二氧化碳的捕捉与封存技术.ppt

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1、二氧化碳的捕捉与封存技术,环境92 段建龙 郭祖啸 耿旭昌 袁全胜,概要,一、二氧化碳的来源及排放 二、二氧化碳的捕捉 三、二氧化碳的封存 四、CCS应用现状及未来发展趋势,一、二氧化碳的来源及排放,二氧化碳的来源 二氧化碳的主要排放源为化石燃料燃烧,其中，化石燃料使用所释放的的二氧化碳量占人类活动二氧化碳的排放量的80%以上，而人类毁林行为和生物代谢排放的二氧化碳量占全球温室气体排放总量的17.3%,化石燃料消费比重,需要注意的是，高碳氢比的化石料释放的二氧化碳的量相对较高，煤燃烧释放的二氧化碳量比天然气高80%比石油高出约25%，而石油又比天然气高40%。,据统计全世界消费煤、石油和天然气

2、以及放空天然气的燃烧的排放的二氧化碳总量从1993年 碳当量（1t碳当量相当于3.667t二氧化碳）增长到2009年的 碳当量，增加了32.3%。19932009年间，化石燃料的二氧化碳排放量年均增长1.8%。,美国、中国、俄罗斯、日本和印度是世界5个最大的二氧化碳排放国,全球二氧化碳排放现状及特征,全球二氧化碳排放总量持续增长 自工业革命以来，全球经济保持较高的增长度，工业和交通运输业占经济的比重在相当长的时期内持续上升，化石能源消费的迅速增长，导致了全球二氧化碳排放量的急剧增长，并且保持了持续增长的态势。特征：主要集中于化石能源消费集中的行业，如电力、工业、交通运输等部门；工业化发达国家是

3、二氧化碳的排放主体（这里主要指 历史积累排放量）；发展中国家呈现迅速增长的态势,估计到2020年，全球的能源消费增长将达到60%，主要增长将发生在发展中国家，其增速将171%，这也就意味着全球二氧化碳的排放量将同比增长。,二氧化碳的环境效应,二氧化碳增加,温室效应,全球变暖,地球气候和生态系统的破坏,农作物大面积减产，农业生产遭受毁灭性打击,二、二氧化碳的捕捉,吸收法分离技术,吸收法分离,吸收分离技术,物理吸收法,化学吸收法,CO2,化学吸收法分离CO2的工艺流程,化学吸收法是分离回收二氧化碳比较成熟的 一种方法。二氧化碳分离与回收技术中以化学溶剂吸收法研究的最多，也被认为是最经济可行的方法之

4、一。但是化学吸收法的缺点是化学溶剂再生时需要对溶剂进行加热能耗很大，因此，吸收溶剂再生技术对吸收分离技术的发展相当重要。,吸附法分离技术,吸附法分离二氧化碳是利用一些特殊的吸附材料，采用物理或者化学的方法对二氧化碳进行吸附分离的技术。,原理 根据langmuir 吸附等温线可知，在同一温度下，吸附质在吸附材料上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附材料上的吸附量随吸附温度的上升而减少，换言之，加压降温有利于吸附质的吸附，降压升温有利于吸附质的解吸或吸附材料的再生。按照吸附材料的再生方法将吸附分离循环过程分为两类，分别是变温吸附和变压吸附。,在较高压力下进行吸附，在较

5、低压力（甚至真空状态）下使吸附组分分离出来。由于吸附循环周期短，吸附热可供给解吸用，因此吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化很小，可以近似看做等温过程。,变压吸附（PSA）,变温吸附（TSA）,在较低温度（常温或更低）下进行吸附，在较高的温度下使吸附的组分解吸出来。变温吸附过程是在两条不同温度的等温吸附线之间移动进行着吸附和解吸的。,吸附剂是变压吸附的关键和核心，吸附剂的吸附性能在一定程度上决定了变压吸附工艺的分离效果。,可供变压吸附法回收二氧化碳的主要气源：油田伴生气 石灰窑气 合成氨变换气 甲醇裂解气 氨长脱碳尾气烟道气 等等,膜分离技术,膜分离技术的基本原理是：根据混合气体中各组分在压力的

6、推动下透过膜传递速率的不同从而达到分离目的。,F渗透气在单位时间内通过单位面积的扩散速率D渗透气在一定温度下的扩散系数C渗透气在膜中的浓度X膜厚度方向的坐标,二氧化碳膜分离法是当今世界上发展迅速的一项节能二氧化碳分离技术，它具有装置简单、操作容易、投资费用低等优点。迄今已被工业上付诸应用的二氧化碳分离膜材质主要有醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚枫等。,它是一种抗化学性、耐高温和机械性能均佳的高分子,几乎不溶于所有溶剂而仅与一种特殊溶剂混溶,可得成膜性能良好的料液。,各种气分用高分子在具体生产应用时,首先必须制成一定的构型,例如中空纤维型和平板型,然后再把它们组装成膜组件其中平板型是被做成螺旋卷

7、型并按一定流程排列作业。,美国等世界发达国家于20世纪70年代开始积极开展利用膜技术脱除二氧化碳的可行性研究。70年代末美国Cynara公司开发出了二氧化碳膜分离装置，随后美国Envirogerics System公司开发一种新型螺旋式醋酸纤维素膜组件二氧化碳分离装置，用于从天然气中分离回收二氧化碳，取得了较好的经济效益。80年代末期，德国研发的二氧化碳膜分离装置将分离出的二氧化碳合成甲醇燃料，实现可用物质的循环使用，达到了二氧化碳等气体的“零排放”。目前二氧化碳膜分离法的工业化应用主要集中在天然气净化机强化原油回收伴生气中的二氧化碳回收。我国在膜材料和分离研究方面起步较晚，研究力量较为薄弱，

8、研究内容偏重于膜材料的和膜的制备，对组件装置及过程优化等方面的研究有待加强。,化学链燃烧技术,化学链燃烧技术（chemical-looping combustion,CLC)是一种崭新的洁净燃烧技术。,在该技术中，燃料和空气不直接接触，无需消耗额外的能量即可将二氧化碳从燃烧产物中直接分离出来，实现了燃烧和分离的一体化，并且还可以控制氮氧化物的生成，此外，化学链燃烧系统还实现了能量的梯级利用，使得该系统的热效率很高。化学链燃烧技术是解决能源与环境问题的创新突破口。,这种能量释放方法是新一代的的能源环境动力管理系统，它开拓了根除燃料型、热力型氮氧化物的产生与回收二氧化碳的新途径。金属氧化物（MO）

9、与金属（M）在两个反应之间循环使用，一方面分离空气中的氧，另一方面传递氧，这样，燃料从MO获取氧，无需与空气接触，避免了被氮稀释。燃料侧的气体生成物为高浓度的二氧化碳和水蒸气，用简单的物理方法，将排气冷却，使水蒸气冷凝为液态水，即可分离回收二氧化碳，燃烧分离一体化，不需要常规的二氧化碳分离装置，节省了大量能源。为燃料反应器的吸热反应提供低温热，因而提高高温空气反应器产生的热量。,二氧化碳的其他捕集技术,生物固氮,固氮农业,生物质能源,三、二氧化碳的封存技术,目前可行的二氧化碳封存或处置方式有四种，分别是：,地质（地下）封存,海洋封存,矿石碳化,陆地生态系统封存,地质（地下）封存,二氧化碳的地质

10、封存是将二氧化碳压缩液注入地下岩石构造中，含流体的或曾经含流体的（图天然气、石油或盐水）的多孔岩石构造（如枯竭的油气储层）都是潜在的二氧化碳封存点，在陆地和沿海的沉积盆地存在适合二氧化碳的地质构造。另外假设煤层有充分的渗透性且这些煤炭以后不可能开采，则该煤层也可用于封存二氧化碳，该研究正处于示范阶段。,海洋封存,一个潜在的二氧化碳封存方案是将捕集的二氧化碳直接注入海洋（1000m深度以上），大部分的二氧化碳将再此与大气隔绝几个世纪。该方法的实施途径是通过管道或船舶将二氧化碳运输到海洋封存点，在该封存点将二氧化碳注入海洋的水柱体或海底，被溶解和消散的二氧化碳随后会成为全球碳循环的一部分。该方法还

11、处于研究阶段，尚未应用。,矿石碳化,矿石碳化封存二氧化碳是利用二氧化碳与碱和碱土氧化物（如碳酸镁和氧化钙）发生化学反应，将二氧化碳转化成为固体的无机碳酸盐（如碳酸镁和碳酸钙），从而使二氧化碳得到固定。,森林和陆地生态系统封存,森林和陆地生态系统封存是指通过保护森林、重建森林（退耕还林）和植树造林等措施加强森林和陆地生态系统吸收二氧化碳的能力来达到控制二氧化碳含量的目的。,CO2排放与气候变化的关系（依据IPCC2007评估报告）,四、CCS应用现状及未来发展趋势,概述,CCS情景：ACT Map BLUE Map 各地区、各国二氧化碳捕集和封存（CCS）最新动态 环境公约与保护法 公众意识和公

12、众支持,两个Map情景,ACT Map情景,BULE Map情景,50美元/吨,200美元/吨,二氧化碳减排激励,设想,电力生产 工业和燃料转化过程,2050年相对于基准情景，ACT Map和BLUE Map情景下二氧化碳减排量在技术层面的比较,ACT Map情景和BLUE Map情景中CCS的使用,CCS对电力生产预测,电力生产消耗了全球总化石燃料消耗量的32%，其二氧化碳排放占能源相关二氧化碳排放的41%基于对电力生产能效提高潜力的预测，提高电力生产效率为减少对化石燃料的依赖、帮助应对气候变化和提高能源安全提供了重要机遇 这也是使CCS能够得以应用的一个关键步骤，因为捕集和封存过程只在高效

13、率电厂才有意义,由此得到，在ACT Map和BLUE Map情景下装备CCS电厂的电力生产分析表,2050年相对于基准情景、ACT Map情景和BLUE Map情景下的工业二氧化碳减排量,工业和燃料转化过程中的CCS预测,2050年，ACT Map情景和BLUE Map情景下分部门工业二氧化碳减排分类,各地区、各国二氧化碳捕集和封存（CCS）最新动态,在世界上大多数国家和地区，CCS被认为是一种重要的温室气体（GHG）减排方案。许多地区的政府，为了保障CCS的实施，正在逐一制定相关能源和环境的政策框架，但仍然存在许多不足。,欧盟,2007年1月10日,欧盟能源政策,事项：欧盟承诺到2020年之

14、前将温室气体排放量在1990年的水平基础上至少减少20%强制性欧盟目标，争取实现到2020年，欧盟20%的能源消费将来自可再生能源，其中包括10%的交通燃料应当来自可持续性生物制能源。,该战略包括若干CCS的建议：（1）到2015年建立12个大型燃煤和天然气电厂示范项目（2）在2020年将CCS应用到所有新投入使用的燃煤发电厂，要求所有新发电厂2020年之前做好捕集准备，并在2020年以后迅速改进其设备。,欧盟1998-2006年CCS研发项目汇总,先进的零排放发电厂 格兰杰莫斯先进二氧化碳捕集项目 建立在SACS基础上的二氧化碳封存项目 ICBM计划 RECOPOL计划 ACS2计划 二氧化

15、碳地质封存自然模拟项目二氧化碳汇藏项目 二氧化碳捕集率提升项目（ENCAP）二氧化碳封存项目（CASTOR）,DYNAMIS项目 超低二氧化碳炼钢（ULCOS）二氧化碳GEONET项目 二氧化碳捕集与封存国际合作行动项目 C3-Capture项目,等等,中东和北非,沙特阿美公司的碳管理技术路线：包括一个每年100万200万吨二氧化碳的试点项目 阿联酋的马斯达尔零碳城先进能源和可持续发展项目：总减排量将达到每年600万800万吨二氧化碳 BP公司与阿布扎比国家石油公司合作概念项目,二氧化碳封存潜力,沉积盆地,二氧化碳存储潜力,Hendriks等的编著长期能源和环境模型：,1、陆上油气田二氧化碳储

16、量大约0.105万1万亿吨2、海洋油气田二氧化碳储量大约750亿2000亿吨3、含水层中二氧化碳储量大约10亿5000亿吨,沉积盆地中东潜在的油气二氧化碳封存站点,澳大利亚,（煤炭储量居世界第四位）,昆士兰州的卡利德富氧燃烧项目将捕集到的CO2进行注入与封存，总量将达50万吨，花费1.7亿美元维多利亚州的CO2CRC奥特韦项目澳大利亚最先进的CO2封存工程，从天然气井捕集10万吨CO2注入到枯竭天然气田中，深度达2公里，耗资四千万美元西澳的Gorgon项目被分离之后的CO2将注入到巴罗岛深度为2500米的地下，2012年开始每年注入300400万吨CO2，总计1.25亿吨,维多利亚州的榛树林和

17、老埃杨后碳捕集（PCC）项目对褐煤干燥处理，改良燃烧后CO2捕集技术，能快速捕集并化学隔离CO2 维多利亚的Monash能源集团煤变油项目褐煤干燥气化后转化为合成柴油，并将产生的CO2分离、运输、注入和封存 南澳的Moomba碳封存项目从天然气处理厂中捕集CO2，再注入到油田进行增压以提高石油采收率，可行性试验阶段 2004年的封存容量达到7500亿吨,日本,2007年5月，“降温地球50计划”要在2050年之前实现减少全球温室气体排放量50%的长期目标希求创新技术研究所（RITE）关于CO2封存的研发项目在陆上含水层小范围CO2注入试验和在近海深层盐碱构造前景的地质调查Nagaoka项目20

18、03-2005年对一个1100米深的盐水层进行CO2注入马来西亚石油公司氮肥/尿素生产厂利用KS-1溶剂开办了第一家商用烟气CO2回收工厂，并运送到CO2压缩装置进行尿素合成,日本含水层中封存潜力为146.1亿吨,美国,美国能源部、运输部、环境保护局、部分州政府均有涉足CCS行动康索尔公司在美国能源部支持下，开展CO2封存试点项目一系列水平定向井，钻井延展穿过了两个上覆的煤层，估量所有注入CO2和回收的煤层气，利用监测井监测CO2横向和纵向迁移弗里屋项目第一个CO2注入盐水层项目CO2捕集项目，BP公司主持的国际项目，旨在开发和测试新的突破性技术，使从燃烧源分离、捕集和运输CO2成本下降75%

19、,全球能源技术战略计划从1998年一直在评估先进能源技术在减缓长期气候变化风险的作用，特别关注更好地理解CCS技术的作用和可能的推广途径零排放研究和技术中心项目关注地下CO2封存的基础科学研究和CO2注入引发的安全问题“大天空”地区碳封存合作项目、中西部地区碳封存合作项目、大平原CO2减排合作项目、东南部地区碳封存合作项目、西南部地区碳封存合作项目、西部海岸地区碳封存合作项目等,挪威,在CCS技术示范、政策制定和国际合作等方面一直处于世界领先地位提高CCS现有公私合作水平；辨识潜在的CO2捕集、运输和封存链；提供强力的公共资金支持；根据能源法和污染控制法要求所有新建燃气电厂能进行CO2捕集勘探

20、、开发和运营海底地质结构，实现CO2永久封存；对CO2运输管道的建设与经营；对计划运输和封存活动进行环境影响评估；进行风险分析，解决安全问题；负责对封存储层进行长期监测；参与CO2管道和封存站点施工建设的第三方也需要分担CO2注入工程的部分责任Karst燃气电厂计划实施CO2技术的全面改造工作，2012年起每年将捕集120万吨CO2，封存在挪威大陆架的地下地层中Mongstad欧洲测试中心测试并推动CCS技术的发展封存潜力巨大,德国,在京都议定书承诺2012年底减少21%温室气体排放量CO2减排技术项目涉及天然气联合循环、蒸汽循环发电厂、配备CO2捕集的IGCC、富氧燃烧电厂和CO2封存等多领

21、域地质技术计划关注CO2封存潜力的评估凯钦CO2注入试点项目提供CO2与岩石相互作用的信息，并通过先进的监测技术进行中长期分析6000万欧元的Vatternfall3000万瓦生产能力的Schwarze Pumpe富氧燃烧试点工厂主要研究完整的生产工艺链，CO2将会被封存或被应用于工业生产中,印度,世界第三大煤炭消费国，在印度推广CCS具有广阔前景科学技术部2007年启动了印度CO2封存应用研究网络，促进与利益相关者的对话，开发活动框架在成熟油田中开展CO2提高石油采收率范围圈定的研究计划灌注来自hazira处理厂的酸性气体评估CO2捕集成本正在与美国太平洋西北国家实验室开展研究合作，对世界上

22、最大的驱替玄武岩群印度西部的德干玄武岩群展开研究地质封存潜力在5000亿10000亿吨,环境公约与保护法,伦敦议定书：只要封存在海床下的地质地层中，只要二氧化碳气流“相当纯净”，只要没有废弃物增加，就允许封存二氧化碳。保护东北大西洋海洋环境公约：如果能得到一个负责的国家政府授权前提下，允许二氧化碳的海上地质封存。,公众意识和公众支持,政府政策导引、激励支持、研究基金、长期责任、让CCS成为气候变化战略的组成部分 物权所有人的合作，以获得二氧化碳运输的过路权和封存场所的许可证和批准 本地居民对其所在社区拟议CCS项目的知情支持,构建公众意识和公众支持,公众认知会受到早期CCS示范项目的深刻影响 政府必须发挥带头作用 政府必须使用有效的宣传策略来教育和吸引不同的听众 对管理者来说，公众对其长期责任的赞同来自CCS是否可以和其他技术（如可再生能源、能源效率以及其他解决方案）结合以共同减缓气候变化的影响,谢谢观赏,