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CCUS基礎知識——第3期CCUS、氣候變化和環境高級培訓授課內容PPT電子課件

2019-6-14 08:45 來源: 城市溫室氣體



CCUS碳捕集利用封存CCUS培訓班的第一堂課,西北大學的馬勁風老師介紹碳捕集、利用與封存的相關基礎知識。

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全球變暖問題很早有一些學者發現了,這是今年去世的一個很有名的哥倫比亞大學的教授,他在1975年的時候就認識到全球氣候變化,但是那個時候有很多人反對他。

James也是一個哥倫比亞大學教授,他是應對氣候變化的積極推動者。

為了應對氣候變化,聯合國成立了這樣一個《聯合國氣候變化公約》,很多國家簽署了,中國也是成員。成員的目標是什么?就是要把大氣當中溫室氣體濃度維持在一個穩定的水平,所以所有簽約國都有責任去做。

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


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前文講到減少碳排放總量僅僅靠可再生能源是不夠的,此時CCS的貢獻便體現出來了。CCS可以對很多大工業實現減排。可再生能源現在存在一個困境,提供的風能和太陽能等是間歇式,需要煤電補充。

美國能源部長發布的論文講解了CCS的相關內容,這個影響比較大。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。以前認為注入煤層可以,但是煤層效果不好,國際上基本不做,原因是煤層孔隙太小,致密,注入一段時間注入不了,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的分離提純技術主要是物理和化學兩種,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辦法。

CO2捕集技術分三種,一種是燃燒后捕集,發電廠燃燒以后,直接從尾氣進行捕集。第二種是沒有燃燒之前,先把二氧化碳進行分離,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,純氧燒進去,這樣排放出來二氧化碳濃度比較高,這個成本還是比較高。現在還有一種直接空氣捕集,但成本比較高,因為空氣的二氧化碳濃度非常低,只有0.04%。


世界上第一個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(美國的Petra Nova)。140萬噸燃燒后捕集。

華能集團做的上海石洞口10萬噸級CO2捕集裝置,我們規模比國外小很多,國外早就是百萬噸級,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。


這是殼牌石油工業重油煉制過程當中制氫,制氫過程把二氧化碳分離。

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CCS里還有一個重要環節就是運輸,當然就近封存是最好的,但因為捕集源或排放源和封存的場地有一定的距離,有一些地方需要運輸,一種是罐車運輸,一種是管道運輸。運輸涉及到兩個問題,一個就是成本,一個就是安全性。


CO2罐車運輸與安全。罐車運輸包括管道會考慮到安全性,管道運輸到國外沒有發生安全泄露問題,車運其實有很多這樣的安全事故。
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二氧化碳地質封存相當于油氣開發逆過程。地質封存概念從油氣開發逆過程開始提出來,先是美國進行驅油以后,發現很多二氧化碳留在地底下,后來把這個概念推廣到利用這種方式進行減排,一開始提出的時候,不是做減排,所以用的是天然二氧化碳。

關于封存的場所,一個是廢棄的油氣層,或者開發后期的油氣層,開發已經沒有價值了,廢棄了。荷蘭利用廢棄的氣田、油田,直接把二氧化碳注進去。

大家考慮安全性的時候,往往考慮到這個地方封的安全不安全。可以看一下石油、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、蓋、圈、運、保,生就是生油,相當于植物埋在泥里壓到地底下慢慢變成石油,儲就是有保存的地方,蓋就是有一個蓋層封閉住,圈就是圈閉,圈閉才會有保存價值,后面就會有運、保,運輸保存到集中地方。

黑顏色是油氣到這個地方,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。很多人擔心斷層會不會泄露。如果斷層泄露,就會順著斷層發現油氣走的痕跡,油氣能保存得比較好,二氧化碳一樣會保存得比較好。

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。哪怕沒有大的構造,也會集中在相對孔隙高的地方。低孔隙的地方相當于封閉住了。可以看到各種孔隙,實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,所以不會泄露,非常安全。


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

這個地區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,進行鉆井、勘探、取心做實驗,小規模的在室內做實驗,模擬封存效果。

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

二氧化碳驅油分混項和非混項,混項驅油是二氧化碳溶解在油里面,這是它的優勢。注在原油里,二氧化碳膨脹系數要比水大,所以擠出來更多的油,溶解在原油里,降低了油的粘度,流動性增強,把油更多地帶出來,減少原油和水之間的表面張力。
還有一個很好的地方,注入性比水強,鄂爾多斯盆地注水注不動,致密性比較強。二氧化碳注入性是水的10倍,可以更好地注入進去,有很多優勢。一般非混項的時候,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,CO2地址封存的安全性仍然需要檢測技術來證實。


研究人員做了監測以后,知道二氧化碳的分布區,紅顏色代表它的分布區,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區塊CO2-EOR四維地震監測

圖示為加拿大二氧化碳驅油封存項目,現在是世界上最成功的項目,開始是科學設施,后來轉成商業化項目,采收率高達13%-19%。現在注的是兩千萬噸,注完以后可以全部回收,現在是2700萬噸的二氧化碳。
如圖是二氧化碳從美國North Dakota修建了340公里的管道運輸過來,運輸成本非常低,300公里運費一噸才10美元。二氧化碳捕集費用同樣為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項目,就是殼牌石油公司的項目,一年一百萬噸,現在封了四百萬噸,5月23日剛剛達到了四百萬噸規模。

美國Petra Nova碳捕集項目。

Lllinois 碳捕集與封存項目。
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大家認為成本比較高,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無節制使用,一定要控制,要付出代價。關于地下二氧化碳是否爆炸或者誘發地震,頁巖氣很多都會誘發地震,可能也會誘發地震,但是比較小,很多監測措施,會控制壓力,就是控制盡量不要誘發壓力注入過高,造成一些問題。

最后總結。綜上講解,CCS是一個IPCC認為全球溫控不可或缺的一個技術,未來會越發體現出CCS的價值。 整理人:呂晨排   版:葉舒
標簽: CCUS

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