碳捕捉和儲存技術CCS
12月7日，聯合國氣候變化大會如期在哥本哈根拉開帷幕，來自192個國家和地區的代表出席了這次峰會。幾日下來，大會火藥味十足，儼然成吵架大會。
雖然各國的“減排目標”還處于拉鋸戰中，如何達到這些減排目標將是接下來各國關注的問題，于是，“碳捕捉技術”再次成為媒體關注焦點。
相對于人造火山或是太空反光鏡這類不靠譜的科技狂想，二氧化碳捕集封存技術（CCS技術）被認為更能拯救地球。眾所周知，人類為防止氣候變暖需要節能減排，特別是減少二氧化碳的排放。減排路徑有許多，但對于以燃煤為主要能源的國家，減少燃煤使用代價高昂，因此CCS成為重要替代選擇，因此對那些不愿改變能源消費結構的國家來說，這有極大吸引力。
國人也許對碳捕獲技術稍感陌生，殊不知它“正是當今世界上國際最熱門的氣候變化領域最前沿、最重大的話題之一，國際政治領袖們無不投以巨大關注”。早在去年年底，央行行長周小川就曾暢談過“碳捕獲”的深意，并認為金融業在這方面大有可為。而根據浙大相關專家的
看法，國外許多科研機構早已經從中嗅到了巨大的利益誘惑，并悄悄把目標瞄準了國內碳排技術市場。
原始大氣中二氧化碳的濃度非常高，并不適宜人類生存，地球是通過把二氧化碳固化后埋在地下（即成煤成油的過程），從而降低了大氣中二氧化碳的濃度，變得適宜人類生存了。現在的情況，正好相反，人類通過開采煤、油，把埋在地下的二氧化碳挖了出來，再排放到大氣中，大氣的二氧化碳濃度就增加了，隨之而來的就是溫室效應帶來的一系列影響。
這實際是對工業革命，化石能源瘋狂利用的一種嘲諷和報復。后工業時代注定要解決工業革命的麻煩。
1850年全球CO2排放量僅為2億噸，到2005年則增加到259億噸。這其中，全球化石燃料的消費主要集中在工業、電力和交通運輸部門，其CO2排放量約占全球CO2排放總量的63.09%～72.96%。
現在，全球各國首腦希望人類在2050年時，把氣溫控制在不超過1850年時多2攝氏度。
如何減少大氣中的二氧化碳排放量，科學家們已經想了各種辦法。
第一步是“碳捕獲”。據方夢祥教授介紹，目前國際上比較成熟的是化學吸收法，簡單來說就是利用CO2和某種吸收劑之間的化學反應，將CO2氣體從煙道氣中分離出來，目前科學家已經找到了多種性能優良而環保的吸收劑。還有一種方法叫“膜”分離法，化石燃料燃燒后的煙氣在通過膜時被分類處理了，有的會溶解并通過，有的卻通不過被“攔截”了。為了提高二氧化碳的減排效率，科學家還發明了一種富氧燃燒法，用純氧燃燒使得排放的CO2純度更高。據悉，目前國際上像美、英、挪威包括中國都有一些碳捕捉試驗項目，其中碳的捕捉效率可以高達90%。
“捕碳”還不是最難的，而且，“就算是把捕捉到的CO2再利用，拿去生產碳酸飲料，最后CO2還是排到了大氣中”，科學家需要把CO2安全而永久地“封存”起來，這種碳捕捉與儲存技術被稱為CCS（即Carbon Capture and Storage的縮寫）技術。
科學家目前主要的思路是“封到地下”，包括深海存儲和地質儲存。先說“深海存儲”，要知道，海洋是全球最大的CO2貯庫，其總貯量是大氣的50多倍，在全球碳循環中扮演了重要角色。將CO2進行海洋儲存的方式，主要是通過管道或船舶將CO2運送到海洋儲存地點，
然后將CO2注入海底，在海底的CO2水最后會碳化并保存下來。這個方法也有一定隱患：“CO2是通過船舶用高壓打入海底的，萬一CO2發生泄漏后果不堪設想，特別是海震時常發生。”
目前科學家認為相對可行的是地質儲存，把CO2打入地下1～2千米的鹽水層，在這樣的深度，壓力會將二氧化碳轉換成所謂的“超臨界流體”，并緩慢固化，就像地下的煤炭石油一樣。在這樣的狀態下，二氧化碳才不容易泄漏。“另外，這片巖體的結構要好，有足夠多的空間來容納二氧化碳，而且具有連續性，面積夠大。據預測全球鹽水層的儲量達到10萬億噸，可以儲存1000年。
到現在為止，全球共有三個成功的CCS項目在進行中。美國Weyburn-Midale項目填埋的是北達科他薩斯喀徹溫省一座廢棄油田的煤炭氣化廠產生的二氧化碳。英國石油公司經營的阿爾及利亞薩拉油田項目把從當地生產的天然氣中提取的二氧化碳輸入地下。挪威大型石油天然氣公司國家石油公司也在北海有兩處類似的項目。另外，全球有上百個CCS項目正在建設中。
在國內，繼北京的華能高碑店項目后，華能石洞口第二電廠碳捕獲項目7月份在上海開工，
該項目總投資1.5億元，今年年底將建成，預計年捕獲二氧化碳10萬噸，并號稱是全球最大的燃煤電廠碳捕獲項目。
雖然目前CCS技術仍在實驗階段，其技術能否收到預期效果還有待證實，但成本之高已經叫人咋舌。根據麻省理工大學去年發表的一份報告，捕捉每噸二氧化碳并將其加壓處理為超臨界流體要花費30-50美元，將一噸二氧化碳運送至填埋點埋藏需要花費10-20美元。這也就是說，發電廠每向大氣中排放一噸二氧化碳就要支付40-70美元，歐盟現行的碳價格則為8－10歐/噸，這一數字也接近聯合國政府間氣候變化專門委員會建議的碳價格的中間值。
方夢祥教授也給記者簡單算了一筆賬：比如，燃燒1噸煤要排放出2噸的CO2，現在的煤價按600元/噸計，加上碳排放增加的600多元，成本增加了一倍，而燃燒1噸煤可以發電300度，攤到每度電上，就是電價增加70%-90%，而如果把生產、運輸、銷售中增加的碳價格核算到每件商品上，最后就能算出該商品的碳排放價。“如果征收起碳稅來，這個數字將是很可觀的。”無怪乎，有專家稱石油交易之后碳排放交易最具潛力，全球碳排放市場將成為未來最大的市場。
與此同時，各國資本已經開始覬覦這個產業，歐盟委員會已明確表示，歐盟計劃直接投資80億歐元用于CCS領域的技術研發。“這對我們來說，既是挑戰也是機遇，現在，國外許多機構早已經瞄準了國內碳排技術市場，像我們浙江大學已經跟歐盟、美國能源部、英國等建立起技術合作關系，其實，我們國內的碳捕捉技術成本相比國外要低廉很多，如果可以搶占一些市場份額還是大有可為的，可惜，目前國內企業很少能有這樣的眼光。”方夢祥教授說。（青年時報）
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碳捕獲技術簡介
目前,主要有四種不同類型的CO2收集與捕獲系統:
燃燒后分離(煙氣分離)、燃料前分離(富氫燃氣路線)、富氧燃燒和工業分離(化學循環燃燒),每種捕獲技術的技術特點及其成熟度見下表。
在選擇捕獲系統時,燃氣流中CO2濃度、燃氣流壓力以及燃料類型(固體還是氣體)都是需要考慮的重要因素。
對于大量分散型的CO2排放源是難于實現碳的收集,因此碳捕獲的主要目標是像化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、合成氨廠等CO2的集中排放源。
針對排放的CO2的捕獲分離系統主要有3類:燃燒后系統、富氧燃燒系統以及燃燒前系統。
燃燒后系統介紹
燃燒后捕獲與分離主要是煙氣中CO2與N2的分離。化學溶劑吸收法是當前最好的燃燒后CO2收集法,具有較高的捕集效率和選擇性,而能源消耗和收集成本較低。除了化學溶劑吸收法,還有吸附法、膜分離等方法。
化學吸收法是利用堿性溶液與酸性氣體之間的可逆化學反應。由于燃煤煙氣中不僅含有CO2、N2、O2和H2O,還含有SOx、NOx、塵埃、HCl、HF等污染物。雜質的存在會增加捕獲與分離的成本,因此煙氣進入吸收塔之前,需要進行預處理,包括水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等。
煙氣在預處理后,進入吸收塔,吸收塔溫度保持在40~60℃,CO2被吸收劑吸收,通常用的溶劑是胺吸收劑(如一乙醇胺MEA)。然后煙氣進入一個水洗容器以平衡系統中的水分并除去氣體中的溶劑液滴與溶劑蒸汽,之后離開吸收塔。吸收了CO2的富溶劑經由熱交換器被抽到再生塔的頂端。吸收劑在溫度100~140℃和比大氣壓略高的壓力下得到再生。水蒸汽經過凝結器返回再生塔,而CO2離開再生塔。再生堿溶劑通過熱交換器和冷卻器后被抽運回吸收塔。
富氧燃燒系統介紹
富氧燃燒系統是用純氧或富氧代替空氣作為化石燃料燃燒的介質。燃燒產物主要是CO2和水蒸氣,另外還有多余的氧氣以保證燃燒完全,以及燃料中所有組成成分的氧化產物、燃料或泄漏進入系統的空氣中的惰性成分等。經過冷卻水蒸汽冷凝后,煙氣中CO2含量在80% ~98%之間。這樣高濃度的CO2經過壓縮、干燥和進一步的凈化可進入管道進行存儲。CO2在高密度超臨界下通過管道運輸,其中的惰性氣體含量需要降低至較低值以避免增加CO2的臨界壓力而可能造成管道中的兩相流,其中的酸性氣體成分也需要去除。此外CO2需要經過干燥以防止在管道中出現水凝結和腐蝕,并允許使用常規的炭鋼材料。
在富氧燃燒系統中,由于CO2濃度較高,因此捕獲分離的成本較低,但是供給的富氧成本較高。目前氧氣的生產主要通過空氣分離方法,包括使用聚合膜、變壓吸附和低溫蒸餾。
燃燒前捕獲系統介紹
燃燒前捕獲系統主要有2個階段的反應。
首先，化石燃料先同氧氣或者蒸汽反應,產生以CO和H2為主的混合氣體(稱為合成氣),其
中與蒸汽的反應稱為“蒸汽重整”,需在高溫下進行;對于液體或氣體燃料與O2的反應稱為“部分氧化”,而對于固體燃料與氧的反應稱為“氣化”。待合成氣冷卻后,再經過蒸汽轉化反應,使合成氣中的CO轉化為CO2,并產生更多的H2。最后,將H2從CO2與H2的混合氣中分離,干燥的混合氣中CO2的含量可達15%~60%,總壓力2~7MPa。CO2從混合氣體中分離并捕獲和存儲,H2被用作燃氣聯合循環的燃料送入燃氣輪機,進行燃氣輪機與蒸汽輪機聯合循環發電。
這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯合循環發電(IGCC)。從CO2和H2的混合氣中分離CO2的方法包括:變壓吸附、化學吸收(通過化學反應從混合氣中去除CO2,并在減壓與加熱情況下發生可逆反應,同從燃燒后煙道氣中分離CO2類似)、物理吸收(常用于具有高的CO2分壓或高的總壓的混合氣的分離)、膜分離(聚合物膜、陶瓷膜)等。
