CCUS碳捕集利用封存CCUS培訓(xùn)班的第一堂課，西北大學(xué)的馬勁風(fēng)老師介紹碳捕集、利用與封存的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

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全球變暖問題很早有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)了，這是今年去世的一個(gè)很有名的哥倫比亞大學(xué)的教授，他在1975年的時(shí)候就認(rèn)識(shí)到全球氣候變化，但是那個(gè)時(shí)候有很多人反對(duì)他。

James也是一個(gè)哥倫比亞大學(xué)教授，他是應(yīng)對(duì)氣候變化的積極推動(dòng)者。

為了應(yīng)對(duì)氣候變化，聯(lián)合國(guó)成立了這樣一個(gè)《聯(lián)合國(guó)氣候變化公約》，很多國(guó)家簽署了，中國(guó)也是成員。成員的目標(biāo)是什么？就是要把大氣當(dāng)中溫室氣體濃度維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，所以所有簽約國(guó)都有責(zé)任去做。

政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）專門評(píng)估氣候變化的影響，IPCC做的報(bào)告是此領(lǐng)域權(quán)威報(bào)告。IPCC提供全球氣候變暖控制1.5度的報(bào)告，告訴我們要做哪些工作，哪些途徑降低碳排放。報(bào)告里提供了四種途徑，三種全部是和CCS相關(guān)。這也表明CCS是不可或缺的，必須要做CCS才能達(dá)到溫控目標(biāo)。


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前文講到減少碳排放總量?jī)H僅靠可再生能源是不夠的，此時(shí)CCS的貢獻(xiàn)便體現(xiàn)出來了。CCS可以對(duì)很多大工業(yè)實(shí)現(xiàn)減排?？稍偕茉船F(xiàn)在存在一個(gè)困境，提供的風(fēng)能和太陽能等是間歇式，需要煤電補(bǔ)充。

美國(guó)能源部長(zhǎng)發(fā)布的論文講解了CCS的相關(guān)內(nèi)容，這個(gè)影響比較大。這是CCS的示意圖，高排放源如電廠、煉油廠等捕集的二氧化碳注入到地下。以前認(rèn)為注入煤層可以，但是煤層效果不好，國(guó)際上基本不做，原因是煤層孔隙太小，致密，注入一段時(shí)間注入不了，目前主要是注入油氣層、鹽水層。

如圖所示為二氧化碳濃度，排放源的濃度高捕集成本比較低，如煤化工，制氫過程的濃度比較高，捕集成本低。


CO2的分離提純技術(shù)主要是物理和化學(xué)兩種，煤化工很多都是物理辦法，靠溫度控制可以把二氧化碳分離出來，此外還有很多靠化學(xué)辦法。

CO2捕集技術(shù)分三種，一種是燃燒后捕集，發(fā)電廠燃燒以后，直接從尾氣進(jìn)行捕集。第二種是沒有燃燒之前，先把二氧化碳進(jìn)行分離，像一些化工方式，像制氫等等，屬于燃燒前的捕集。第三種是富氧燃燒捕集，先要制氧，空氣里氧氣濃度不是很高，純氧燒進(jìn)去，這樣排放出來二氧化碳濃度比較高，這個(gè)成本還是比較高。現(xiàn)在還有一種直接空氣捕集，但成本比較高，因?yàn)榭諝獾亩趸紳舛确浅５?，只?.04%。


世界上第一個(gè)100萬噸燃煤電廠CO2捕集裝置。

這是目前世界上最大的140萬噸/年燃煤電廠CO2捕集裝置（美國(guó)的Petra Nova）。140萬噸燃燒后捕集。

華能集團(tuán)做的上海石洞口10萬噸級(jí)CO2捕集裝置，我們規(guī)模比國(guó)外小很多，國(guó)外早就是百萬噸級(jí)，是燃燒前捕集，可以把煤氣化等等氣化以后先分離，分離出一些氫和二氧化碳，直接在前端過程分離。


這是殼牌石油工業(yè)重油煉制過程當(dāng)中制氫，制氫過程把二氧化碳分離。

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CCS里還有一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是運(yùn)輸，當(dāng)然就近封存是最好的，但因?yàn)椴都椿蚺欧旁春头獯娴膱?chǎng)地有一定的距離，有一些地方需要運(yùn)輸，一種是罐車運(yùn)輸，一種是管道運(yùn)輸。運(yùn)輸涉及到兩個(gè)問題，一個(gè)就是成本，一個(gè)就是安全性。


CO2罐車運(yùn)輸與安全。罐車運(yùn)輸包括管道會(huì)考慮到安全性，管道運(yùn)輸?shù)絿?guó)外沒有發(fā)生安全泄露問題，車運(yùn)其實(shí)有很多這樣的安全事故。
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二氧化碳地質(zhì)封存相當(dāng)于油氣開發(fā)逆過程。地質(zhì)封存概念從油氣開發(fā)逆過程開始提出來，先是美國(guó)進(jìn)行驅(qū)油以后，發(fā)現(xiàn)很多二氧化碳留在地底下，后來把這個(gè)概念推廣到利用這種方式進(jìn)行減排，一開始提出的時(shí)候，不是做減排，所以用的是天然二氧化碳。

關(guān)于封存的場(chǎng)所，一個(gè)是廢棄的油氣層，或者開發(fā)后期的油氣層，開發(fā)已經(jīng)沒有價(jià)值了，廢棄了。荷蘭利用廢棄的氣田、油田，直接把二氧化碳注進(jìn)去。

大家考慮安全性的時(shí)候，往往考慮到這個(gè)地方封的安全不安全?？梢钥匆幌率?、天然氣在地下安全不安全，石油、天然氣都是幾百萬年封存，非常安全，地震也震不出來。

油田講的是生、儲(chǔ)、蓋、圈、運(yùn)、保，生就是生油，相當(dāng)于植物埋在泥里壓到地底下慢慢變成石油，儲(chǔ)就是有保存的地方，蓋就是有一個(gè)蓋層封閉住，圈就是圈閉，圈閉才會(huì)有保存價(jià)值，后面就會(huì)有運(yùn)、保，運(yùn)輸保存到集中地方。

黑顏色是油氣到這個(gè)地方，蓋層蓋住。大家看巖心可以看到，在砂巖孔隙里保存，這些都是一些保存空間，將來二氧化碳可以注入到這里面，油氣封存空間是這樣，保存的非常安全。很多人擔(dān)心斷層會(huì)不會(huì)泄露。如果斷層泄露，就會(huì)順著斷層發(fā)現(xiàn)油氣走的痕跡，油氣能保存得比較好，二氧化碳一樣會(huì)保存得比較好。

還有一種就是很多巖性的圈閉，致密性的地方，油不過來，保存在高孔隙里，這樣一種圈閉叫做巖性圈閉。哪怕沒有大的構(gòu)造，也會(huì)集中在相對(duì)孔隙高的地方。低孔隙的地方相當(dāng)于封閉住了?？梢钥吹礁鞣N孔隙，實(shí)際上二氧化碳和油存在這些孔隙里。在里頭有吸附力保存在里面，所以不會(huì)泄露，非常安全。


這是各種各樣的孔隙結(jié)構(gòu)，剛才看的是砂巖，河道里看到沉積以后，壓到底下，呈現(xiàn)諸多顆粒狀，顆粒之間有孔隙。像我們現(xiàn)在造的水泥，大家搞建筑的水泥沙子，水泥像交結(jié)物，顆粒之間有孔隙。孔隙就是保存油和二氧化碳。

這個(gè)地區(qū)在在鄂爾多斯盆地里，從淺到深有很多套地層，每套地層都可以做。一口井利用率非常高，可以在很多層里可以做二氧化碳封存。
我們要做二氧化碳封存或者油田開發(fā)，進(jìn)行鉆井、勘探、取心做實(shí)驗(yàn)，小規(guī)模的在室內(nèi)做實(shí)驗(yàn)，模擬封存效果。

油氣田開發(fā)，大家找到油氣田以后，打一口井，第一階段叫做初次開發(fā)或者一次開發(fā)，靠自然力把油噴出來，抽采上來。抽采以后，能量不足以后，再進(jìn)行注水開發(fā)，就是二次開發(fā)。注水開發(fā)以后，效果再提高不了，再采用其他的辦法強(qiáng)化驅(qū)油，二氧化碳驅(qū)油是最有效的手段，三次采油，注入二氧化碳，把油驅(qū)上來。其他辦法，比如化學(xué)驅(qū)油會(huì)造成很多周邊環(huán)境和水的污染。

二氧化碳驅(qū)油分混項(xiàng)和非混項(xiàng)，混項(xiàng)驅(qū)油是二氧化碳溶解在油里面，這是它的優(yōu)勢(shì)。注在原油里，二氧化碳膨脹系數(shù)要比水大，所以擠出來更多的油，溶解在原油里，降低了油的粘度，流動(dòng)性增強(qiáng)，把油更多地帶出來，減少原油和水之間的表面張力。
還有一個(gè)很好的地方，注入性比水強(qiáng)，鄂爾多斯盆地注水注不動(dòng)，致密性比較強(qiáng)。二氧化碳注入性是水的10倍，可以更好地注入進(jìn)去，有很多優(yōu)勢(shì)。一般非混項(xiàng)的時(shí)候，容易造成靜止。  
CO2氣藏證明了CO2地址封存的安全性。

但與此同時(shí)，CO2地址封存的安全性仍然需要檢測(cè)技術(shù)來證實(shí)。


研究人員做了監(jiān)測(cè)以后，知道二氧化碳的分布區(qū)，紅顏色代表它的分布區(qū)，所以知道二氧化碳分布在什么地方，選取在此處注入。

如圖為勝利油田高89區(qū)塊CO2-EOR四維地震監(jiān)測(cè)

圖示為加拿大二氧化碳驅(qū)油封存項(xiàng)目，現(xiàn)在是世界上最成功的項(xiàng)目，開始是科學(xué)設(shè)施，后來轉(zhuǎn)成商業(yè)化項(xiàng)目，采收率高達(dá)13%-19%?，F(xiàn)在注的是兩千萬噸，注完以后可以全部回收，現(xiàn)在是2700萬噸的二氧化碳。
如圖是二氧化碳從美國(guó)North Dakota修建了340公里的管道運(yùn)輸過來，運(yùn)輸成本非常低，300公里運(yùn)費(fèi)一噸才10美元。二氧化碳捕集費(fèi)用同樣為10美元一噸。 


位于加拿大Sask power燃煤電廠百萬噸CO2捕集裝置。

這是Quest項(xiàng)目，就是殼牌石油公司的項(xiàng)目，一年一百萬噸，現(xiàn)在封了四百萬噸，5月23日剛剛達(dá)到了四百萬噸規(guī)模。

美國(guó)Petra Nova碳捕集項(xiàng)目。

Lllinois 碳捕集與封存項(xiàng)目。
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大家認(rèn)為成本比較高，是不是可以用其他替代？減排過程不是賺錢過程，如果減排過程賺錢化石能源會(huì)無節(jié)制使用，一定要控制，要付出代價(jià)。關(guān)于地下二氧化碳是否爆炸或者誘發(fā)地震，頁巖氣很多都會(huì)誘發(fā)地震，可能也會(huì)誘發(fā)地震，但是比較小，很多監(jiān)測(cè)措施，會(huì)控制壓力，就是控制盡量不要誘發(fā)壓力注入過高，造成一些問題。

最后總結(jié)。綜上講解，CCS是一個(gè)IPCC認(rèn)為全球溫控不可或缺的一個(gè)技術(shù)，未來會(huì)越發(fā)體現(xiàn)出CCS的價(jià)值。 整理人：呂晨排   版：葉舒