碳捕获和封存

介绍

如果我们希望持续使用石油、天然气和煤炭来满足碳受限世界的能源需求，并为转向替代能源提供时间，那么有必要在未来几十年规划和实施 CCS . 随后，我们应该预计到本世纪末对 CCS 的持续需求。

碳与气候变化

地球从上一个冰河时代出现，大气中的 CO 2水平约为 280 ppmv（按体积计算的百万分之几）。在上个世纪，CO 2浓度急剧上升到 380 ppmv。最近的上升如图1所示，它将冰芯数据（各种符号）与 Keeling（1960）自 1958 年以来收集的直接测量数据（以蓝色显示）相结合，并在右侧图表上展开。

图 1 -地球大气中 CO 2水平的上升（IPCC 2007）。

图 2 – 自 1870 年以来全球平均温度的上升（IPCC 2007）。

在 CO 2水平上升的同时，全球平均温度也出现了大幅上升，如图 2所示，该图显示了与各个独立团队估计的年代际移动平均值重叠的年度全球温度平均值。

地球大气中 CO 2水平升高与温度升高之间的联系已得到充分证实（IPCC 2007）。大部分太阳辐射包括频率远高于红外线的光子，这些光子不受阻碍地穿过地球大气层。然而，由于地球比太阳冷得多，它的大部分热能都在红外波段辐射。这种红外能量流会被地球大气中的温室气体吸收和再辐射，导致低层大气整体变暖。事实上，自然温室气体对地球历史的变暖影响已经导致全球气温远高于冰点。没有水蒸气和天然 CO 2的温室效应，地球的平均温度将下降到零度以下 18°C，而我们不会在这里。在上个世纪，最近人为（人造）CO 2的增加导致全球平均温度进一步上升约 0.7°C。

一些人仍然声称全球变暖与 CO 2无关（IPCC 2007），但所有其他
用于解释最近温度异常升高的机制要么是推测性的（例如云的形成与银河宇宙射线之间的拟议联系）或不足以解释测得的温度升高（就像太阳热通量的历史变化一样）。此外，最近温度和 CO 2水平的快速上升与任何自然机制（例如火山、太阳黑子循环或地球轨道的变化）没有明显的相关性。

随着全球气温上升，有一份世界气候最近变化的目录（IPCC 2001）：

（一个）

(二)

图 3 – (a) 1979 年和 (b) 2005 年的海冰最小值。（由 NASA 地球观测站提供。）

未来气候

政府间气候变化专门委员会 (IPCC 2001) 概述了如果 CO 2水平继续有增无减，我们应该期待什么。

碳排放和能源

目前，我们每年产生约 300 亿吨 CO 2。CO 2的自然排放，主要来自火山，约占该数字的 1%。过去 2 个世纪的人为 CO 2排放（图 4）完全解释了同期大气 CO 2增加的 30% 。

未来大气 CO 2的水平，以及随后相关的全球变暖的未来水平，将在很大程度上取决于化石燃料的未来使用。由于化石燃料相对便宜，几乎所有对未来能源需求的估计都假设化石燃料将成为本世纪剩余时间的主要能源。图 5显示了国际能源署 (IEA) 对未来 20 年能源需求的估计。

图 4 – 自 1800 年以来的人为 CO 2排放量（IPCC 2007）。

图 5 – 到 2030 年的预计能源需求。（由国际能源署提供。）

请注意，到 2025 年左右，发展中国家的能源需求将超过工业化世界。其直接后果是，减少 CO 2排放的措施必须涉及工业化国家和发展中国家之间强有力的政府间合作。

缓解策略

如果我们要避免严重气候变化对经济和人类造成的后果，我们必须大幅减少 CO 2的排放。总体而言，减少 CO 2排放的主要挑战不是技术挑战，技术挑战虽然不是微不足道的，但很容易解决；真正的挑战是政治挑战，其中心在于我们能否在具有不同文化和具有竞争愿望的国家之间实现政府间合作。

任何减缓气候变化的方法都不可避免地涉及以下方法：

二氧化碳的地质封存

在以化石燃料为能源的所有情况下，都不可避免地会产生CO 2 ；如果我们要防止这种 CO 2进入大气，CCS 将是绝对必要的。CCS 最适合集中发电的应用（如燃煤发电站）。CO 2可以通过多种方式从发电站排放物中去除，这些捕获的排放物可以被压缩、运输和储存。

已经提出了两个存储CO 2的位置：在海洋中和在地球表面之下的地质结构中。虽然海洋中的封存充满了政治和技术问题，但将超临界 CO 2泵入深层含水层或废弃油气藏的地质封存可能要容易得多。废碳氢化合物储层提供了数千亿吨 CO 2的容量，而深层含盐含水层的容量是这个量的一百倍（Metz 等人，2005 年）。图 6显示了可以有效隔离CO 2的各种位置。

图 6 – CO 2地质储存的可能地点。

固存的安全性当然是必不可少的，尽管要求比核废料的要求低。如果封存的CO 2可以有效地控制几千年，那么这将足以减轻捕集的CO 2对地球气候的影响。地质封存的使用目前正在许多地方进行测试，快速采用将使将 CO 2排放限制在当前水平的任务至少是可行的。然而，这并不是低估解决实施细节的必要性，其中包括适当的候选选择、材料问题（水泥和钢材）、监测和控制 CO 2的方法迁移，以及将集中式发电站与合适的地理位置相匹配的物流。石油工业完全有能力应对这些挑战，因为许多现有的油田技术都适用于 CO 2的地质封存。

碳捕获和地质封存的工程可行性

注意：该讨论最初发表在 Sheppard 和 Socolow 于 2007 年 12 月出版的 AIChE 期刊上的“通过碳捕获和封存的快速商业化来维持碳限制世界中的化石燃料使用”中。

通过在高浓度氧气流中燃烧煤，情况可以有所改善。这种所谓的“氧燃料”工艺会导致烟气中的 CO 2浓度高得多，但在该工艺的前端对氧气进行低温分离仍会产生 28% 的能源成本。

从整体效率的角度来看，更有效的是集成气化联合循环 (IGCC) 工艺，该工艺是“下一代”燃煤电厂计划的特征。该过程涉及在高温下用蒸汽处理煤，以引发一系列变换反应，在氢气燃烧发电之前产生 CO 2和 H2 的混合物。从燃烧前流中提取 CO 2可能比在燃烧后的情况下更有效，捕获的总成本将反映在所生产电力的零售价格增加约 20% （Socolow 2005） .

除了从发电厂捕获 CO 2 外，还有其他机会捕获高浓度的 CO 2。与从天然气、石油或煤中直接使用的氢气相关的几乎纯 CO 2的废气流通常用于炼油厂或作为化肥厂生产氨的前体，在其他地方，井口出现的天然气中含有 CO 2浓度范围广。

CO 2在地质地层中的储存。除非捕获CO 2的发电厂位于封存地点，否则需要将CO 2运输到可能很远的距离。然而，这种运输已经是一项成熟的技术，相关成本相对较低。加压到8MPa以上的CO 2可以通过管道输送。目前在美国，每年有超过 40 Mt 的 CO 2通过超过 2500 公里的管道 络进行分配（Metz 等人，2005 年）。CO 2也可以作为低温液体在船舶或公路或铁路中运输。

然而，需要处理的CO 2量很大。目前每年的 CO 2排放量超过 300 亿吨，仅封存其中的十分之一就需要每天将约 7500 万桶超临界 CO 2泵入地质构造。在单个发电厂的水平上，从 500 兆瓦的燃煤发电站隔离 CO 2需要将大约 75,000 B/D 1的超临界 CO 2泵入合适的地层。

石油和天然气行业在很大程度上已经具备隔离这些数量所需的专业知识和技术。一些 CO 2封存的示范已经在进行中，包括阿尔及利亚的 In Salah 盐水形成项目（Riddiford 等人，2004 年）和挪威北海的 Sleipner 项目。在后者（图 7）中，Statoil 在过去 10 年中每年成功地将超过 100 万吨的 CO 2泵入深盐水 Utsira 地层，该地层位于海床下方约 1000 米处，顶部覆盖着一层低渗透性页岩层。超临界CO 2被泵入地层底部，随后由于浮力向上迁移，直到到达地层顶部的封闭页岩水平。

图 7 – Statoil 的 Sleipner CO 2注入项目示意图。

CO 2在地层中的物理和化学行为。将 CO 2安全地储存在地质构造中将取决于多种物理和化学机制：

在大于约 600 至 1000 m 的深度处，CO 2将以超临界流体的形式存在，其特定密度介于 0.6 和 0.8 之间（Holloway 2007）。超临界 CO 2在含盐地层水中有浮力，并且会上升直到遇到密封。确定此类密封的有效性将是评估合适的 CO 2储存地点的重要部分。虽然枯竭油气井的密封完整性相对众所周知，但对深层盐水含水层的了解较少，评估此类地层的安全储存将是一项重大挑战。

除了将漂浮的超临界CO 2固定在密封下之外，一些注入的CO 2也将被毛细力沿其迁移路径捕获。这种“残余捕集”可能占注入量的 5% 到 30%（Holloway 2007），并且将代表整个存储的重要组成部分。

在地层内，捕获的超临界CO 2将溶解在盐水中，时间尺度为几千年。同时，CO 2的溶解使盐水比周围的流体更稠密，因此它们会随着时间的推移而下沉。CO 2的溶解也使盐水更酸，使它们溶解碳酸盐和铝硅酸盐矿物。这反过来又导致固体碳酸盐在数百到数千年的时间尺度上沉淀。这些地球化学机制的详细建模将是预测地质封存的 CO 2长期命运的重要组成部分。

存储的 CO 2的后续泄漏。如果储存体积的密封受到裂缝或断层的破坏，或者如果密封中存在间隙，则 CO 2会泄漏到上部地层中。随后释放的CO 2的迁移将取决于这些上覆地层对CO 2的渗透性。此外，注入CO 2的过程可能会导致密封失效，如果控制不充分，溶解的CO 2可能会随着盐水的流动迁移到其可以逃逸到大气或水体中的位置。CO 2的一个关键方面储存将是对这些可能过程的监测，技术可能包括重复地震勘测、重力勘测以及石油和天然气工业中已经可用的其他技术。

通过旧井泄漏。在废弃石油和天然气井中寻求CO 2储存的情况下，现有油井的基础设施存在一个特殊问题，因为这些油井在设计上会穿透用于保护隔离 CO 2的密封件。即使水泥完整性最初良好，这些井的水泥也容易受到因 CO 2溶解而呈酸性的盐水的侵蚀。一般来说，现有井固井的整体状况可能只是鲜为人知。虽然固井不良的井有修复的潜力，但在这种情况下的整体泄漏潜力受到的限制很差，需要对废弃井的长期完整性和修复进行大量的进一步研究。

使用 CO 2提高采油率

尽管目前用于 EOR 的大部分 CO 2来自自然资源，但现有的 EOR 实践并未实施以储存 CO 2 ，?但CO 2已被泵入油藏以提高石油采收率 (EOR) 。然而，可以修改CO 2 EOR 以强调CO 2储存，同时提高石油采收率。尽管 CO 2 EOR 只能容纳 CO 2体积的很小一部分目前排放的它确实为常规封存技术提供了一个实验室，该技术由商业激励推动，以提高旧油藏的石油采收率。此外，在 CO 2更容易和更便宜地获得的世界中，将有动力在石油采收阶段更早地使用 CO 2以更好地利用日益减少的资源。

原文：
https://www.spe.org/en/industry/carbon-capture-sequestration/