碳的捕集和螯合固定技术亟待工业化
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
能源问题是社会健康持续发展的首要问题，长远来看，可再生资源的有效开发利用是解决该问题的根本途径。
但是从现实状况分析，2030年前化石燃料仍将占据主要地位,引发“限制碳的经济”（Carbon-Constrained
economy）和“限制碳的世界”（Carbon-Constrained world）呼声甚大，世界各国也将限制CO2排放议题提升到
战略高度。当前CO2的排放总量对地球气候变暖的作用愈发明显，要将CO2作为一种碳源进行利用是难以实现的。
近年来，相关机构对CO2的捕集和螯合固定（Carbon Capture and Sequestration，简称CCS）技术的开发极为
重视，甚至认为，在当前可持续发展的大环境下，此项技术的快速工业化可为继续利用化石燃料提供必要条件。
美国化学工程师学会（AICHE）于2007年12月在AICHE Journal杂志上发表了一篇题为“碳的捕集和螯合固定
技术迅速工业化可在限制碳的世界中继续使用化石燃料”的文章，该文是根据1999～2007年以来发表的35篇相
关文章和资料总结归纳而成，颇有参考价值，现将该文主要内容作以介绍。
一、碳的排放和大气中CO2的集聚
在当前限制碳的世界中，碳的捕集和螯合固定（CCS）技术将为继续使用烃类化合物创造许多有利条件。即
使对烃类化合物燃烧产生的CO2的捕集是不容易的，但将从燃煤发电厂等产生的CO2进行螯合固定也可在一定程
度上为愈来愈多的CO2创造容纳空间。由于烃类燃料具有一定的成本优势，而且建设储运管道等基础设施亦耗费
了巨额投资，因此如果将烃类燃料与CCS技术结合起来进行应用，可强有力的补充可替代的、非烃类燃料能源供
应。再者，最大幅度减少传统烃类燃料应用有利于运输燃料的供应安全，然而与传统的油气相比，重质油、油页
岩以及煤液化制造运输燃料都将产生大量的CO2，如果未来10年CCS技术得到广泛应用，将对日益沉重的CO2
负担具有一定的减缓作用。
人类社会CO2的排放始于工业革命时期，目前每年约向大气排放约300亿t CO2。每年自然界CO2的排放约
占人类排放的1%，主要来自火山喷发。自工业革命以来，由于燃烧木材和化石燃料而产生CO2排放，使大气中
CO2含量增加30%。其中，约50%的CO2排放量已溶入于海洋，而大气中CO2水平已经超过前工业期280ppmV的两
倍。据最新统计，石油造成的CO2排放约占总排放量的39%，天然气为20%，而煤达到41%。
二、为抑制CO2排放而应当进行的工作
根据国际能源署（IEA）预测，到2055年，全球每年约排放600亿t CO2，是当前水平的两倍。如果人们能
在未来50年内将每年的CO2排放量限制到250亿t，进一步减少至100亿t，则大气中的CO2浓度接近于550 ppmV，
避免重蹈Eemian间冰期的覆辙。部分学者认为采用单一策略是不足以完成上述计划，但是将多种策略同时进行，
并提高已经工业化技术的应用比例，可大力推进CO2减排任务的顺利完成。这类策略主要包括：
●碳的捕集和螯合固定（CCS）技术；
●提高能源效率和降低需求；
●实现从煤向天然气的转换；
●风能、光电、核能、生物质等替代性能源的应用；
●森林管理；
●农业土壤管理。
其中CCS技术起着十分重要的作用。特别是在继续使用化石燃料的条件下，CCS最好配合用于集中发电。而
对于运输燃料、房屋取暖等化石燃料所产生的CO2，CCS技术不便利用，可通过提高能源利用效率、电气化、减
少化石燃料需求和开发替代性能源来改善。
三、碳的捕集与地质螯合作用的可靠性
● CO2的捕集
目前主要有三种途径可以捕集燃煤发电厂产生的CO2。传统的粉煤电厂里，煤在空气流中燃烧，燃烧尾气中
CO2浓度约15%（体积浓度），采用溶剂或膜技术可以分离并获得此种低浓度的CO2。例如，将混有CO2的尾气通
入38℃的MEA溶液（一乙醇胺），再将MEA溶液加热到150℃，将其释放出的较纯净的CO2气流压缩后输送到适
当的螯合固定地方。目前，粉煤电厂所产生的热能约有30%用于CO2的MEA溶剂高温脱附，捕集费用约占捕集和
螯合固定总成本的80%。此外，“冷氨工艺”（在碳酸铵和碳酸二铵的淤浆中吸附）和高温吸收路线（如用石灰石）
都尚在开发之中。
IGCC（综合气化联合循环）工艺先进行前燃烧分离，将煤在高温下与蒸汽和纯氧进行气化，产生的合成气主
要成分为CO和H2，还含有一定量的H2S、NH3和Hg，与蒸汽在1.5～4MPa下进行转换反应，产生H2和CO2（15%～
40%）。则CO2可以在高压下用物理吸附或膜从气流中分离，剩下为浓度较高的H2。由于CO2捕集而使IGCC工艺
的电力成本增加，应用具有高渗漏率、良好的化学选择性的新型膜技术，并提高其高温性能，可以降低CO2捕集
成本。
除电厂外，其他途径也可获得大量待捕集的高浓度CO2，由天然气、石油、煤生成的氢可以直接用于炼厂或
化肥厂的原料，其生产过程中产生大量的高浓度CO2。此外，有时天然气井生产过程中伴有大量的CO2，可以直
接用于回注，但是有时却又与可燃气体或非燃烧气体一并送走，这类CO2提供了低成本的CO2来源。
● CO2的地质贮存
经捕集的浓缩CO2气流需输送到合适的地方，目前主要以临界液体（约8MPa）形式通过管道输送，或是作为
低温液体用船、汽车或火车运输。在美国，每年通过2500km管道网分运CO2量超过4000万t。在当前碳限制的
世界中，对CCS技术的研发不应被忽视。CO2螯合固定技术和经验已经在油气工业中得以应用，例如挪威大陆架
的“Steiper”计划，在近10年中，每年泵送100万t CO2至Utsira盐湖的1000米以下的低渗透页岩层。
可利用的多孔空间：地下的多孔空间可以用来贮存大量CO2，废弃油气田可以提供4亿t CO2的贮存空间，
而地下盐水层可提供数十亿吨的封存空间。供存贮的多孔空间在成层沉积中与其他燃料和矿产储藏相似，其量随
时间而变化，由于科学技术进步和投入增加，其利用空间也会增大。
CO2在岩层中的性质：CO2在地下岩层中的安全存贮取决于许多物理和化学机理。在地下600～1000m深度的
温度和压力环境下，CO2呈超临界液体状态，比重为0.6～0.8。地层水对CO2产生浮力使之升起，直到其遇到封
堵层，封堵特性是选择合适存贮地点的重要条件。
目前对废弃油气田的这种状况了解得比较充分，而深海盐岩的相关特性则掌握不够，但其可以提供巨大存贮
空间，因此要调查和选择合适的贮存地点是一项巨大的工作。在地质形成中，一些注入的超临界CO2可能会沿着
毛细管而迁移，其量可达注入总量的5%～30%，经过数千年，这些CO2会缓慢地溶解于当地盐水中，这些含有CO2
的盐水密度比周围液体高，因此发生沉降。溶解的CO2使盐水酸化，导致矿物化，通过碳酸盐固体的沉淀来存贮
CO2，这是需要数百数千年。要预测长期的CO2地质螯合固定需要弄清楚详细的地理物理和地理化学的模型来解
释存贮机制，这是一项关键性工作。
在煤中存贮CO2：CO2可能在微孔结构表面吸附，特别是可以将吸附在煤上的甲烷驱出，而甲烷也是一种能
源，但只有当煤不再被开采掘时才有意义，而且此工艺只有当煤床渗透率较高时才具有吸引力，同时，某种程度
上存贮在煤床中的CO2有助于CCS的实施。
泄漏问题：由于出现缺陷，CO2可能通过密封层而发生泄漏。注入CO2工艺本身就可能引起缺陷或增加不必
要的渗透，而且溶解的CO2也将跟随流体进行流动，流动的速度取决于CO2进入覆盖层的渗透率，最终CO2可以
逸入大气或完全溶入水体中。可利用现有的监测技术对这些过程进行观察，特别是可用一些重复地震测量跟踪注
入CO2的迁移，低密度的CO2取代高密度的盐水，从而改变当地地岩层的声学特性。其他一些技术，如油气工业
应用的电测井和重力测井等也可在此得到应用。尚有大量未经开发但非常有意义的技术，将CO2注入与其他恰当
的处理液体相结合，从而提高存贮空间的安全密封性能。有助于改进超临界CO2的岩层渗透性，加速矿物化以及
其他固定化作用的处理剂对未来碳的螯合固定技术发展将产生重要影响。
四、石油焦和生物质
从燃煤电厂捕集碳的情形与从其他固体燃料捕集碳类似，尤其是石油焦和生物质。本质上石油焦的性能可与
优质煤相媲美，而且其生产成本较低，但鉴于严格的环保法规目前许多国家仍不能将其燃烧而获取能量。然而，
将石油焦气化，并进行碳的捕集，便可在高压下除去污染物。BP公司位于美国加州的日处理能力达26万桶的
Carson炼厂，计划建设石油焦气化设备，能力为4500t/a，并用于510MW的发电，同时400万t/a的CO2将被压
缩并送入大陆架进行螯合固定，用于油田的回采。
同样的，生物质电厂通过气化和化学变换将原料转换成CO2和H2，分离后将CO2捕集并输出供贮存，而用氢
来发电，没有CO2排入大气。
五、CO2驱强化采油
CO2被泵入油井以提高油的采收率（EOR），这对流动的油来说非常有效，特别是当油田开采已进入后期。目
前用来提高油田采收率的CO2主要来自天然资源，而现有的EOR实施没有形成有关CO2存贮的观念，然而这种二
氧化碳驱强化采油（CO2-EOR）既可存贮CO2，也可提高油田的采收率。当然，这种用于EOR的CO2存贮只是CO2
存贮的一小部份，但是当全世界都推行CCS，使之成为减缓碳的主要生产手段，就可以成为一种桥梁将常用的螯
合固定技术与老油气井的开采联系起来，进行工业上的实施，将CCS技术在世界范围内进行推广，大量CO2可以
迅速被捕集和固定，同时也有利于油气资源采收率的提高。
六、CCS面临的化学挑战
●开发CO2捕集的创新途径，从而大幅度降低分离成本。利用当前技术进行捕集其成本约占CCS总成本的50%，
因此技术改进空间很大。目前捕集碳的技术主要包括物理和化学吸附、高温吸着剂、膜和深冷分离。
●了解CO2的长期地质化学形成过程，特别是可以预测CO2气流的迁移，以及与密封岩石间的物理化学作用
合形成固态矿物质的趋势。
●改进CO2在地质形成中的物理化学行为，改善存贮安全性。
●确定和开发适当的材料，用于安全引导CO2存贮，开发调解技术处理油气井的存贮密封形成。
●确立必要的测量和评估技术，对螯合CO2的目标层的能力、注射量和安全性等性能进行表征。
若使CCS成为一项切实可行的应对气候变化战略，一些关键性的社会措施是非常需要的，它们是：
●通过几个大规模计划提出CCS规划，在燃煤发电厂中集中进行CO2捕集，同时进行压缩，将CO2送入合适
的地方进行螯合固定，要考虑不同的煤型用不同捕集战略以及存贮方式。
●通过调查，确定CO2可以安全存贮的确当的形成方式（废弃油气田和深海盐岩层）。
●建立CO2输送管道基础设施，确保足够的输送能力。
●建立明确的管理法规框架，鼓励和推动CCS技术。
在我国能源结构中，化石燃料，特别是煤占有极为重要的地位。根据当前发展形势，CCS问题值得我国有关
部门的重视，建议有关人士能一读该文会得到不少启迪。应当将CO2的排放作为一件大事来抓，不能将它与其他
污染源混为一谈。