陈 兵，白世星

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

随着全球经济的飞速发展，化石燃料的过度利用导致了CO2排放量日益增加，经科学家的长期研究，CO2等温室气体的过度排放是全球气候急剧恶化的主要原因[1]。为了改善地球环境，各国政府和国际组织投入了大量的人力、物力和财力开展CO2减排相关研究。CO2捕集与封存（CCS）作为一种新兴的减排技术，是将工业或其他排放源排放的CO2捕集分离后，输送至特定场地加以封存，以实现被捕集CO2与大气的长期隔离，是目前为止最行之有效的方法[2-4]。CO2输送是CCS技术实现的中间环节，该环节承担着将CO2从捕获地输送到封存地的重要任务，对整个CCS技术的成功运营起着至关重要的作用[5-7]。CO2封存是CCS技术的终止环节，是将输送的CO2注入特定场所与大气长期隔离，实现永久封存。本文通过分析CO2不同输送与封存方式的利弊，为CO2输送与封存提供理论依据。

1 CO2输送方式

CO2的输送与天然气的输送有许多相似之处，可以借鉴天然气的输送方式，主要有船舶运输、罐车运输以及管道运输等几种运输方式。从技术层面来讲，这几种运输方式都是可行的，但这几种输送方式各有利弊，且适用范围也不尽相同。

1.1 船舶运输

从目前来看，CO2船舶运输还处于开发试验阶段，世界上只有几艘小型的船只应用于食品加工行业。CO2运输船舶根据温度和压力参数的不同可分为三种类型：低温型、高压型和半冷藏型。低温型船舶是在常压下，通过低温控制使CO2处于液态或固态；高压型船舶是在常温下，通过高压控制使CO2处于液态；半冷藏型船舶是在压力与温度共同作用下使CO2处于液态。通常情况下，CO2船舶运输主要包括液化、制冷、装载、运输、卸载和返港等几个主要步骤。

在某些情况 （海上封存、驱油或输送至海外）下，由于受地域影响，船舶运输就成为了一种最行之有效的运输方法，不仅使运输更加灵活方便，允许不同来源的浓缩CO2以低于管道输送临界尺寸的体积运输，而且能够有效降低运送成本。当海上运送距离超过1000km时，船舶运输相比于罐车和管道运输更加经济实惠，输送成本将下降至0.1元/(t·km)以下[8]。但船舶运输同样存在许多缺陷：(1)必须安装中间储存装置和液化装置；(2)在每次装载之前必须干燥处理储存舱；(3)船舶返港检查维修时，必须清理干净储存舱的CO2；(4)地域限制只适合海洋运输。这些安装与操作将会增加输送成本。

1.2 罐车运输

到目前为止，罐车运输CO2技术相对比较成熟，且我国也具备了生产该类罐车和相关附属设备的能力。罐车输送有公路罐车输送和铁路罐车输送两种方式，两者没有本质的区别，但各自的适用范围不同。

公路罐车运输主要有干冰块装、低温绝热容器装和非绝热高压瓶装三种运输方式[9]。公路运输网比较发达，且运输罐车的机动性比较大，随时可以调度、装运，各个环节之间的衔接时间较短，所以公路输送具有灵活、适应性强和方便可靠等优势。但公路运输也有其缺陷：(1)一次性运输量小，且运输费用高；(2)在运输过程中，受气密性等条件的影响，CO2不可避免地发生泄漏，根据运输时间和距离的长短，其泄漏量最高可达到10%[8]；(3)公路运输安全性较低，且环境污染比较严重；(4)连续性差，不适合CCS等大规模工业系统。现有的CO2公路罐车运输只是应用于一些食品加工领域或规模的驱油实验中，还没有用于CCS系统的先例。

铁路运输相较于公路运输具有运输距离长、输送量大的优势，但铁路运输同样具有其自生的劣势：(1)同样具有不连续性且地域局限性大；(2)铁路沿线需装配装载、卸载和临时储存等设备，额外增加了输送费用；(3)若现有铁路不能满足输送条件，必要时还需铺设专门铁路，这样势必会提高CO2输送成本。2003年，德国学者Odenberger等结合德国当时现有铁路情况估计，在输送距离为250km的情况下，年输送100万吨CO2，每吨费用高达5.5欧元，介于这些特点，到目前为止，世界范围内还没有铁路运输CO2的先例。

1.3 管道运输

目前，管道输送技术比较成熟，自1972年Canyon Reef Carriers（CRC）公司第一条 CO2输送管道建成投产以来，国外已有40多年的输送经验。表1列举了国外部分CO2输送管道[8]。

表1 国外部分CO2输送管道Table 1 Some foreign CO2 pipelines

CO2管道可以输送液态、气态、超临界/密相等不同相态CO2，根据管道所处地理位置、输送距离和公众安全等问题选择最适合的输送状态。管道运输相较于罐车和船舶运输具有以下优点：(1)连续性强且安全可靠；(2)输送量大，运行成本低；(3)管道基本为埋地管道，占地少，节约土地资源，且运输不受恶劣多变天气影响；(4)泄漏量小，环境污染小。但管道输送灵活性差，也不能轻易扩展管线，有时必须通过船舶与罐车运输协助才能完成全部运输；输送过程中必须控制好压力和温度，防止出现相态变化，从而导致输送瘫痪；输送前必须提纯CO2纯度，避免杂质对管道造成腐蚀破坏。

2 二氧化碳封存

按照封存地或封存形态的差异，CO2的封存主要包含地质封存、海洋封存、矿物碳化封存和用于工业封存等四种类型[10-12]。目前所采用的封存方式主要是地质封存和海洋封存。其中，CO2的地质封存主要包含废弃油气藏封存、深层咸水层封存和不可开采煤层等。图1表示CO2主要地质封存方式。

图1 CO2主要地质封存方式Fig.1 Major geological sequestration methods of carbon dioxide

2.1 枯竭油气藏封存

油气藏经过一定时间的开发利用之后，在技术、设备、经济等条件的限制下，部分油气藏不能继续开采而废弃，因此，可以利用该部分废弃的油气藏封存CO2。CO2在油气藏中的封存量主要包括所占油气藏空间量、与岩石矿物反应量以及溶于原油和地层水量等几部分，即：

式中：M－CO2总封存量，m3；M1-CO2在油气藏所占空间封存量，m3；M2-CO2与岩石矿物反应封存量，m3；M3-CO2溶于原油和地层水封存量，m3。

枯竭的油气藏是目前为止最现实且最具操作性的CO2封存地。原因有很多：(1)这些油气藏经过数年的来发，其地质特征、油气属性和化学特性等特点相对了解，所以可以直接有效地应用于CO2封存；(2)油气在油气藏中数百万年的封存说明其具有良好的气密性；(3)安装在油气藏上的原有设备可以封存CO2。然而，利用废弃油气藏封存CO2也有其弊端。随着油气开发技术的进步与发展，经济条件与政策形式的变化，一些废弃的油气藏将重新具有开采利用价值，即这些废弃油气藏一旦注入CO2后，重新开采将变得十分困难，甚至根本不能开采，造成石油、天然气等不可再生能源的浪费。

2.2 深层咸水层封存

深层咸水层是指地下深部的沉积岩层，这些岩石的孔隙被层间水或含高浓度溶解矿物质的咸水所饱和，其中，这些水不适合农业灌溉和人类饮用[8]。CO2深层咸水层封存主要包括地层构造封存，孔隙残余CO2封存、溶解封存和矿化封存四种封存类型，其中溶解和矿化两种封存方式稳定，但从封存量来看地层构造封存和孔隙残余封存量更大。图2表示CO2在不同介质的被捕获机制与注入时间关系。

图2 CO2在不同介质的被捕获机制与注入时间关系Fig.2 Relation between capture mechanism and injection time of CO2 in different media

深部咸水层规模大且覆盖范围广，在全球范围内深部咸水层的CO2封存容量占总地质封存量的90%以上[13]。据调研，我国具有丰富的深层咸水层存储空间，且面积分布均匀、厚度深，存储量大，据统计其封存总量占我国地质封存总量的98%以上[14-15]。因此，深层咸水层封存被认为是目前为止最具前景的CO2地质封存方式。表2列举了部分地区深部咸水层CO2封存潜力估计量。

表2 深部咸水层CO2封存潜力估计Table 2 Estimation of CO2 sequestration potential in deep salt water layer

然而，就目前的研究进展来看，CO2在咸水层中的流动溶解状况、被深部咸水层“固化”能力大小、在地下咸水层中稳定封存年限以及可能产生泄漏、污染地下水源等诸多棘手问题仍没有解决。而且，根据国外的经验，利用咸水层封存CO2的技术难度以及周期建设和投资成本，要远高于衰竭油气藏。目前国内利用咸水层封存CO2才刚刚起步，尚缺乏必要的经验和理论依据。因此，对CO2咸水层封存过程中各种运输规律有待进一步研究。

2.3 不可开采煤层封存

不可开采煤层是指由于技术或经济原因而放弃开采的薄煤层、埋藏超过终采线的深部煤层和结构破坏严重的煤层。煤层具有双重孔隙结构（孔隙和劣隙），为CO2的封存提供了天然的场所。通常煤层表面吸附大量的CH4气体，将CO2注入不可开采煤层的过程中，由于煤层吸附CO2的亲和力大约是吸附CH4的两倍，所以CO2在煤层表面能够有效替换CH4。不可开采煤层封存法不仅能够封存CO2，而且能够大大提高CH4采收率，带来了一定的经济效益。世界范围内已广泛开展不可开采煤层封存CO2项目提高CH4采收率，如圣胡安盆地新墨西哥州北部的Allison项目。CO2一旦被煤层吸附就不易泄漏，除非煤层中的压力下降或者温度升高[16-18]。但是，CO2进入煤层气后发生溶胀反应，导致煤气层的空隙变小，CO2的注入会变得越来越难。并且CO2在煤层中的存储取决于煤层尤其是浅煤层未来的开发方案。因此，开发与继续储存的潜力可能会相互冲突。

2.4 海洋封存

目前，CO2的海洋封存的主要封存方式是通过船舶或管道将捕集到的CO2输送到深海或海底，形成固态的CO2水合物或液态CO2湖，从而达到CO2与大气的长时间隔绝[19-20]。海洋占地表面积的70%以上，其储存CO2能力大约是大气的50倍，陆地生物圈的20倍，是全球最大的天然CO2储存库。

海洋封存的潜力巨大，但同时也会对海洋生态系统造成较大的破坏，如海水表面CO2浓度增大，改变了海洋的化学特征，表层海水pH值下降等。此外，封存在海水中的CO2遇到温度和压力变化、海啸或地震很有可能从海水中溢出排放到大气当中，造成与CO2封存理念背道而驰的结果。因此，CO2的海洋封存需要注意CO2上浮溢出和局部海域酸化的问题。虽然海洋封存在理论上潜力最大，但是仍存在一些重要问题和挑战需进一步调研分析，目前仍处在试验研究阶段。

3 结束语

随着全球气候变暖问题日益严重，CO2的捕捉和封存（CCS）技术具备经济和环境双重效益，已成为了各国研究的热点，尽管目前CCS技术还没有得到大规模的商业应用，但发展非常迅速。据统计目前全球开展的CCS项目达250多项，我国的CCS项目发展也非常迅速，目前正在开展的CCS基础研究与技术示范重点项目有30多项。

当然，作为一种新兴的技术，CCS在技术、环境和经济等方面还存在诸多挑战。在技术上，CO2储量评估过程中需要考虑如不同时间段内CO2捕捉机制和迁移过程中不同物理相态变化等诸多不确定因素；在环境层面上，由于在技术上不能完全杜绝CO2发生泄漏的风险，因此大众非常关心泄漏后带来水质污染生态破坏等环境问题，且CO2在注入地质的过程中可能引起地震或断层等活动；在经济层面上，目前实施的CCS项目表明，还不能达到环境优化与经济效益共赢的目的。因此，笔者希望加快科技创新，积极探索运输与封存CO2的安全性能，早日完善CCS体系，能够有效缓解CO2带来的环境恶化问题。

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