世界金属导报/2012年/1月/3日/第B10版低碳技术CCS技术发展现状与未来展望廖建国编者按:CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage)技术作为一种切实可行的CO2削减技术已引起全世界的关注，主要应用于石油开发和电力行业，在钢铁行业的应用很少。

但是CCS技术已开始逐步向产业化发展，其中钢铁行业所占的比重将越来越大。

因为炼铁厂生产规模大，能回收大量CO2，在减排量上取得显著效应，所以说，CCS技术是钢铁行业大幅削减CO2排放量的首选之策，从而入选本报2012钢铁工业十大技术要闻。

本版将对CCS技术做一具体介绍，以为我国CCS 技术的研究应用提供借鉴。

1 CCS技术概况CCS就是把从发电厂和炼铁厂等固定排放源产生的CO2分离回收后，输送到储存层，压入地下进行储存，从而抑制CO2向大气排放的技术。

1.1 CO2分离回收工艺CO2分离回收工艺就是把从发生源产生的CO2分离回收的工艺。

降低回收时的能耗和回收成本是CCS技术研究的主要课题之一。

因此，对低能耗、低成本的分离回收技术进行了广泛的研究开发。

为提高CO2的浓度，采用了两种方法，一种是改进燃烧和氧化工艺，提高CO2浓度的氧燃烧法，即用氧替代空气进行燃烧和氧化；另一种是采用化学吸收、物理吸收、膜分离和深冷分离等方法对产生的CO2进行分离回收。

应选择的技术因发生气体的CO2分压、气体所含杂质和要求的CO2纯度等的不同而不同。

采用吸收法时，在CO2分压低的情况下，一般采用化学吸收法，当CO2分压升高时，最好采用物理吸收法。

1.2输送工艺输送工艺就是把分离回收的CO2输送到储存层的工艺，有管道输送工艺、气罐输送工艺和运输车输送工艺。

采用管道输送工艺时，要将回收的CO2进行脱水、加压，然后送入管道。

国外一般是将液态的CO2在10MPa以上的压力下进行管道输送。

在北美，每年由自然源和人为发生源产生的CO2量在3000万t以上，通过连接美国和加拿大的6200km长的管道进行输送。

另外，在欧洲天然气管网很完善，易将天然气管网作为输送CO2的手段。

另一方面，如果输送距离远，管道输送的成本会增大，因此在不得不输送到远距离的储存层时，最好采用运输车输送。

日本陆地管道的敷设成本高，且缺乏大规模天然气管网输送的经验，因此最好选择运输车输送的方法。

采用运输车输送时，需先将CO2进行加压、冷却，变成液体状态后再输送。

1.3 CO,地下储存工艺CO2地下储存工艺就是把CO2压入地下空间进行封闭储存的技术工艺。

因此，储存场所必须具备下列条件:“储存CO2用的空间”、“防止CO2泄漏的密封层”和“密封的地质结构”。

作为“储存CO2用的空间”，最好是选择多孔质、具有渗透性的岩石层，如后面要介绍的堆积层；作为“防止CO2泄漏的密封层”，可选择空隙率和渗透率低的页岩或泥岩等；作为“密封的地质结构”，必须选择在储存层的上部具有密封层(冠岩)的地质结构，如拱形结构(背斜结构)等。

另外，为增加CO2的储存量，最好缩小CO2的占地体积。

因此，必须将CO2在超临界状态(体积小)下压入地下，满足这种要求的储存层深度应在800m以上。

满足这种储存条件的场所是堆积盆地。

所谓堆积盆地是指泥、砂、火山喷出物堆积的厚地层。

作为储存层有油田及气田、煤层以及地下深处盐水层(含水层)。

油田和气田:堆积层中作为生物起源的有机物经长时间堆积演变成石油或天然气，油田和气田就是这些有机物移动和聚集的地方。

也就是说，这是一种不让资源流失的储油地质结构。

因此，油田和气田是非常适合储存CO2的场所。

一种方法是把CO2压入并储存于枯竭的油田或气田；另一种方法是把CO2压入并储存于正在生产的油田或气田，同时可以增加石油或天然气的开采量，这种方法被称作“增产回收法”。

如果是以油田为储存对象，则称为“EOR"；如果是以气田为储存对象，则称为“EGR"。

地下深处盐水层:所谓含水层是一种孔隙多、内部含有水的地层结构，它由砂岩或碳酸盐岩等堆积层构成，地质条件与油田和气田相同。

作为CO2储存地的地下深处盐水层位于含水层的深处，因此含有盐水(水的盐分与海水一样多且是溶解水)，在世界上分布很广。

另外，地下深处盐水层与作为饮料等用的地表水有密切的关系。

被压入这种储存层的超临界状态CO2利用拱形结构等结构性储油地质结构或非结构性储油地质结构，可以保持物理性能。

而且，由于CO2长期溶解于地层水以及与储存层内的矿物反应(矿物固定)，CO2也会发生固化。

全世界油田和气田的CO2储存能力估计为6750亿-9000亿t，但地下深处盐水层的储存能力很大，在100万-1000万t以上。

因此全世界地下储存能力至少在200万t左右。

根据IPCC“关于CO2分离回收储存特别报告”的计算可知，至2100年CCS对减少温室气体排放的贡献可达15%-55%。

2 CCS作为防止地球温暖化措施的定位CCS是一种能大量且比较廉价削减大气中CO2的技术，而且通过与现有技术的组合，作为可再生能普及的BridgingTechnology(桥梁技术)，在国际上已被认为是非常重要的技术。

2.1 IEA对能源技术的预测在2008年洞爷湖G8首脑会议中，IEA(国际原子能机构)提出了到2050年实现CO2排放量减半的计划。

根据该计划要求，为实现CO2排放量减半的目标，到2050年CO2的排放量应比基准线减少48Gt，各种减排技术的贡献率为节能占36%，可再生能源占21%，CCS占19%，CCS的贡献率为第三，这表明CCS是一项不可或缺的技术。

另外，如果不能利用CCS技术，到2050年实现CO2排放量减少50%的目标所需的成本将增加70%。

因此，CCS技术是全世界实现CO:减排的重要技术。

在洞爷湖G8首脑会议的共同声明中已充分表明，“为在2020年之前广泛开展CCS技术研究，全力支持在2010年之前在全世界范围内进行20个大规模的CCS技术应用研究项目的实施。

”2.2 IEA有关CCS开展的路线图IEA在2009年发布了有关CCS开展的路线图，为实现到2050年CO2排放量的减半，提出了必须实施的CCS研究项目的内容(见表1)。

其要点如下:1)削减目标:如果全世界都开展CCS工作，估计到2050年就能够回收排放的CO2达100亿t 以上，2010-2050年CO2的储存量累计将达145Gt左右。

到2050年发电行业回收的CO2将达5.5Gt(即占CO2回收总量的55%)；生产行业回收的CO2为1.7Gt/a(约占CO2回收总量的16%)。

2)必须完成的研究项目数:为实现上述目标，到2050年全世界必须完成大约3400个研究项目。

其中大约一半必须由发电行业来完成。

另外，在今后10年内必须完成大约100个研究项目，必须在现有的CCS研究工作开展的基础上大幅度增加应完成的研究项目数量。

在100个研究项目中，大约38%将由发电行业完成，62%将由各工业企业完成。

为实现这一庞大的研究工作，从2010-2050年，每年必须完成85个研究项目。

3)世界CCS开展计划:到2020年全世界范围内回收的大约2/3CO2将由OECD区域的试验项目和商业规模的CCS研究项目来完成。

但是，由于新兴经济体的发电和工业企业中CCS项目的广泛开展，因此到2050年累计CO2储存量将降到47%。

中国和印度的CO2累计回收总量将占非OECD区域的26%左右。

4)大规模实证试验的必要性:为使CCS在2050年前能更加广泛地实施，因此在今后10-20年以内通过大规模试验验证CCS回收技术的成功是不可或缺的。

这些研究课题的初期工作必须由发达国家和发展中国家共同分担。

OECD区域已经实施了技术投资，如果考虑早期进行的技术开发，可以认为OECD是CCS技术的先驱者。

另外，有必要在2020-2030年之前积极推进更大规模的CCS研究项目在全世界的应用。

如果非OECD区域开始加快对大规模CCS应用的投资，可以认为到2035年新的大规模设备的建设速度会超过OECD盟国。

5)追加费用:从现在到2050年需要开展的大约3400个研究项目的追加费用将超过250-万300万美元，这只占为实现到2050年CO2排放量减半目标而投资低碳技术总额的3%左右。

到2050年CCS的追加费用将达每年3500亿-4000亿美元。

由于实施的地区和行业不同，因此追加的费用也有很大不同。

2010-2050年基础设备和追加的回收设备所需投资总额估计为500万美元，2010-2050年年均投资额为1250亿美元。

到2050年与回收设备有关的追加投资额大约130万美元，比相同的非CCS设备投资额增加34%。

CO2输送-基础设施需要的投资总额为50万100万美元，尤其是到2050年CO2储存基础设施投资额将达880亿-6500亿美元。

6)钢铁:估计到2020年钢铁行业的CO2回收量为30Mt/a(占工业企业和上游企业的18%)，到2050年为823Mt/a(同样占18%)。

削减CO2排放量的成本在60-70美元/tCO2。

3 世界关于CCS政策和研究课题的发展动向2010年在加拿大的G8首脑会议上，IEA发表了以“碳的回收、储存及其技术的进步与未来发展”为题的报告。

这份报告对洞爷湖首脑会议决定的“为在2020年之前广泛开展CCS技术研究，全力支持在2010年之前在全世界开展20个大规模CCS研究项目”声明的完成情况进行了介绍。

最初在对大规模试验研究项目进行定义后，根据设在澳大利亚的全球CCS研究所(GCCSI)的调查结果进行了研究项目的论证。

下面据此对世界CCS研究项目进行概述。

根据IEA的报告可知，在2010年之前由于政府和民间企业的合作，已完成了以下工作:◆开发层面形式多样，但已发表了80个大规模商业研究项目；◆各国政府对大规模研究项目的支持已超过260亿美元；◆各国政府已承诺完成19-43个大规模研究项目；◆澳大利亚的GORGON研究项目作为一个新的项目已着手进行，目前正处于建设阶段。

3.1 5个综合商用研究项目1)Sleipner项目:从1996年开始进行CO2压入地下操作。

业主为Statoil公司。

该公司将北海Sleipner气田产生的天然气进行回收分离后，每年将100万tCO2压入天然气田附近的Utsira深处盐水层(深度1000m)。

由于只需花费55美元/tCO2的碳税，因此从经济上来看还是合算的。

该地域的CO2储存能力为6000亿t，在天然气开采终了后还能继续用于储存CO2。

2)In Salah项目:从2004年8月开始进行CO2压入地下操作。

业主为Sonatrach(阿尔及利亚天然气公司)、BP和Statoil公司。

储存地层为撒哈拉沙漠天然气开采地附近的Krechba深处盐水层(深度1800m)。