CCUS小课堂第一讲 | 碳捕集、利用与封存基础知识——第3期CCUS、气候变化和环境高级培训

生态环境部环境规划院与《环境工程》推出专栏“中国CCUS环境风险研究”“二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估”，分别在2018年2期和2019年2期见刊。针对专栏中碳捕集、利用与封存问题，特推出CCUS培训课堂。CCUS培训班的第一堂课，由西北大学的马劲风老师介绍碳捕集、利用与封存的相关基础知识。

碳

捕

集

利

用

封

存

全球变暖问题很早有一些学者发现了，这是今年去世的一个很有名的哥伦比亚大学的教授，他在1975年的时候就认识到全球气候变化，但是那个时候有很多人反对他。

James也是一个哥伦比亚大学教授，他是应对气候变化的积极推动者。

为了应对气候变化，联合国成立了这样一个《联合国气候变化公约》，很多国家签署了，中国也是成员。成员的目标是什么？就是要把大气当中温室气体浓度维持在一个稳定的水平，所以所有签约国都有责任去做。

政府间气候变化专门委员会（IPCC）专门评估气候变化的影响，IPCC做的报告是此领域权威报告。IPCC提供全球气候变暖控制1.5度的报告，告诉我们要做哪些工作，哪些途径降低碳排放。报告里提供了四种途径，三种全部是和CCS相关。这也表明CCS是不可或缺的，必须要做CCS才能达到温控目标。

前文讲到减少碳排放总量仅仅靠可再生能源是不够的，此时CCS的贡献便体现出来了。CCS可以对很多大工业实现减排。可再生能源现在存在一个困境，提供的风能和太阳能等是间歇式，需要煤电补充。

美国能源部长发布的论文讲解了CCS的相关内容，这个影响比较大。这是CCS的示意图，高排放源如电厂、炼油厂等捕集的二氧化碳注入到地下。以前认为注入煤层可以，但是煤层效果不好，国际上基本不做，原因是煤层孔隙太小，致密，注入一段时间注入不了，目前主要是注入油气层、盐水层。

如图所示为二氧化碳浓度，排放源的浓度高捕集成本比较低，如煤化工，制氢过程的浓度比较高，捕集成本低。

CO2的分离提纯技术主要是物理和化学两种，煤化工很多都是物理办法，靠温度控制可以把二氧化碳分离出来，此外还有很多靠化学办法。

CO2捕集技术分三种，一种是燃烧后捕集，发电厂燃烧以后，直接从尾气进行捕集。第二种是没有燃烧之前，先把二氧化碳进行分离，像一些化工方式，像制氢等等，属于燃烧前的捕集。第三种是富氧燃烧捕集，先要制氧，空气里氧气浓度不是很高，纯氧烧进去，这样排放出来二氧化碳浓度比较高，这个成本还是比较高。现在还有一种直接空气捕集，但成本比较高，因为空气的二氧化碳浓度非常低，只有0.04%。

世界上第一个100万吨燃煤电厂CO2捕集装置。

这是目前世界上最大的140万吨/年燃煤电厂CO2捕集装置（美国的Petra Nova）。140万吨燃烧后捕集。

华能集团做的上海石洞口10万吨级CO2捕集装置，我们规模比国外小很多，国外早就是百万吨级，是燃烧前捕集，可以把煤气化等等气化以后先分离，分离出一些氢和二氧化碳，直接在前端过程分离。

这是壳牌石油工业重油炼制过程当中制氢，制氢过程把二氧化碳分离。

CCS里还有一个重要环节就是运输，当然就近封存是最好的，但因为捕集源或排放源和封存的场地有一定的距离，有一些地方需要运输，一种是罐车运输，一种是管道运输。运输涉及到两个问题，一个就是成本，一个就是安全性。

CO2罐车运输与安全。罐车运输包括管道会考虑到安全性，管道运输到国外没有发生安全泄露问题，车运其实有很多这样的安全事故。

二氧化碳地质封存相当于油气开发逆过程。地质封存概念从油气开发逆过程开始提出来，先是美国进行驱油以后，发现很多二氧化碳留在地底下，后来把这个概念推广到利用这种方式进行减排，一开始提出的时候，不是做减排，所以用的是天然二氧化碳。

关于封存的场所，一个是废弃的油气层，或者开发后期的油气层，开发已经没有价值了，废弃了。荷兰利用废弃的气田、油田，直接把二氧化碳注进去。

大家考虑安全性的时候，往往考虑到这个地方封的安全不安全。可以看一下石油、天然气在地下安全不安全，石油、天然气都是几百万年封存，非常安全，地震也震不出来。

油田讲的是生、储、盖、圈、运、保，生就是生油，相当于植物埋在泥里压到地底下慢慢变成石油，储就是有保存的地方，盖就是有一个盖层封闭住，圈就是圈闭，圈闭才会有保存价值，后面就会有运、保，运输保存到集中地方。

黑颜色是油气到这个地方，盖层盖住。大家看岩心可以看到，在砂岩孔隙里保存，这些都是一些保存空间，将来二氧化碳可以注入到这里面，油气封存空间是这样，保存的非常安全。很多人担心断层会不会泄露。如果断层泄露，就会顺着断层发现油气走的痕迹，油气能保存得比较好，二氧化碳一样会保存得比较好。

还有一种就是很多岩性的圈闭，致密性的地方，油不过来，保存在高孔隙里，这样一种圈闭叫做岩性圈闭。哪怕没有大的构造，也会集中在相对孔隙高的地方。低孔隙的地方相当于封闭住了。可以看到各种孔隙，实际上二氧化碳和油存在这些孔隙里。在里头有吸附力保存在里面，所以不会泄露，非常安全。

这是各种各样的孔隙结构，刚才看的是砂岩，河道里看到沉积以后，压到底下，呈现诸多颗粒状，颗粒之间有孔隙。像我们现在造的水泥，大家搞建筑的水泥沙子，水泥像交结物，颗粒之间有孔隙。孔隙就是保存油和二氧化碳。

这个地区在在鄂尔多斯盆地里，从浅到深有很多套地层，每套地层都可以做。一口井利用率非常高，可以在很多层里可以做二氧化碳封存。

我们要做二氧化碳封存或者油田开发，进行钻井、勘探、取心做实验，小规模的在室内做实验，模拟封存效果。

油气田开发，大家找到油气田以后，打一口井，第一阶段叫做初次开发或者一次开发，靠自然力把油喷出来，抽采上来。抽采以后，能量不足以后，再进行注水开发，就是二次开发。注水开发以后，效果再提高不了，再采用其他的办法强化驱油，二氧化碳驱油是最有效的手段，三次采油，注入二氧化碳，把油驱上来。其他办法，比如化学驱油会造成很多周边环境和水的污染。

二氧化碳驱油分混项和非混项，混项驱油是二氧化碳溶解在油里面，这是它的优势。注在原油里，二氧化碳膨胀系数要比水大，所以挤出来更多的油，溶解在原油里，降低了油的粘度，流动性增强，把油更多地带出来，减少原油和水之间的表面张力。

还有一个很好的地方，注入性比水强，鄂尔多斯盆地注水注不动，致密性比较强。二氧化碳注入性是水的10倍，可以更好地注入进去，有很多优势。一般非混项的时候，容易造成静止。

CO2气藏证明了CO2地址封存的安全性。

但与此同时，CO2地址封存的安全性仍然需要检测技术来证实。

研究人员做了监测以后，知道二氧化碳的分布区，红颜色代表它的分布区，所以知道二氧化碳分布在什么地方，选取在此处注入。

如图为胜利油田高89区块CO2-EOR四维地震监测

图示为加拿大二氧化碳驱油封存项目，现在是世界上最成功的项目，开始是科学设施，后来转成商业化项目，采收率高达13%-19%。现在注的是两千万吨，注完以后可以全部回收，现在是2700万吨的二氧化碳。

如图是二氧化碳从美国North Dakota修建了340公里的管道运输过来，运输成本非常低，300公里运费一吨才10美元。二氧化碳捕集费用同样为10美元一吨。

位于加拿大Sask power燃煤电厂百万吨CO2捕集装置。

这是Quest项目，就是壳牌石油公司的项目，一年一百万吨，现在封了四百万吨，5月23日刚刚达到了四百万吨规模。

美国Petra Nova碳捕集项目。

Lllinois 碳捕集与封存项目。

大家认为成本比较高，是不是可以用其他替代？减排过程不是赚钱过程，如果减排过程赚钱化石能源会无节制使用，一定要控制，要付出代价。

关于地下二氧化碳是否爆炸或者诱发地震，页岩气很多都会诱发地震，可能也会诱发地震，但是比较小，很多监测措施，会控制压力，就是控制尽量不要诱发压力注入过高，造成一些问题。

最后总结。综上讲解，CCS是一个IPCC认为全球温控不可或缺的一个技术，未来会越发体现出CCS的价值。