《綜合自然地理學》
課程論文
學 院 地理科學學院
專 業 地理科學（師范）
年 級 2011級
學 號 ***************
姓 名 呂信博
指 導 教 師 劉子琦
應對全球變暖的碳封存技術
摘要 隨著全球變暖，人類生存的自然環境惡化。如何應對全球變暖的成為科研的重要主題。二氧化碳封存是近來正在發展中的前沿技術, 被認為是本世紀末和下世紀減少溫室氣體排放的有效途徑。對碳封存技術的不同方案及技術原理進行討論, 并簡要介紹該技術的國際研究現狀。
關鍵詞： 二氧化碳 地質封存 海洋封存
正文
二氧化碳(CO2)是導致全球氣候變化的最主要因素。《京都議定書》中將其列為溫室氣體之首, 其次為甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs) 和六氟化硫(SF6)。一般認為, 人類活動尤其是化石能源的過度利用是 CO2排放主要來源。目前僅煤和石油的燃燒每年就約有50 億 t CO2氣體進入大氣, 并且大多集中在 20km 以下的大氣層中。近 1 個世紀以來, 全球大氣中 CO2含量增加了近150mg/m3。現在仍以每年 3.24mg/m3的平均速度上升。為了盡可能減少以 CO2為主的溫室氣體排放, 緩解全球氣候
變化趨勢, 人類正在通過持續不斷的研究以及國家之間的合作, 從技術、經濟、政策、法律等層面探尋長期有效的解決途徑。《京都議定書》第 2 條中指出, 為促進可持續發展, 應該“研究、促進、開發和增加使用新能源和可再生能源、二氧化碳固碳技術和有益于環境的創新技術”。近年來興起的CO2封存技術則日趨得到人們關注,成為發達國家競相研究的熱點以及國際社會應對氣候變化的重要策略。
CO2封存是指將大型排放源產生的 CO2捕獲、壓縮后運輸到選定地點長期封存, 而不是釋放到大氣中。現已發展出多種封存方式, 包括注入到一定深度的地質構造、注入深海,或者通過工業流程將其凝固在無機碳酸鹽之中。某些工業流程也可在生產過程中利用和存儲少量被捕獲的 CO2。下面就碳封存技術的不同方案及技術原理進行討論。
1 地質封存
這種方法是直接將 CO2注入地下的地質構造當中, 如油田、天然氣儲層、含鹽地層和不可采煤層等都適合 CO2的儲存。地質封存取決這些構造的物理和地球化學的俘獲機理。CO2注入后, 儲層構造上方的大頁巖和粘質巖起到了阻擋CO2向上流動的物理俘獲作用。這個不透水層稱為 “蓋層”。毛管力提供的其他物理俘獲作用可將 CO2留在儲層構造的孔隙中。然
而, 在許多情況下, 儲層構造的一側或多側保持開口, 以便于 CO2在蓋層下側向流動。隨著 CO2與現場流體和寄巖發生化學反應, 地質化學俘獲機理開始發揮作用。如果 CO2在現場水中溶解( 一般是在幾百年乃至幾千年內), 充滿 CO2的水的密度越來越高, 因此會沉伏于儲層構造中而不是浮向地表。此外, 溶解的 CO2與巖石中的礦物質發生化學反應形成離子類物質并轉化為碳酸鹽礦物質。與地質封存關聯的另一種處理方式是 CO2的再利用。即將 CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。這種方案比較具有吸引力, 因其能夠從額外開采的石油中部分補償 CO2的儲存成本, 但缺點是這類油田的地理分布不均, 且開采潛力有限。不可采煤層也可用以儲存 CO2, 因其可吸附于煤層表面, 但是否可行則取決于煤床的滲透性。儲存過程中會產生甲烷氣體, 并可加以開采利用, 即煤層氣回收增強技術。含鹽地層中主要是高度礦化的鹽水, 并無利用價值, 有時用于存放化學廢棄物。鹽堿含水層的主要優點是其巨大的儲存容量, 且地理分布較廣, 對 CO2的運輸而言較為方便。但不象油田或煤層, 在含鹽地層中儲存 CO2并不能產生任何有經濟價值的副產品, 無形中提高了儲存成本。而且人們一直對這種構造中儲存的 CO2是否會泄漏存有疑問, 不過最近的研究表明有幾種吸附機理可使 CO2固定在鹽層下。冰島工程師們有了新的發現，讓二氧化碳氣體與鈣發生反應，變成固體碳酸鈣存儲于地下深處。他們希望用這種方法每年處理掉3萬噸二氧化碳，
為解決全球變暖提供一種有效手段。 工程師們將使用冰島一個地熱能工廠產生的二氧化碳，通過高壓將二氧化碳溶解于水，然后將溶液泵入位于地下約400米到700米的玄武巖層，并觀察發生的反應。研究團隊在實驗室中進行的實驗表明，溶解的二氧化碳將同玄武石中的鈣發生反應形成固體碳酸鈣。
2 海洋封存
由于 CO2可溶解于水, 通過水體與大氣的自然交換作用, 海洋一直以來都在“默默”吸納著人類活動產生的 CO2。海洋中封存 CO2的潛力理論上說是無限的。但實際封存量仍取決于海洋與大氣的平衡狀況。模擬分析表明, 注入海洋的CO2將與大氣隔絕至少幾百 a。注入越深, 保留的數量和時間就越長。目前 CO2的海洋封存主要有 2 種方案: 一種是通過船或管道將 CO2輸送到封存地點, 并注入 1000m 以上深度的海中, 使其自然溶解: 另一種是將 CO2注入 3000m 以上深度的海里, 由于 CO2的密度大于海水, 因此會在海底形成固態的CO2水化物或液態的 CO2“湖”, 從而大大延緩了 CO2分解到環境中的過程。海洋封存尚未進入實際應用, 也沒有小規模的試點示范, 仍然處在研究階段。但有一些小規模的外場試驗并已開展了為期 25a 的 CO2海洋封存的理論、實驗室和模擬研究。對 CO2海洋封存的最大擔憂
來自于其可能產生的環境影響, 主要是對海洋生物的影響。根據一項為期數月的針對CO2升高對海洋表面生物影響的試驗研究結果, 隨著時間的推移, 鈣化的速度、繁殖、生長、周期性供氧及活動性放緩和死亡率上升, 一些生物對 CO2的少量增加就會做出反應。在接近注入點或 CO2湖泊時預計會立刻死亡。CO2升高對深層帶、深淵帶、海底帶生態系統可能產生的影響還缺乏充分的了解。盡管這些區域的生物相對稀少, 但作用于其上的能量和化學效應還需要作更多的觀察以發現潛在的問題。由于 CO2與水反應生成碳酸(H2CO3) 會提高海水的酸性。為了加強封存效果, 可以在封存地點溶解堿性礦物質, 如石灰石等, 以中和酸性的 CO2。溶解的碳酸鹽礦物質可以將封存時間延長到大約 10, 000a, 同時將海洋的 pH 值和 CO2分壓的變化降至最低。然而, 該方法需要大量石灰石和材料處理所需的能源。海洋封存的另一個問題是溶解的 CO2最終仍將回到大氣中, 因此這種方法看來也并非是一勞永逸的。
3 礦石碳化
礦石碳化是利用 CO2與金屬氧化物發生反應生成穩定的碳酸鹽從而將 CO2永久性地固化起來。這些物質包括堿性和堿土氧化物, 如氧化鎂(MgO) 和氧化鈣(CaO) 等, 一般存在于天
然形成的硅酸鹽巖中, 例如蛇紋巖和橄欖石。這些物質與 CO2化學反應后產生諸如碳酸鎂(MgCO3)和碳酸鈣(CaCO3, 石灰石)。由于自然反應過程比較緩慢, 因此需要對礦物作增強性預處理, 但這是非常耗能的,據推測采用這種方式封存 CO2的發電廠要多消耗 60%～180%的能源。并且由于受到技術上可開采的硅酸鹽儲量的限制, 礦石碳化封存 CO2的潛力可能并不樂觀。
4 工業利用
工業利用實質上是將 CO2作為反應物生產含碳化工產品, 從而達到封存的目的。這些含碳化工產品包括尿素、甲醇的生產, 也可應用于園藝、冷藏冷凍、食品包裝、焊接、飲料和滅火材料等方面。據統計, 目前全球的 CO2利用量是每年約120Mt(30Mtc/a), 其中大多數是用于生產尿素。工業利用從技術上看并不是一種理想的封存方案, 因為在不同的工業流程當中, CO2的封存時間只有幾天, 最多幾個月, 然后會被再次降解為 CO2, 并排入大氣。從總體來看這對減緩氣候變化的并沒有實質上的貢獻, 而且在很多情況下反而會造成總體排放量的凈增加。
5 生物碳封存
生物碳封存主要是利用綠色植物的固碳作用,使大氣中的CO2首先加入生態系統的碳循環,將碳封存在植物的不同組織、器官中,進入不同的生物地化循環。生物碳封存是一種自然的生物現象,需要的成本較低,同時有其他相應的生態、經濟和社會效益的發揮,但由于CO2的吸收過程是生物反應,可能較工業方法緩慢。陸地生態系統的生物碳封存主要包括了森林生態系統、草原生態系統與農田生態系統。森林生態系統是陸地生態系統中最大的生物碳庫,其封存量約占陸地生態系統碳封存量的一半。據有關研究表明,陸地植被通過光合作用,每年吸收的CO2約為100 PgC。雖然草原與農田的碳封存能力不及森林,但大面積的草原與農田的碳固定能力也不容忽視,草原約占到陸地面積的20%,凈初級生產力約占陸地生態系統凈初級生產力的1/3。草地生態系統的碳蓄積量約占陸地生態系統碳蓄積量的25%,其中土壤生態系統的碳蓄積占了較大比例。隨著陸地生態系統碳源/匯問題的提出與相關研究,發現中高緯度地區的草地生態系統在全球碳循環中有著相當重要的地位。全球耕地面積約占陸地植被面積的17%左右,而對于人類干預最大的農田生態系統,合理、科學的作物耕種和配置有利于農田生態系統土壤碳的固定。
5.1微生物固碳制造新物質能源技術的特性
微生物固定CO2的方式有三種： 異養固定、自養固定與兼養固定。 異養微生物以有機化合物作為碳源和能源，在自身代謝過程中固定少量的CO2。自養微生物利用光能或無機物氧化時產生的化學能同化CO2，構成細胞物質。兼養固定是微生物在利用光能吸收轉化CO2的同時，以有機碳作為補充碳源和能源的聯合固定方式。這兩種微生物固定CO2有原則上的區別：異養微生物固定CO2是把CO2固定在受體分子上，該受體不是由CO2合成的；自養生物固定 CO2，受體是由CO2合成的，且過程可循環。自養微生物固定 CO2的能力遠遠超過異養微生物。 因此目前世界上的相關研究都是圍繞自養微生物進行。 自養微生物主要分為兩類： 光能自養型微生物和化能自養型微生物。 前者以光為能源、后者以 H2，H2S，S2O32-，S，NH4+，NO2-，Fe2+等還原性化合物為能源。微生物固碳制造新物質能源實際上是自養微生物通過攝取光能或化能吸收轉化CO2從而生成可以為我們所加以利用的新的物質能源， 變廢為寶， 從而構成一條制取可再生資源的良性循環路線。
5.2藻類固碳
地球上的光合作用90％是由海洋藻類完成的。海藻能夠有效地利用太陽能，通過光合作用固定二氧化碳，將無機碳溶解轉化為有機碳，并且在其初級生產過程中，還需從海水中吸
收溶解的營養鹽，如硝酸鹽、磷酸鹽，這使得表層水的堿度升高，將進一步降低水體中二氧化碳的分壓。這兩個過程促使海洋與空氣界面兩側的二氧化碳分壓差加大，促進大氣二氧化碳向海水中擴散，使海水吸收更多的二氧化碳。目前，大規模人工養殖的海藻已成為淺海生態系統的重要初級生產力。研究表明，海洋大型藻類養殖水域面積的凈固碳能力分別是森林和草原的10倍和20倍。據計算，每生產一噸海藻，可固定二氧化碳1.1噸。近幾年，我國大型海藻養殖產量每年在120萬噸～150萬噸左右（干重），換算為固碳量為36萬噸～45萬噸/年。 另外，有些微藻如小球藻、綠球藻等所產生的油脂通過酯化后可轉變為生物柴油（脂肪酸甲酯等），藻渣可以綜合利用，生產動物飼料、有機肥料和甲烷。同時，煙氣中的NOx、SOx等大氣污染成分可以成為微藻生長的肥料，微藻生長所需的其它營養也可以用營養廢水提供，達到凈化廢水的目的，從而形成循環經濟的生產模式。因此，微藻養殖不但可以有效減排CO2，還可望形成新的能源供應鏈，緩解甚至部分替代化石能源，成為解決環境和能源問題的最具可持續和綠色的途徑，已受到美國、日本、西歐、印度、南非等國政府和企業的重視。
