地球有巨大的能力封存能源生产中排放的CO2本文讨论了碳捕集、利用和封存技术及其面临的挑战
这是关于美国石油工程师协会（SPE）在能源领域的重大挑战的六篇系列文章中的第五篇，是SPE研究与开发技术部在德克萨斯州奥斯汀举办的2023年研讨会的成果。
在去年JPT的一篇文章中描述过，每个挑战将在本系列中单独讨论:地热能;零操作;提高致密/页岩资源采收率;数字转换；碳捕集、利用和封存;还有教育和宣传。
2019年，全球人为温室气体（GHG）净排放（主要是CO2和甲烷）达到近600亿吨CO2当量，其中能源相关排放贡献最大，接近400亿吨（IPCC 2022）。煤炭、石油和天然气工业的逸散性排放约为5.8%。图1显示了能源相关部门的全球排放量;煤炭、石油和天然气的使用是温室气体排放的主要来源。
在过去的15年里，可再生能源（太阳能、风能和水力发电）的发电量显著增加。然而，可再生能源目前只占一次能源发电量的15%左右。近80%的一次能源来自化石燃料：煤、石油和天然气，约5%来自核裂变。
美国能源情报署（EIA）预测，未来30年，可再生能源将从15%增长到27.6%左右（图2），但仅凭可再生能源本身无法满足人类的消费需求。化石燃料仍将贡献约68.5%。
我们如何在使用化石燃料的同时减少CO2的排放?
只有在相关的CO2能够被捕集、封存或再利用的情况下，化石燃料才能被使用。氢被设想为未来的清洁燃料，但所有所需的氢都不能来自电解（因为缺乏可再生能源的能力）;其中大部分将来自化石燃料，而化石燃料又必须在净零经济中辅以碳捕集。
CCUS有三个组成部分:碳捕集、运输和封存/利用。所需CCUS的规模决定了这三个组件需要同时开发，以成功部署该技术。例如，在运输和封存/利用运作之前，发电厂不能安装碳捕集装置。
发电厂的碳捕集技术有两个关键类别：燃烧后和燃烧前。燃烧后技术包括吸收、吸附和膜分离;这些技术也适用于其他点源。预燃烧技术可以是IGCC（综合气化联合循环）或全氧燃烧。在IGCC中，燃料首先在高压下与蒸汽气化，产生可用于发电的合成气，或者将合成气用于水转移反应，主要产生CO2和氢气。在全氧燃烧中，空气被分离成氧气和氮气，煤或天然气只与氧气燃烧。然后气态产物大部分是CO2，杂质分离后可以送去封存。
本文讨论的第一个技术是将CO2从其他气体（如氮气、氢气或碳氢化合物气体）中分离出来的吸收技术。它的发展很好，其中溶剂（通常是胺-水溶液）从气体混合物中吸收CO2，并将含有CO2的胺溶液通过一个汽提塔，在那里加热（主要是蒸汽）从溶剂中移除CO2，然后再利用（Rochelle 2009）。这项技术已有近100年的历史，最初是为了从天然气中分离CO2而开发的，现有的电厂可以用这种捕集技术进行改造。
该技术的主要缺点是汽提塔移除CO2所需的能量（单乙醇胺[MEA]的CO2约为8,776 kJ/kg）。它消耗了约30%的发电能量，降低了发电效率。许多商业溶剂已经开发并正在使用，例如单乙醇胺（MEA）、哌嗪（Piperazine）、KS-1（三菱重工）、Cansolv（壳牌公司）以及二甲醚和聚乙二醇（一种物理吸收剂）的混合物。捕集每吨CO2的成本约为55至80美元。正在开发利用电化学方法从烟道气中分离CO2而不是热量的新技术（Rahimi等人，2022年）。
第二种技术是吸附，使用固体吸附剂从气体混合物中吸附CO2。同样，加热或真空是用来解吸CO2从固体吸附剂。吸附剂通常是介孔载体或金属有机框架（MOF）材料上的活性炭、沸石或胺（McDonald etal . 2016）。MOF是由金属节点（离子或簇）与具有特定基团的有机连接剂配合而成的纳米多孔材料，用于捕集CO2。这些框架具有高表面积（5000 - 15000m2 /gm）。关键问题是减少解吸能量和水蒸气对吸附的影响。这是一种较新的技术，成本略高于胺吸收法。
第三种技术是膜分离，将气体混合物/烟气注入膜分离器，产生两种气流:一种是CO2含量较高的气体，另一种是CO2含量较低的气体。要达到所需的CO2纯度，需要一个以上的阶段。CO2溶解在膜中并扩散到低压侧。通常随着通量的增加，膜的选择性降低。正在开发新的材料，以提高选择性，同时保持通量。关键的挑战仍然是低通量和膜污染。
DAC过程包括吸收或吸附。空气中的CO2被吸收到碱溶液（如KOH）中形成K2CO3, K2CO3进一步与CaO反应生成CaCO3。CaCO3在高温（550 ~ 1100℃）下加热，称为煅烧，释放CO2（将被封存在地下）并回收CaO。
这是一个能源密集型的过程，每移除一吨CO2的成本估计约为300美元。固体吸附剂也正在开发中，以取代吸收，但每吨CO2的成本约为300至700美元。
DAC是目前正在研究的CO2移除技术之一，包括海洋CO2移除、强化矿化、生物质碳移除和再造林。为了广泛的商业应用，需要减少能源使用和CO2捕集的成本。
对于大型CCUS, CO2必须通过管道输送。如果CO2是干燥的（没有游离水），并且水蒸气含量低于30 lb/MMscf，则可以使用天然气管道中使用的相同类型的钢。这一点很重要，因为CO2中游离水的存在会导致碳酸的形成，从而导致钢管道的严重腐蚀。
CO2管道应在1300psi以上运行，因为在此压力下，CO2的密度呈液体状（约500 ~ 700kg /m3），粘度呈气体状（低于0.1 cP（厘泊））。因此，可以用泵代替压缩机来节省能源。
这些管道在美国由管道和危险材料安全管理局根据CFR第195部分进行监管。这种CO2管道在美国的一些地区存在，用于CO2-EOR（强化驱油提高采收率）项目。需要开发类似的区域管道网络（CO2中心）来连接点源工业和封存地点。
CO2可以用来制造化学品，但必须大规模生产（亿吨/年）才能对温室气体排放产生影响。目前CO2的使用量约为每年1亿吨，其中大部分用于石油和天然气行业的强化驱油提高采收率（EOR）。其他用途是生产尿素、碳酸钠、食品和饮料工业。其他化学物质可以由CO2制成，例如甲酸。全球使用最多的化学品是硫酸，其产量约为2亿吨/年（Bhown & Freeman 2011）。每年十亿吨级的CO2不太可能被用来生产有用的化学品。因此，有必要大规模开发CO2封存。
捕集的CO2可以封存在地下地层（沉积岩）中，需要加压和运输到地质封存地点，如含水层、枯竭的碳氢化合物储层和煤层。向地下地层注入高压（超临界）CO2并用水泥封井的技术是在过去50年的CO2提高采收率作业中发展起来的。每个储层都必须有一个密封层（盖层），注入的CO2不能通过，毛细压力必须超过浮力。这限制了连接的CO2塔的高度。全球总容量估计为8000至55000亿吨CO2（国际能源署2021年）。
通常情况下，将CO2注入1至2公里深的咸水层进行封存，而不产生任何卤水，这会增加咸水层的压力，并且必须保持在断层激活压力或裂缝压力以下。在含水层中，CO2通过四种机制被捕集:结构捕集（封存在储层上方）、毛细管捕集（残余CO2饱和）、溶液捕集（CO2在水中溶解）和矿物捕集（CO2与矿物和盐水反应，经过长时间形成碳酸盐矿物）。CO2封存已经在许多油田成功地进行了试验（例如，北海的Sleipner） （Singh et al.，2010）。
由于全球各地的含水层中都有大量的封存空间，因此含水层封存受到高度重视（IEA 2021）。含水层储水的关键挑战是确定其密封和断层特征以保证储水。地震分析可以对盖层和主要断层进行特征描述，但不能对次要断层进行检测。在潜在咸水层中钻探的井数量有限，因此岩心数据很少。CO2注入后必须安装长期监控。监测技术包括井内压力、地震监测、储层以上区域化学监测、4D地震监测等。泄漏的风险很小，但碳捕集与封存（CCS）的长期责任应在许可期间明确说明。
相比之下，在生产阶段，通过许多钻井，可以很好地表征枯竭的油气藏。无论是否有油气生产，都可以将CO2注入枯竭的油气储层。碳氢化合物的生产提供了收入，可以降低碳封存的成本，增加CO2的封存体积。这些储层的原始压力是已知的，CO2可以从衰竭压力注入到原始压力，而无需担心断层活化或带外裂缝。
为了封存CO2，已经在许多油田进行了CO2注入测试（例如，加拿大的Weyburn-Midale） （Wildgust et al. 2013）。在过去的50年里，为了提高采收率，在德克萨斯州西部的许多油藏都注入了CO2，没有发生过CO2泄漏的情况。据估计，油气储层的封存能力从9000亿吨到12000亿吨不等（Benson & Surles，2006）。有两个关键的挑战。许多老的油气储层位于陆地上，并且已经废弃，因此需要对老油井进行定位和密封，以确保永久封存。此外，土地所有者必须同意CCS项目。
地下有许多富含钙、镁、铁硅酸盐的岩石（如橄榄石、蛇纹石、硅灰石、玄武岩）。当这些岩石暴露于CO2和水中时，会发生热液反应，产生相应的碳酸盐（方解石、菱镁矿和siderite） （Gadikota et al. 2020）。这些碳酸盐代表CO2的最低能量状态，因此是CO2封存的最安全状态。如果岩石是多孔的，正在研究在原地进行矿化的过程;如果破碎的岩石可以被运送到排放地点，则正在研究在原地进行矿化的过程（O 'Connor et al.，2005）。McGrail等人（2017）在美国华盛顿州的Wallula玄武岩进行了成功的中试，证明了超临界CO2注入和大量玄武岩的快速矿化。Carbfix是冰岛的一个小型（12,000吨/年）商业项目，将CO2溶解在盐水中并注入火山地层以使CO2矿化（Snæbjörnsdóttir et al.，2020）。
目前全球CCUS产能为4100万吨/年，占全球CO2排放量的0.1%。要产生影响，这个行业必须在十年内增长数百倍；这既是机遇也是挑战。技术有了，但基础设施、经济激励、法规和公众意识还没有。如今，除了少数几个地方，不存在连接CO2捕集点、管道和封存库的区域供应链。CCUS中心必须通过整合资源，在几个排放国之间共享CO2的运输和封存，从而分散风险，从而利用规模经济。美国对CO2封存有税收优惠，如45Q，它们对CCS的影响是巨大的（Steele et al. 2021）。政府的政策应该清晰一致。最终，人们不得不以某种方式为CCS（一种废物处理过程）的成本买单。在CCUS得以大规模实施之前，公众必须意识到问题的严重性和实施解决方案的紧迫性。
作者Kishore K. Mohanty是得克萨斯大学奥斯汀分校希尔德布兰德石油与地球系统工程系的W.A. (Monty) Moncrief百周年石油工程首席教授。他的研究兴趣是碳捕集和封存、提高石油采收率和纳米技术。他曾获得多个SPE奖项，包括John Franklin Carll杰出专业人士奖（2022年）、SPE石油工程学院杰出成就奖（2016年）和AIME/SPE Anthony F. Lucas技术领导金奖（2013年）。他拥有印度理工学院坎普尔分校的学士学位和明尼苏达大学的化学工程博士学位。
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