CO2处置及资源化利用研究

减少CO2向大气排放的一个主要的方法是将其与大气隔离, 当前已有一些方案用于长期储存所捕获的人类来源的CO2, 包括:储存于地质构造 (如油、气田, 煤层和地下盐水层) 、将CO2注入深海、将CO2转化为其它热动力学稳定的矿物或重碳酸根盐卤水等[1,2]。近20年, 国际上已开始对CO2的地下处置进行专门系统的研究, 研究的内容包括了CO2地下处置的基本概念、处置的方式、处置的容量、处置的安全性以及在法律、经济、社会、技术方面的障碍。

1 盐岩CO2处置

按CO2处置所在的地质介质来分, CO2地下处置的方法主要有: (1) 高孔隙率和高渗透性的含水层; (2) 废弃或仍在使用的油气田[3]; (3) 深部含瓦斯煤层, 提高煤层中天然气的采集率 (EC-MB) ; (4) 天然或人造的地下洞穴; (5) 以固体CO2水合物的形式储存在海洋底部[4]。在目前的研究中, 对其中前3种处置方式研究得较多, 对第4种处置方法的研究还处于起步阶段。利用地下洞穴处置/储存CO2的研究相对较少, 最理想的天然或人造地下洞穴是盐岩溶腔。由于盐岩CO2处置与盐岩能源 (石油、天然气) 储存面临类似的科学问题和技术难题。

1.1 盐岩CO2处置概况

近10年来, 对地下盐岩溶腔作为处置库封存后的THMC性能引起了越来越多的关注。SMRI自1996年开始将这个问题作为其核心研究项目, 开展了一系列的工作, 并得到了美国能源部的资助[5], 盐岩CO2处置封存作为下一个对盐岩溶腔的重要的利用也是其中之一。加拿大地质研究院以Alberta的Lotsberg层状盐岩层为研究对象, 分析了该处层状盐岩的基本力学特性、实施CO2地质处置的地质条件、可行性以及需要重点关注的基础研究。

1.2 盐岩CO2处置优点

国外研究表明, 相对于其他地下CO2处置方法, 盐穴处置CO2的优点有: (1) 造腔的卤水具有经济价值; (2) 盐岩具有低渗透性, 并且盐岩周围的岩石也会在相当范围内被成晶体的盐填充孔隙, 只有井筒和顶板出现裂缝才会成为CO2泄漏的通道; (3) 盐岩具有损伤恢复和自愈合功能; (4) 相对其他CO2地下处置方式, 盐穴中的CO2具有更集中的特点; (5) CO2的注入和排放率不受地下孔隙介质的影响, 仅与盐穴管道输送系统的能力有关; (6) 任何时候都可以对地下盐穴中的CO2进行快速的评价, 并且能够在未来提取高纯度的CO2进行利用; (7) 即使发生泄漏, 大部分CO2也会留存在地质介质中, 而不会突然进入大气层; (8) 近50年来盐穴地下能源 (石油、天然气) 储存库的研究为盐穴CO2处置积累了丰富的理论研究基础和工程经验。

2 CO2的海洋封存

2.1 CO2的海洋封存

海洋所固定的碳约为大气中的50倍, 是陆地生物圈所同定的20倍。已有研究表明, 海洋吸收了人类己排放CO2的30%左右, 且在长期尺度上大约85%的人类排放的CO2最终可被海洋所吸收。C02的海洋封存是指将捕获的CO2储存在深海或海床上以及海底沉积物之下, 使之与大气隔离的一种封存方式。

2.1.1 水体封存

由于CO2大气隔离的程度随水深的增加而增加, 通常认为将CO2注入到温跃层之是有效的。根据海底地形型及注入的方式, 液化的CO2可直接注入海水中或在海底形成CO2湖。液化的CO2被注入海水, 将溶解于周围的海水中, 成为为海洋碳循环的部分, 因此, CO2的海水封存的有效性取决丁注入的CO2是否完全溶解于海水中, 且不会在短期内返同到大气中而达到长期和人气隔离的目的。溶解于海水中的高浓度的CO2将增大海水的密度并形成羽状流, 如果注入足够的深度, 则液态的CO2可完全溶解于海水中, 或沉降到海底形成由液化CO2和CO2水合物构成的湖泊。

2.1.2 海底沉积物封存

由于海洋混合作用将导致注入的CO2最终再救释放创人气中, 为了确保深海洋流不将CO2携带到浅水区, 可将CO2注入到海底之下的沉积物中。Koide等 (1997) 是最早提出采用深海沉积物储存CO2的, 他们提出将CO2粘土-粉煤灰溶液和CO2 (I) 储存在几十米厚的海洋沉积物之下。他们建议了三种深度的沉积物来储存溶解的CO2, 即浅水区海底 (<300m) , 深海底 (300-3700m) 和超深海底 (>3700m) 。

3 CO2在采油和气过程中的资源化

一直到70年代, CO2-EOR技术以其适用范围大、驱油效率高等优势, 在世界各国受到广泛的重视。目前研究趋势是提高采收率和地质封存一体化。CO2-EOR过程受到孔喉大小分布、重力、润湿性和表面张力等因素影响, 采收率和注气效率也会有很大差别。

易混溶气体注入油层, 可以提高采油收率。研究发现CO2和乙烷作为部分混溶气体在注入过程中是以液相形式扩散, 这为以后的试验研究指明了方向, 即研究多孔介质内两相和多相流动状态。分别以不同的方式注入CO2, 得到石油采收率和CO2最终埋存量, 并对其进行比较。结果表明注入可以实现最优化, 同时油藏压力对于控制最优化参数也有很大的影响。利用油井水泥来增加注入井内CO2的埋存时间及提高采收率, 研究发现油藏的盖层影响埋存时间和埋存量。

提高天然气采收率CO2-EGR技术的主要原理是剩余天然气恢复压力法, 即将CO2高压注入地层并恢复地层压力。提高煤层气采收率的技术原理与CO2-EOR有些不同, 但与CO2-EGR比较相似。煤层因其表面孔隙具有不饱和能, 易与非极性分子之间产生范德华力, 从而具有吸附气体的能力。根据煤对不同气体吸附能力的差异, 来实施CO2-ECBM。

4 结语

研究表明, 只要封存地点选择得当, 设计和管理完善, 可以实现CO2的长期安全封存。CO2封存包括海洋封存和地质封存, 其中海洋封存包括将CO2直接溶入海水或封存于海底, 可以实现最快最大量的CO2减排, 但是CO2注入对海洋环境和生物的影响不确定, 海洋封存以其储量巨大、有效期长而最具有潜力, 目前处在研究阶段。地质封存是将CO2埋存在油气藏和煤气层等, 可以实现CO2永久封存, 同时也提高石油采收率 (EOR) 、气体采收率 (EGR) 和煤田采收率 (ECBM) , 形成双赢局面。目前来看, CO2封存也存在着一些问题和挑战, 一方面封存机理仍有待于进一步阐明, 封存技术也有待于进一步研究;另一方面, 捕获、压缩、运输、注入CO2的成本仍很高, 真正大规模的实际应用还需要一定的时间。

摘要：现代工业排放了大量的CO2, 为了缓解CO2造成的温室效应, 对CO2进行捕获并进行处置是减少CO2排放量的一个有效可行的措施。本文主要介绍了CO2的盐岩处置和海洋处置及在采油和采天然气中的资源化利用。

关键词：二氧化碳,盐岩处置,海洋处置,资源化利用

参考文献

[1] 崔振东, 刘大安.中国CO2地质封存与可持续发展[J].中国人口.资源与环境, 2010.3:10-13.

[2] HOLLOWAY S.Underground sequestration of carbon dioxide a viable greenhouse gas mitigation option[J].Energy, 2005, 30:2318—2333.

[3] ZHANG XIAO YU, CHENG JIAN MEI, LIU JUN.An overview of underground sequestration of carbon dioxide[J].Hydrogeology and Engineering Geology2006, (4) :86—89.