二氧化碳捕集技術發展動態研究
摘要:介紹了近年來新興的二氧化碳捕集技術路線和國內外的有關研究項目。通過研究由清潔發展機制延伸出來的碳交易及其市場表明，在未來的幾十年中，碳交易將成為最大的貿易商品，并且能夠減少環境污染和產生較高的利益。
關鍵詞:二氧化碳捕集技術,碳交易,溫室氣體
近年來，溫室效應加劇等問題使環境與經濟可持續發展面臨嚴峻的挑戰。因此，引起溫室效應和全球氣候變化的二氧化碳的減排技術成為各國關注的焦點。美國等國家提出了一種二氧化碳的減排方法—二氧化碳捕集技術，目前這種技術主要是針對電站排放出的二氧化碳進行捕集。
當前全球發電行業所排放的二氧化碳占全球二氧化碳總排放量的40%，預計到2030年時，全球發電量將比現在增加一倍，如不采取有效措施，二氧化碳排放量也將隨之增長2/3。而在火力發電占絕對主導地位的中國，由于在發電過程中排放的二氧化碳大部分來自燃煤，因此在火電站中實現二氧化碳的捕集和儲存，對于實現溫室氣體減排更為重要。
1 二氧化碳的捕集和儲存技術
二氧化碳的捕集和儲存（Carbon Capture and Storage，CCS）是利用吸附、吸收、低溫及膜系統等現已較為成熟的工藝技術將廢氣中的二氧化碳捕集下來，并進行長期或永久性的儲存[1]。
目前，正在大力開發的碳捕集技術主要有3種，即燃燒后脫碳、燃燒前脫碳和富氧燃燒技術[2]。其中燃燒前捕捉技術只能用于新建發電廠，而另兩種技術則可同時應用于新建和既有發電廠。
1.1 燃燒后脫碳
燃燒后脫碳是從煙氣中分離二氧化碳。二氧化碳的收集法主要有化學溶劑吸收法、吸附法和膜分離等方法。當前最好的收集法為化學溶劑胺吸收法。胺與二氧化碳發生化學反應后形成一種含二氧化碳的化合物。然后對溶劑加溫，化合物分解，分離出溶劑和高純度的二氧化碳。由于燃燒產生的煙氣中含有很多雜質，而存在的雜質會增加捕集的成本，因此煙氣進行吸收處理前要進行預處理（水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等），去除其中的活性雜質（硫、氮氧化物和顆粒物等），否則這些雜質會優先與溶劑發生化學反應，消耗大量的溶劑并腐蝕設備。煙氣在預處理后，進入吸收塔，吸收塔的溫度保持在40℃～60℃，二氧化碳被胺吸收劑（一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺等物質）吸收，吸收劑在溫度為100℃～140℃和比標準大氣壓略高的壓力條件下得到再生。在目前的工藝條件下，溶劑再生以及為便于運輸而壓縮二氧化碳，都需要消耗大量的能量，因而會大大折減凈發電量。
1.2 燃燒前脫碳
燃燒前脫碳主要應用在以氣化爐為基礎 （如聯合循環技術） 的發電廠。首先，化石燃料與氧或空氣發生反應，產生由一氧化碳和氫氣組成的混合氣體。混合氣體冷卻后，在催化轉化器中與蒸汽發生反應，使混合氣體中的一氧化碳轉化為二氧化碳，并產生更多的氫氣。最后，將氫氣從混合氣中分離，干燥的混合氣中的二氧化碳含量可達15%～60%，總壓力2M～7MPa。二氧化碳從混合氣體中分離并被捕獲和儲存，氫氣被用作燃氣聯合循環的燃料送入燃氣輪機，進行燃氣輪機與蒸汽輪機聯合循環發電。這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲的煤氣化聯合循環發電（IGCC）。
1.3 富氧燃燒技術
富氧燃燒捕集是指燃料在氧氣和二氧化碳的混合氣體中燃燒，燃燒產物主要是二氧化碳、水蒸汽以及少量其他成分，經過冷卻后二氧化碳含量在80%～98%。通常，氧氣由空氣分離方法產生，少部分煙氣再循環與氧氣按一定比例進入燃燒室。使用氧氣和二氧化碳混合氣的目的是為了控制火焰溫度。如果燃燒發生在純氧中，火焰溫度就會過高。在富氧燃燒系統中，由于二氧化碳濃度較高，因此捕獲分離的成本較低，但是供給的富氧成本較高。另外，由于燃燒發生在低氮環境中，因而大大降低了氮氧化合物的生成量。
2 國內外的有關研究項目
2.1 美國“Future Gen（未來發電）”計劃
2005年12月，美國能源部與美國未來電力企業聯盟（Future Gen Industry Alliance）正式簽署協議，計劃建造世界上第一座集二氧化碳捕集和封存、發電、制氫于一體的研究性電廠。原型電廠建成投產后，將成為世界上第一座實現零排放的最潔凈的燃煤電廠。整個項目預計耗資10億美元建成一座275兆瓦的示范電廠。計劃2009年開始建廠，預計2012年完成。
Future Gen計劃是將煤炭用氧氣、水蒸汽氣化產生一氧化碳和氫氣，再將一氧化碳經變換反應生成二氧化碳和額外的氫氣。將氫氣和二氧化碳分離后，氫氣直接用于燃氣蒸汽聯合循環發電產生電力，而二氧化碳則泵送到幾千尺深的鹽水井中液化貯存（也可貯存在采空的煤礦井和枯竭的石油井中）。按美國的地質條件，用這種技術至少可貯存2.2萬億噸二氧化碳，相當于美國電廠年排放量的1000倍。煤中的硫、氮、汞等有害元素則制成固體廢渣，防止污染大氣。
2.2 澳大利亞Zero Gen項目
Zero Gen項目由澳大利亞昆士蘭州政府所有的電力公司Stanwell Corp牽頭，荷蘭皇家殼牌有限公司（Royal Dutch Shell Plc）和美國的通用電氣公司（General Electric Co.）提供技術支持。
Zero Gen項目旨在將煤轉化成富氫氣體和高壓二氧化碳，通過燃燒這種氣體來驅動一臺高效渦輪機發電，二氧化碳通過管道被輸送到約220公里以外的地方，然后被埋存于地下含水層中。該項目可捕集和埋存二氧化碳總排量的70%（每年可達42萬噸左右），它將成為世界上第一個通過結合煤氣化和二氧化碳捕集與儲存技術來生產低排放電力的燃煤發電示范廠。目前，該項目處于可行性研究階段。
2.3 澳大利亞“Kwinana”計劃
2007年5月，英國-澳大利亞礦業集團Rio Tinto和英國石油公司（BP PLC）公布了投資20億澳元（約合15億美元）在澳大利亞西部興建煤炭發電廠“Kwinana”的計劃。計劃將充分利用碳捕獲及埋存技術來減少二氧化碳排放，每年將有400萬噸的二氧化碳被安全存放于海底巖層中，這將是第一個將二氧化碳埋存于鹽水層的氫燃料電力項目。該項目最終的投資決策要到2011年才能完成，運營要在決策完成后的3年之后開始。
該項目將柯林斯（Collie）地區生產的煤炭進行氣化，產生氫氣和二氧化碳。氫氣將成為發電廠的燃料氣，而90%的二氧化碳將被捕獲并永久地埋存于地下的巖層中。該項目的氣化設備和電廠將坐落于佩斯市以南45公里的Kwinana，比鄰BP的煉廠和力拓公司的HIsmelt（直接熔融還原煉鐵）工廠。電廠的低碳電力生產能力將達到500兆瓦，可以滿足50萬居民用戶的電力需求。
2.4 中國“綠色煤電公司”
2005年12月，由中國華電等能源、投資國有大企業聯手組建的以研發、建設、運營我國第一個擁有自主知識產權的近零排放的“綠色煤電”示范電站為最終目標的綠色煤電有限公司宣告成立。新公司計劃對二氧化碳進行收集和封存的煤基能源系統進行研究。這一項目建設投運后，中國企業將首次具備自主設計、建造、運行大型煙氣二氧化碳捕集裝置的先進能力。
該項目設計的二氧化碳回收率大于85%，年回收二氧化碳能力為3000噸，分離、提純后的二氧化碳純度達到99.5%以上，可用于食品行業。該項目在2008年奧運會前建成投運后，華能北京熱電廠成為我國第一家同時具有煙氣脫硫、脫硝、二氧化碳捕集設施的高效、節能、綠色環保燃煤電廠。
2.5 其它項目
殼牌公司參與合作的位于挪威Halten島的項目是目前在海上埋存二氧化碳并用它來提高石油開采率的最大項目，Halten項目將解決挪威中部地區的電力短缺問題，并能使二氧化碳排放量每年減少250萬噸。目前該項目處于可行性研究階段。
力拓公司和英國石油正在海上進行地震研究，以便更深入了解將用以掩埋二氧化碳的巖層，這個項目的規模將是Zero Gen的5倍。
澳大利亞海上的Gorgon油田，預計2010年投產，將把二氧化碳注入對環境敏感的Barrow島下面的低滲透鹽層。
澳大利亞正在開展Callide項目，該項目與日本等國家進行合作，對一個20世紀60年代建造的4臺30MW的電站進行改造，利用2臺330t/a的空分系統提供氧氣（98%），每天可回收75tCO2。項目計劃4年內完成。
荷蘭海上的K12b項目，將把二氧化碳注入一深層衰竭高壓/高溫氣田；美國正在Jame Stone電廠示范50MW循環流化床的富氧燃燒系統，并計劃于2013年放大到400M～600MW；德國從2006年5月開始動工建造一個30MW的富氧燃燒電站，據報道該項目已經開始運行；Total公司正準備在法國Lacq電廠完成一個30MW的項目，并計劃2009年開始示范運行；三井巴布公司正在建設一個40MW的富氧燃燒項目，計劃在2009年前進行運行[3]。
3 碳交易
碳交易（即溫室氣體排放權交易）也就是購買合同或者碳減排購買協議（ERPAs），其基本原理是，合同的一方通過支付另一方獲得溫室氣體減排額。買方可以將購得的減排額用于減緩溫室效應從而實現其減排目標。
3.1 碳交易分類
通常來說，碳交易可以分成兩大類：一是基于配額的交易。買家在“限量與貿易”體制下購買由管理者制定、分配（或拍賣）的減排配額，譬如《京都議定書》下的分配數量單位（AAU），或者歐盟排放交易體系（EU ETS）下的歐盟配額（EUAs）。二是基于項目的交易。買主向可證實減低溫室氣體排放的項目購買減排額。典型的此類交易為CDM以及聯合履行機制下分別產生核證減排量和減排單位（ERUs）。
3.2 碳交易市場
《京都議定書》規定，發達國家可以資金援助和技術轉讓的方式，在沒有減排指標的發展中國家實施環保項目，通過購買經認證后的減排量，來履行減排義務。通過這種方式形成的市場運作機制一般被稱為清潔發展機制（CDM）。它是《京都議定書》框架下三個靈活的機制之一。
由于資本的連接，由清潔發展機制延伸出來的碳交易，快速點燃了全球范圍內的銀行、基金、政府及各類公司的熱情。尤其亞洲是清潔發展機制下減排額的主要供應區，而中國則更是這個供應區域的主力。因此，我國將會成為最活躍的碳交易市場之一。
我國首個煤層氣CDM項目瓦斯綜合利用電廠—安徽淮北礦業集團海孜煤礦瓦斯電廠自正式投產以來，已累計利用瓦斯1400萬m3，減少二氧化碳排放19萬噸。
復興碳基金與皖北煤電集團簽下了總量約為30萬噸的減排額收購協議，以每噸9歐元的價格購買皖北煤電祁東礦瓦斯電減排指標，而這些指標在國際碳交易市場上的價格是每噸15～20歐元。隨后，復興碳基金又與甘肅省蘭州市的一家煤電企業洽談CDM項目，整個項目的標的是5萬噸，減排額度與皖北煤電簽訂的協議相似。
3.3 碳交易市場現狀與展望
碳交易市場以二氧化碳等廢氣為紐帶，在發達國家和發展中國家之間流動的資金規模每年達上百億美元。據了解，目前全球碳交易市場年均交易額已達300億美元。
市場上溫室氣體排放量的交易可能會超越傳統的商品市場，成為最大的貿易商品。美國的碳排放市場潛在的規模和范圍將會擴大是毫無懸念的，據世界銀行估計，美國商品期貨貿易委員會2008年碳商品交易總值約6400億美元，大部分的交易（約5000億美元）是在歐洲聯盟的排放權交易制度下進行的，剩下的部分是在京都議定書下進行的，但美國一直沒有批準該協議；中國目前占據全球超過半數的碳交易量，并成為全球最活躍的碳交易市場之一。同時，碳交易也推動大量資金涌入中國，據專家預測，到2012年，流入資金將達200億美元，屆時，中國的碳交易將形成一個交易金額每年達數百億美元的大市場。
4 二氧化碳捕集發展展望
中國作為一個發展中國家，主要以煤炭的消費為主，主要的CO2排放源為燃煤的發電廠。從總量上看，目前我國的二氧化碳排放量已位居世界第二；預計到2025年，我國的CO2總排放量很可能超過美國，位居世界第一[4,5]。因此，我國亟待需要對所排放的二氧化碳進行捕獲研究，以緩解我國的空氣污染壓力。
高成本將是阻礙二氧化碳捕捉和埋存技術市場化的一大障礙，新建發電廠將因此增加30%～50%的成本，改造已有發電廠也會大幅增加發電廠的發電成本。目前的價格對于中國發電企業來說還是難以承受的，但中國新建發電廠在未來規劃中應當對這項技術有所準備，留出一定面積的土地作為儲備。商業化后的二氧化碳捕捉和埋存技術的價格必然下降，而且隨著國際和中國國內節能減排的發展，這類技術必將得到廣泛應用。
參考文獻：
[1] 孫欣.燃煤電廠二氧化碳捕集與儲存技術[J]. 世界煤炭，2008，34：96-99.
[2] 巢清塵，陳文穎.碳捕獲和存儲技術綜述及對我國的影響[J]. 地球科學進展， 2006，21：291-298.
[3] 黃斌，劉練波，許世森，等.燃煤電站CO2捕集與處理技術的現狀與發展[J]. 電力設備.2008，9：3-6.
[4] 秦大河.中國氣候與環境演變 [M]. 北京：科學出版社，2005.
[5] 國家氣候變化對策協調小組辦公室，中國21世紀議程管理中心.全球氣候 變化—人類面臨的挑戰[M].北京：商務出版社，2004.
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