（0.5立方千米）。能够开采出3,000,000,000桶石油的油田，是被称为超大型油田中最小油田（其总共不超过500桶）的6倍。所以每个大型的被改良的燃煤发电厂应该和大型的二氧化碳储集层相关。目前，在全世界开采的1,000,000,000,000桶石油中有三分之二正是从大型油田中开采 ，因此，在必须要规模埋存二氧化碳中石油工业拥有很多工作经验。已经在运营的一些地段是二氧化碳的第一储存地。其中包括可以注入二氧化碳提高石油采收率的旧油田。所谓提高石油采收率过程的根据，是在二氧化碳的压力下用化学和物理方式把初次开采阶段后残留在地层孔隙中的难以开采的石油驱压出来。压缩机把二氧化碳注入到原油中，在化学反应阶段原油发生变化，然后通过孔隙岩石向采油钻井运移。其中，二氧化碳降低原油接触表层张力(表层张力的形态是由石油和岩石之间的摩擦量所决定的)。所以，二氧化碳有助于向旧油田注入新的活力。图 4 用不同的颜色表示阿尔及利亚沙漠地段二氧化碳气体注入钻井（细管）附近地质建造的孔隙度：红色和黄色代表厚度为20米地段的高孔隙度区域，蓝色表示低孔隙度区域。英国石油公司的工程师们利用在地震回声定位结果中获得的地质层草图，以便解决钻井最佳布设地点。钻井电传感器提供了较详细的孔隙度描述（用彩色的珠子描述），这样可以查明离钻井几公分范围内的孔隙度。工程师们利用更精确的数据向高孔隙度地段安排打钻机组为支持英国政府在收集和储存二氧化碳方面做出的努力，一些石油公司提出燃气发电厂捕获和提高北海下方地段石油采收率的新方案。在美国，这些油田的主人目前已经从中获利，哪怕是他们不得不为向钻井注入的每吨二氧化碳支付1020美元。但是，如果石油价格将持续增长的话，注入二氧化碳的费用可能也会增加。在油气田捕获二氧化碳，最好是将随着在充满盐水的普通地质构造中不断储存二氧化碳同时进行，因为经常遇到这类构造。地质学家希望找到足够大的天然储集层以便大量储存21世纪燃烧化石燃料产生的二氧化碳。 二氧化碳储存的可选计划捕获的二氧化碳不仅可以储存在枯竭的油气田和含盐水的地下建造中，还可以储存在能够形成碳酸盐的矿物层、煤层和海洋深部。能转化成碳酸盐的矿物质原则上比地下含盐水的构造可以更多地和地表上的二氧化碳结合。在两种常见的铁镁矿物、蛇纹岩和橄榄石中含有的氧化镁同二氧化碳结合，形成稳定的碳酸镁。主要任务迫使二氧化碳快速和大量的该类岩石发生反应，或许把岩石磨成细小的粉末，以便增加化学反应面。煤层内部的孔隙面吸附甲烷。在采矿时这种气体部分会泄露，经常引起地下爆炸，导致矿工死亡。二氧化碳在压力下可以进入未开采的煤层，来替换可以收集并作为燃料出售的吸附甲烷。向海洋注入二氧化碳引起争议。赞成海洋深部储存的人士指出，大气二氧化碳不断地进入海洋表层，这样，使空气和海洋保持化学平衡。空气中二氧化碳增长水平的延缓会减少溶解在水表层的气体量，所以向海洋深部注入二氧化碳会把一定量的气体从水表层迁移到最深层，减小分布着大量海洋生物的水表层周围的生态影响。海洋储存的反对者引用保护海洋免受几种工业利用污染的国际法，并提到二氧化碳储存后对其迁移进行监测的困难。储存风险每个储集层存在两种风险：逐渐泄露和意外泄露。逐渐泄露的结果致使部分温室气体直接返回到大气中。而大量二氧化碳的快速释放会引起非常坏的后果。储集层应该使逐渐泄漏缓慢，而意外泄露的发生概率是非常小的。虽然二氧化碳通常是安全的，但其大量和快速排放会转化为灾难。1986年在喀麦隆发生了骇人听闻的自然灾难：火山产生的二氧化碳通过位于火山口的湖泊底部缓慢渗漏。一天晚上湖底翻江倒海般地剧烈运动，引起200,000吨二氧化碳的排放。气体通过两个谷地（二氧化碳比空气重）向下流动，1700个村民因为窒息而死亡。逐渐泄露不危及生命，但是降低二氧化碳捕获的效果，而二氧化碳捕获会减少对气候的影响。所以，研究人员正在研究导致缓慢泄露的条件。漂浮在盐水中的二氧化碳气体会上升，暂时不会达到不渗透地质层-穹顶。岩石孔隙中的二氧化碳类似于上百个充满氦气的空气球，坚固的穹顶像杂技团的拱顶。如果在穹顶存有断裂或者其表面倾斜，空气球会逃离。地质人员不得不寻找气体可能逸出的穹顶中的断裂，同时确定可能破坏穹顶的注入压力值。不应该忽视源自二氧化碳注入点方向的非常缓慢的水平流动的气体。沉积地层通常类似于巨大的薄饼。如果二氧化碳进入稍倾斜的这种构造中部附近，气体在数万年期间可能不会到达边缘。研究人员希望，到那个时候大部分气体能溶解在盐水中或者被孔隙捕集。甚至，如果地质条件是有利的，使用存在旧钻井的构造用于储存可能是有问题的。例如，在得克萨斯州钻了上百万口的钻井，其中很多被水泥浇注和抛弃。原则上，含有二氧化碳酸性盐水可以找到从注入点到废弃钻井的途径，腐蚀水泥塞并溢出地表。为了研究这种机理，研究人员使水泥承受盐水作用并从钻井中抽取旧水泥样本。在碳酸盐构造中这类破坏比砂岩中的概率要小，因为碳酸盐降低了盐水的活性。各国政府应该决定如何该长期地看管二氧化碳储存地。权力部门在严格地遵守生态标准时，可以拒绝批准二氧化碳储存不超过200年的储层方案。但是，如果对经过200年以后能发明出最佳的预防二氧化碳的方法寄予极大希望，也可以赞成。图 5 目前，在阿尔及利亚沙漠中的艾因萨拉赫天然气项目中实现了二氧化碳的地下储存。由英国石油公司、挪威石油公司和阿尔及利亚国家油气公司共同在这个地段开采的未加工的天然气含有大量可作商用的二氧化碳。这样，用化学吸附剂把过剩的分离（在工厂中心有两座蒸汽吸收塔）、压缩，然后加压注入2千米深的含盐水的建造中。地下注入只是大型的煤炭气化发电厂所需要的1/6最近几年对于研究二氧化碳捕获和储存方法是关键的年份，因为正在制定使减排二氧化碳成为有益行为的政策。除此之外，开始发放适于储存地段的许可证。所以，提高能源的生产和使用效率、转向利用可再生能源、完善核能和捕获、封存二氧化碳的方法，可以有效地降低全球变暖的风险。评述：二氧化碳储存捕获二氧化碳并将其注入地质构造中长期储存可以减缓二氧化碳在大气中的积累过程。必须研究低成本的分离发电厂中二氧化碳的技术和积累把二氧化碳注入到800米以下深处的经验，以便今后避免有害泄露。可以利用二氧化碳提高老油田的原油采收率。天然气的净化和氢气的工业生产，可以获得低成本的二氧化碳。和这些工业领域有关联的初始方案正在促进二氧化碳封存过程的研究。