二氧化碳地质封存的意义
二氧化碳地质封存的意义在于对全球变暖和气候变化所产生的影响进行控制，减轻对环境的污染和破坏。 该技术是近年来国际上广泛关注和探讨的问题之一。
一、什么是二氧化碳地质封存？
二氧化碳地质封存是指将高浓度二氧化碳通过管道或运输车辆输送至原油开采等工业用地并通过注入的方式储存到深层地层中，达到减少温室气体排放、减少气候变化的目的。
二、二氧化碳地质封存的作用
1、排放控制，二氧化碳地质封存可以控制二氧化碳的排放，降低空气中二氧化碳的浓度，缓解气候变化带来的影响，减少全球变暖的风险。
2、地质安全，该技术需要将二氧化碳储存到深层地层中，这些地层往往具有良好的岩层稳定性和封闭性，能够确保二氧化碳不会泄漏到地表或大气中，保障环境和人类的安全。
3、资源开发，二氧化碳地质封存技术可促进石油和天然气等能源资源的开采，提高了地下储层开采的利用效率，并可以降低CO2的排放量。
三、二氧化碳地质封存的问题
1、技术成熟度，虽然二氧化碳地质封存已经获得了许多实验和实践数据的支持，但仍存在着技术未成熟的问题。 例如，如何在长期运行过程中保证地质封存的有效性和安全性等。
2、经济成本，二氧化碳地质封存需要进行大量的管道建设、输运、注入等操作，技术上存在较高的成本和风险。 这种技术的大规模应用，需要实现经济上的可持续性，降低企业的运营成本。
3、总体来看，二氧化碳地质封存技术是重要的环保手段之一，是实现减少温室气体排放目标的必要手段。 在应用过程中需要加强技术创新和科学管理，努力实现安全、稳定、可持续的发展。
CCUS及CCS技术介绍
CCUS技术全称为Carbon Capture Utilization and Storage，旨在实现二氧化碳减排。 这一工业过程包括二氧化碳捕集、利用和封存三个环节。 在捕集阶段，二氧化碳从工业生产排出的混合气体中提取。 之后，二氧化碳经过提纯，可投入新的生产过程进行循环再利用。 最后，通过管道、罐车等方式将捕获、压缩的二氧化碳运输至地下岩层进行封存。 这一技术组合，即CCUS技术，被视为实现能源行业碳中和的关键。 碳捕集技术，顾名思义，是将二氧化碳从排放源中分离，为进一步处理创造可能。 利用环节则聚焦于二氧化碳的提纯与循环再利用，推动资源高效利用。 封存技术通过运输和存储，确保二氧化碳远离大气，实现减排目标。 CCUS技术在当前仍面临成本高昂与技术复杂度高的挑战。 然而，在全球气候目标与政策激励的推动下，CCUS项目数量增长，成本逐步降低，新型商业模式不断涌现。 作为全球投资热点，CCUS在可预见的未来将持续吸引资本关注。 CCS技术，即二氧化碳捕获和封存，是将CO2与工业或能源源头分离，通过运输至封存地点与大气隔离的过程。 CCUS在此基础上，针对中国实际情况，将利用环节纳入考虑，强调了二氧化碳的循环再利用价值。 CCUS技术的实施，不仅有助于实现能源行业碳中和，更促进了资源的高效利用与环境的保护。 随着技术的进步与成本的降低，CCUS技术有望在全球范围内得到更广泛的应用，成为推动绿色低碳发展的关键力量。
二氧化碳捕获与储存
CO 捕获与储存(Carbon Capture and Storage，CCS)技术的雏形源于20世纪70年代美国用CO 进行驱油来提高石油采收率(Enhanced OilRecovery，EOR)的技术。经过近40年的研究和实践，逐步发展成为气候变化背景下减排温室气体的重要技术手段之一。近年来，欧洲成为CCS技术研发的先驱(中科院武汉文献情报中心，2011)。
根据《IPCC特别报告———二氧化碳捕获和封存》(政府间气候变化专门委员会(IPCC)，2005，以下简称“IPCC特别报告”)，CCS技术是指把CO 从工业或相关能源的源里分离出来，输送到一个储存场地，并长期与大气隔绝的过程。
IPCC特别报告认为，CCS技术是稳定大气温室气体浓度减缓行动组合中的一种选择方案(IPCC，2005)。尚包括提高能源效率、向低含碳量燃料转变、核能、可再生能源、增加生物汇以及非CO 温室气体的减排等。从应用层面上简单地说，CCS技术就是把化石燃料燃烧产生的CO 进行捕获并将其安全地储存于地下深部的地质构造中(陈文颖等，2007)，从而减少CO 向大气环境的排放。
一、二氧化碳捕获和储存的主要组成部分
CCS技术主要包括CO 捕获、运输和储存三大主要环节(图1－1)。
1.碳源
联合国气候变化框架公约(UNFCCC，1992)将温室气体的“源”定义为任何向大气中释放产生温室气体、气溶胶或其前体的过程、活动或机制。 温室气体的“汇”为从大气中清除温室气体、气溶胶或其前体的过程、活动或机制。 “点源”是指局限在一个单点位置的排放源(ICPP，2005)。
CO 主要由化石燃料燃烧所排放，排放源既包括大型燃烧设备，如燃煤发电厂;也包括小型分散源，如汽车发动机、居民和商业用户使用的燃烧炉。还可从一些工业生产过程、石油天然气加工处理以及焚烧森林植物等过程中排放。CO 的捕获主要用于较大的CO 点源，包括大型化石燃料或生物能源设施、主要CO 排放工业企业、天然气生产、合成燃料厂以及基于化石燃料的制氢工厂等(师春元等，2006)。
全球大于10×10 t/a的CO 固定排放源情况见表1－1。这些排放源分布在全球各地，其中北美(美国中西部和东部)、欧洲(西北部地区)、东亚(中国东部沿海)和南亚(印度次大陆)是四个特殊的排放群。相比之下，大范围的生物质排放源数量则要少得多。同时，上述排放源并不都适合进行CO 的捕获。
目前，中国各区域CO 排放量差异显著，呈现由东南部沿海向中部和西部地区递减的趋势。高排放区域主要集中在东南部沿海经济发达地区和内蒙古、河南等少数内陆省份，总体形成内蒙古—河北—辽宁—山东—江苏—浙江的高排放带(以环渤海区和长三角区为主)和珠三角高排放区。
图1－1CO 捕获和储存(CCS)主要组成部分示意图(据新闻通讯双周刊，2011)
表1－1全球大于10×10 t/a的CO 排放量固定排放源情况
2.捕获
CO 的捕获(Capture)是指将CO 从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来，并将其压缩的过程。对于大量分散型的CO 排放源尚难实现碳的捕获(ICPP，2005;巢清尘等，2006)。CO 的捕获主要用于大规模排放源，如大型化石燃料或生物能源设施、主要CO 排放型工业、天然气生产、合成燃料工厂以及基于化石燃料的制氢工厂等。
目前，燃煤电厂主要有燃烧前脱碳、燃烧后脱碳和富氧燃烧技术3种不同的捕获技术(许世森等，2009)。
燃烧前脱碳技术(PCDC):是指在碳基燃料燃烧前，首先将其化学能从碳中转移出来，然后再将碳和携带能量的其他物质进行分离，这样就可以实现碳在燃料利用前进行捕获。最典型的是整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)。IGCC是结合了煤气化技术与联合循环发电技术的新型发电技术。它对气化得到的煤气进行变换反应，使煤气转变为CO 和H ，最终将燃料化学能转移到H 上，然后再对CO 和H 进行分离。
基于IGCC的PCDC处理的气体具有高的气体压力和CO 浓度，从而使得物理吸附法比化学吸附法更能体现出优势。分离CO 的典型物理吸收法是聚乙二醇二甲醚法(Selexol法)和低温甲醇法(Rectisol法)。这两种方法都属于低温吸收过程，Selexol法的吸收温度一般为－10～15℃，低温甲醇法的吸收温度一般为－75～0℃。另外，这两种技术能够同时脱除CO 和H S，且净化度较高，可在系统中省去脱硫单元，但相应需要采用耐硫变换技术。
目前国内外提出的多项降低CO 排放的洁净煤发电计划中，绝大部分是基于IGCC发电技术的，并集成了燃料电池、氢气轮机、碳捕获与储存等技术手段，最终实现包括CO 在内的温室气体近零排放。
燃烧后脱碳技术(PCC):是在燃烧设备(锅炉或燃机)后的烟气中捕获或者分离CO 。该技术几乎可用于任何现有的煤基电厂，并且对原有的电厂系统改动较小。现有的绝大多数火力发电技术，包括新建和改造，都只能采用PCC的方法进行CO 的分离。但另一方面，采用PCC方法需要处理的烟气量大、排放压力低、CO 的分压小，投资和运行成本较高。
富氧燃烧技术:是利用空分系统获得富氧或纯氧，然后将燃料与氧气一同进入专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，一般需要对燃烧后的烟气进行重新回注燃烧炉。一方面降低了燃烧温度;另一方面进一步提高了CO 的体积分数。由于烟气中CO 的体积分数高，可显著降低CO 捕获的能耗，但必须采用专门的纯氧燃烧技术，需要专门材料的纯氧燃烧设备以及空分系统，这将大幅度提高系统的投资成本。目前，大型富氧燃烧技术仍处于研究阶段(黄斌等，2007)。
3.运输
所谓CO 运输(Transport)，就是将CO 从捕获地运往地质储存场地的过程。CO 的运输方式主要有管道运输、公路槽车运输、铁路运输和船舶运输四种。这四种方式各有优缺点，都存在一定的适用范围。在技术上，公路槽车和铁路罐车也是切实可行的方案。然而，除小规模运输之外，这类运输与管道和船舶运输相比则不经济，不大可能用于大规模的CO 运输(ICPP，2005)。
公路槽车运输CO 时，可利用绝缘罐将液态CO 进行运输。一般而言，公路槽车运输成本最高，运输费用可达17美元/(100km·t)，但相对灵活，适合于运量小的场地。
铁路运输的成本比汽车槽车低，运输量比汽车槽车大，但必须依托现有的火车铁路运输设施，否则初期投资相对较大。
在某些情况下，需要长途运输或需将CO 运至海外时，使用船舶运输CO 则更为经济，但因需求有限，加之存储CO 的设备必须要承受高压或低温条件，该类运输规模较小。
目前，最可行的办法是利用管道输送。管道是一种已成熟的市场技术，一般将气态的CO 进行压缩提高密度，以降低管道的运输成本。据APEC官方统计，管道运输成本最低。如果每年管道的运输量大于1000×10 t，运输费用为2～6美元/(100km·t)，但管道运输只适用于特定的条件，尤其是要解决运输过程中的CO 腐蚀和泄漏问题。
4.储存
CO 储存(Storage)是指把捕获、压缩后的CO 运输到指定的地点进行长期储存的过程(刘嘉等，2009)。目前，主要的储存方式有地质储存、海洋储存、矿物固化以及森林和陆地生态系统储存等。另外，一些工业流程也可在生产过程中利用和存储少量被捕获的CO 。
二、二氧化碳主要储存技术
目前潜在的可用于储存CO 的技术有地质储存、海洋储存、矿物固化以及森林和陆地生态系统储存(师春元等，2006)。尽管用于工业生产中也是CO 储存的一种途径，但由于储存量少，对减少CO 排放的贡献率相对较小。图1－2给出了可能的CCS系统组成示意图。图中集中展示了CO 可能的来源、运输以及储存方案。
图1－2可能的CCS系统构成示意图(据IPCC，2005)
1.地质储存
CO 地质储存(CO geological storage，CGS)就是把从集中排放源分离得到的CO 注入地下深处具有适当封闭条件的地质构造中储存起来。CO 地质储存场所多种多样，主要有沉积盆地内的深部咸水含水层、开采中或已废弃的油气藏和因技术或经济原因而弃采的煤层，以及开采过的大洞穴、盐岩溶腔和废弃的矿藏等(李小春等，2003;张洪涛等，2005;沈平平等，2009)。CO 地质储存的主要技术方案见图1－3。
CO 地质储存就是利用CO 具有的超临界特点，即当温度高于31.1℃、压力高于7.38MPa时，CO 进入超临界状态。在超临界状态，CO 是一种高密度气体，并不会液化，只是密度增大，具有类似液态的性质，同时还保留着气体的性能。超临界CO 的典型物理特性为密度近于液体，是气体的几百倍，使得储存空间大大减少;黏度近于气体，与液体相比，要小两个数量级;扩散系数介于气体和液体之间，约为气体的1/100，比液体大几百倍，因而具有较大的溶解能力(韩布兴，2005)。
碳封存领导人论坛(Carbon Sequestration Leadership Forum，CSLF)(2008)指出CO 地质储存机理可以分为两大类:物理贮存和化学贮存。其中，物理贮存包括构造地层贮存、束缚贮存和水动力贮存;化学贮存包括溶解贮存和矿化贮存。
欲实现CO 地质储存必须满足CO 以超临界流体态的形式储存于地下，埋藏深度必须≥800m，CO －EOR(CO －EOR即“二氧化碳提高石油回采率”技术，下同)和CO －ECBMR(CO －ECBMR即“二氧化碳提高煤层气采收率”技术，下同)除外。CO 地质储存相当于营造一个地下人工气藏，其选址条件主要考虑以下因素:位于地质构造稳定的地区，地震、火山、活动断裂不发育，所储存的CO 向大气泄漏的可能性微小;储层孔隙度和渗透率高，有一定厚度，能达到所需要的存储库容;上覆有不透气的封闭盖层。
图1－3CO 地质储存方案示意图(据IPCC，2005)
与天然气储气库储层条件不同的是还要考虑以下因素:储层压力超过CO 的临界值，在这种压力下CO 受到压缩，密度达到600～800kg/m ，浮力低于天然气而高于原油;较低的地热梯度和地热流值，使CO 在较小的深度下能达到较高的密度;对人类社会和自然环境、资源带来的负面影响小(沈平平等，2009)。
IPCC的研究表明，CO 性质稳定，可以在相当长的时间内被储存。若地质储存场地是经过谨慎选址和精心论证、设计、施工与管理的，注入其中的CO 的99%都可储存1000年以上。
2.海洋储存
海洋储存CO 有两种潜在的途径。一种是经固定的管道或船舶运输将CO 注入并溶解到海洋水体中(以1000m以下最为典型);另一种是经由固定的管道和安装在深度3000m以下海床上的海上钻井平台将其沉淀，在海底形成一个CO “湖”，从而延缓CO 分解于周围环境中(图1－4)。
被溶解和分解在海洋里的CO 将成为全球碳循环的一部分，并最终与大气中的CO 达到平衡。在目前进行的一系列实验室和小规模试验中，已针对各种方案的技术可行性、相关的物理化学现象以及对海洋生态系统的影响进行了初步研究。现阶段，海洋储存CO 技术仍处于研究阶段，尚未得到应用。
3.矿物固化
CO 的矿物固化是模仿自然界中钙/镁硅酸盐矿石的侵蚀和风化过程来实现的，由瑞士学者于1990年率先提出。该反应过程的通式为:
中国二氧化碳地质储存地质基础及场地地质评价
图1－4海洋储存CO 方法示意图(据IPCC，2005)A—溶解型;B—湖泊型
随后，Dunsmore(1992)研究了用钙/镁碳酸盐矿物固化CO 的方法。这个过程也被称作增强自然风化，Lackner等(1995)详细研究了该过程的细节问题。此后，矿物碳酸盐化研究开始加速，欧美许多国家纷纷设立专门研究机构开展CO 的矿物固化研究工作。
矿物固化主要是指利用含有碱性和碱土金属氧化物的矿石与CO 反应将其固化，生成永久的、更为稳定的诸如碳酸镁(MgCO )和碳酸钙(CaCO )之类碳酸盐的一系列过程。
在自然界中，本来就存在着大量的钙/镁硅酸盐矿物，如硅灰石(CaSiO )、橄榄石(Mg SiO )、蛇纹石［Mg Si O (OH) ］和滑石［Mg Si O (OH) ］等。这些钙/镁硅酸盐矿石与CO 之间的反应可以自发地进行，生成稳定的碳酸盐，但反应过程极其缓慢，不能直接用于工业过程。矿物固化应用于CO 固定时，需要通过过程强化，加速CO 与矿石之间的化学反应，从而达到工业上可行的反应速率并使工艺流程更加节能。除天然的硅酸盐矿石外，某些含有钙/镁的固体废物也可以作为矿物固化的原料。
CO 以及所有碳酸盐化合物中，碳元素都处于最高价态形式，相对最稳定。但由于碳酸盐的标准吉布斯自由能较CO 更低，因而碳酸盐化合物形式相比CO 更为稳定。矿物固化CO 具有以下优势(陈骏，2009)。
1)遵循了自然界中CO 的矿物吸收过程，即含碱金属或碱土金属的矿石与CO 反应，生成热力学上更为稳定的碳酸盐矿物，从而实现CO 的永久固化。由于没有泄漏的风险，因而不需要长期投资进行监测;
2)原料十分丰富，包括含钙/镁的天然矿石，如镁橄榄石、蛇纹石、滑石和水镁石等，以及超基性岩和基性岩(如玄武岩)等，均可实现大规模CO 地质处置;
3)天然矿石的副产品具有较高的经济价值，使得矿物固化具有商业化应用潜力;
4)可因地制宜实现排放源的就地固化或者矿石所处的原位固化。因此，研究CO 的矿物固化技术对未来CO 减排具有广阔的应用前景。
目前，国际上提出了两种CO 的矿物固化方式:一种为异地(ex-situ)固化。即将矿石等固化原料运送到CO 排放源附近，通过反应装置将CO 碳酸盐化，从而达到固化目的;另一种为原位(in-situ)固化。即将CO 直接注入地下多孔的基性—超基性岩岩体中，使CO 与岩石矿物直接反应，转变为碳酸盐(图1－5)。
图1－5矿物固化CO 流程示意图(据IPCC，2005)
4.森林和陆地生态系统储存
最近研究表明，全球生物生长可储存CO 约20×10 t/a(光合作用吸收600×10 t/aCO ，通过有机物质的分解又有580×10 t/a被释放出来)。在一个典型森林的生命周期中，每万平方米森林每年的生物质增长量为3～10t(干基)，约相当于固定等重的CO 。由于森林的成熟需要100年甚至更长的时间，部分储存的碳可通过树木的腐烂或燃烧重新释放回环境。一旦森林成熟，CO 的吸收就增加较少了(师春元等，2006)。
近20年来，中国森林吸收温室气体CO 的能力明显增加，每年工业排放出的CO 平均有5%～8%，约2600×10 t被吸收，从而为缓解全球温室效应作出了积极贡献。研究发现，20世纪70年代中期以前，由于毁林开荒等因素，中国森林向大气净排放了大量的CO 。但在最近20年里情况发生了逆转，森林净吸收CO 的功能明显增强，近20年共净吸收约4.5×10 t碳，相当于20世纪90年代中期中国工业CO 年均排放量的一半。在被“固定”的碳中，人工林占了80%。据悉，中国人工林累计面积目前已居世界第一位，森林覆盖率也上升到16.55%(师春元等，2006)。
