二氧化碳地下儲存的可行性分析

由于人類和整個地球環境系統可能造成的破壞，世界各國引起了廣泛的關注。CO2的排放導致大氣中(CO2含量升高,產生溫室效應。二氧化碳是主要的溫室氣體,大約占溫室氣體總量的65%,其他溫室氣體是甲烷、各種氮氧化物、臭氧、氟里昂、一氧化碳等。據《世界能源1996—1997》報道,全世界CO2工業排放量最高的15個國家(見表1)中,按人均排放量計算,我國居第14位,排放總量居世界第二位。為了遏制全球增暖趨勢,京都協議提出了發達國家減少CO2排放的指標。由于溫室氣體的減排直接影響到一個時期國民經濟的發展,因此,圍繞溫室氣體的減排問題成為國際政治和外交談判中涉及國家經濟發展的重大問題。多年來發達國家的科學家積極尋找未來的潔凈能源,評估它們能提供的不含CO2能源的能力及其潛在的商業應用前景。同時,國際科技界已經提出了CO2地下儲存的科學設想,并且開展了若干實驗。本文試圖對這一問題作一探索。1轉移了歐盟、歐盟和歐洲1997年聯合國在日本京都召開的氣候會議上,經過辯論確定在全球減少排放二氧化碳的目標,制定了相關協議,規定發達國家在2008—2012年將溫室氣體的排放量相對于1990年的標準減少5.2%。其中,整個歐盟將減少8%、美國7%、日本6%、加拿大6%、東歐5%—8%的排放。為達到這—一目標,一些歐盟成員國(如德國)需要減少的排放比平均數還要高,丹麥的《能源21》計劃目標是到2005年溫室氣體排放相對于1998年減少21%。2002年11月在南非約翰內斯堡舉行的世界可持續發展會議上,朱镕基總理宣布中國政府已經批準了京都協議。美國政府自布什總統上臺后,考慮到國家的經濟利益而不愿承諾減排義務。2發展石化燃料絕大多數排放的CO2是由于使用化石燃料引起的。目前,化石燃料對任何一個工業化國家都是重要的能源,不可能簡單地取消。因此迫切需要研究能夠減少CO2排放量而又不降低生活水平的方法。根據分析測定,利用水力、風力、生物能、太陽能或地熱能等可再生能源替代煤、石油和天然氣等燃料,淘汰所有排放二氧化碳的能源是最為理想的選擇,然而這種想法是不現實的。因為即使可再生能源的發電量迅速增長,也滿足不了經濟迅速發展的需要。根據歐盟有關部門的測算,可再生能源的份額在1990年占能源總量的4.6%,到2010—2015年增加為8%—9%,那時化石燃料仍將提供約80%的能源消耗,其余的由核能提供,整體能源消耗同期預計將增長約18%—20%。最近,德國、英國、瑞典等國議會先后制定了終止核能發電的決定,更長遠計劃是廢除核能發電設備。按照現在的工業發展能力,要保持或提高生活水平,化石燃料就更不可能放棄,必將更多地用于滿足不斷增長的能源需求。所以研究減少二氧化碳排放的新方法,就顯得非常重要。那么,哪些是使用化石燃料、排放二氧化碳的主要產業呢?火力發電廠是排放二氧化碳的最大行業。火力發電廠燃燒化石燃料后排放的CO2占全球燃燒同種燃料排放量的30%,大約占全球人類活動排放CO2的24%。除火力發電廠外,建材、陶瓷、水泥、玻璃、冶金及石油化工等行業也燃燒化石燃料,但是排放的CO2數量相對較少。一座50萬kW的硬煤發電廠每年約排放400萬噸的CO2。1990年整個歐盟火力發電廠排放的CO2大約9.5億噸,這是京都協定書的參考標準。化石燃料的燃燒是在鍋爐等工業設備中進行,這樣就比較容易在管道系統中把CO2分離和富集。所以,比較切實可行的辦法,是首先處理從燃燒化石燃料的發電廠排放的CO2。交通運輸也是排放CO2的主要行業,大約占總排放量的三分之一。交通運輸行業所排放的CO2是由成千上萬輛機動車產生的,這些CO2很難統一捕集。要減少機動車排放的CO2,最有效的辦法是使用其他燃料代替汽油、柴油或天然氣。綜上所述,從火力發電廠、煉油廠、化肥廠等工廠的煙道氣中回收CO2進行地下儲存,是減少CO2向大氣排放的有效途徑。發達國家對從燃煤電廠排放的煙氣中回收CO2及地下儲存的可行性進行了廣泛的研究。火力發電廠燃燒的化石燃料主要有煤炭、石油、天然氣等,不同的燃料對發電廠排放CO2的數量有重要影響。表2的數據表明燃燒褐煤排放的CO2是天然氣的一倍多。地下儲存CO2的溫度/壓力條件是35℃/11MPa。從普通電廠排放、未經處理的煙道氣僅含大約3%—16%的CO2,可壓縮性比純的CO2小得多。從燃煤電廠出來經過壓縮的煙道氣中CO2含量為15%,在這樣的條件下儲存1噸CO2大約需要68m3儲存空間。如果能將煙氣里的CO2分離,并且經過壓縮,在35℃和11MPa的條件下它是一種超臨界的流體,每噸大約只需要1.34m3的儲存空間。所以,和壓縮的煙氣相比,處理純的CO2所需的儲存空間大約只有煙氣的1/50,因此把CO2從煙氣里分離出來,才能充分有效地對它進行地下處理。目前,比較成熟的處理技術是儲存在距地面800m或更深的地方,地熱梯度為25—35℃/km,壓力梯度為10.5MPa/km,分離的CO2將處于超臨界狀態,它的濃度變化范圍為440—740kg/m3。因此,在多孔和可滲透的儲存巖層中,不需要特別的壓力條件就可以儲藏CO2。3圖像地下儲存通常,在地底的溫度/壓力條件下,分離的CO2沒有像水那樣稠密。為了防止CO2在自身的彈力作用下返回地表以及往別處遷移,需要密封整個儲存空間,時間跨度至少數千甚至上萬年。利用常規地質圈閉構造和非常規地質圈閉構造來儲存都是有效的方法。常規地質圈閉構造包括氣田、油田和不含烴的儲氣層(含水層)三種,對于前兩種,由于熟悉已開采油氣田的構造和地質條件,所以利用它們來儲存CO2就比較合算。利用含水層儲存有兩個優點:一是含水層的圈閉構造比油田和氣田更普遍;二是在含水層中可能有一些適于儲存CO2的巨大儲氣構造。此外,還有把CO2埋藏在地下深部煤層,增加煤層氣產量的方法。非常規地質圈閉構造的處理包括海上與陸地兩部分。試驗證明海上密封儲存CO2是可行的,例如在北海有許多巨厚的含水層,它們在大范圍內都是水平的,這些含水層的面積大,滲透性好,蘊藏著儲存CO2的巨大潛力。地下儲存CO2的過程是CO2溶解、轉化的過程。處于超臨界狀態的CO2相對不活潑,不會和儲氣層的巖石反應,因此不會被固定成為碳酸鹽礦物。但是如果在富鈣地層水的環境,由于增加了CO2的含量,就可能形成方解石和其他碳酸鹽的沉淀,這樣的化學反應為我們提供了一種在地下固定CO2,實現永久儲存的途徑。Bowker等開展的CO2灌注實驗表明,碳酸鹽礦物沿著與更加貧化的膠結巖石相應的管道溶解。因此,根據巖石構造和礦物動力學,碳酸鹽礦物在灌注鉆井附近或者在儲氣層范圍內首先溶解,它的溶解速度比硅酸鹽更快。把CO2運送到埋藏地點的最可行辦法是利用管道輸送,在10MPa和10℃條件下將CO2壓縮成液體傳輸。美國為提高原油采收率,采用遠距離輸送高壓液態CO2,最長的輸送管是綿羊山脈(SheepMountain)運輸管道,它將南克羅拉多州的CO2運至得克薩斯的二疊紀盆地,距離656km。運輸管道的花費主要決定于管道的長度,大約每公里1至2百萬歐元。CO2輸送管道的最大直徑約為1米,每小時可以運輸2500噸CO2。目前的技術已經達到1000米的深度。據估計,歐洲至少有7000億噸CO2可以被隔離在地下儲氣層中,而保守的估計是632.9億噸。CO2的地下儲存技術已受到發達國家政府、科技和產業界越來越多的關注和重視,從1996年開始,在挪威北海的Sleipner油田每年把100萬噸CO2注入到900m深處的鹽水飽和砂層中;加拿大從2000年10月開始,每天通過管道把大約5000噸或9500萬標準立方英尺的CO2,從美國NorthDakota州的火力發電廠輸送到位于WillistonBasin盆地的Weyburn油田,并灌注到早石炭世碳酸鹽巖儲層中,以提高石油采收率,同時又使部分CO2被永久地儲存下來。這些實驗說明,CO2的地下儲存(或隔斷)是減少CO2排放極具潛力、并能在經濟發展與環境保護上實現雙贏的有效方法。4地下儲存風險和預防措施地下儲存CO2的好處是可以把它有效地隔離在地球深處,但是地下隔離的負面效應依然存在,主要表現在:4.1灌注系統所造成的破壞如果將1億噸CO2(相當于一座裝機容量為50萬千瓦的火力發電廠25年內排放的CO2總量)儲存在地下,假設這些CO2從儲氣層中逃逸并在很短的時間里到達地表,就可以形成約50km3的“云層”,覆蓋的面積大約為18000km2,厚度3m,將會造成最不幸的事件。但這種災難發生的可能性很小,因為灌注系統的限制,不可能短時間內使20年內所灌注的CO2都逃逸掉。同時CO2的快速膨脹導致形成干冰,干冰阻礙CO2的泄漏,減緩釋放的速度。CO2灌注到海底所造成的破壞,比逃逸到陸地地表造成的破壞要小得多,主要的影響是在靠近逃逸處海水pH值降低,減少海水密度,引起過往輪船的短暫災難。為了防止儲存CO2的逃逸,首先必須對儲氣層蓋層的滲透性與完整性、CO2儲存區的斷層性質、分布及其封堵能力進行詳細的研究和評估,同時對灌注區地表土壤層氣體成分和變化進行定時觀測,并進行可能引發地震的監測。另外,還需要對現在和古含水層補給區和流體運移的情況進行研究,查明它們與儲氣層連通狀況,以便對CO2逃逸的風險性進行評估,使其降低到最低程度。4.2泄漏共同移動污染物對地下水質量的影響許多微量元素在地下水中的富集程度隨著酸度的增加而增加,地下水含有多種組分,同時存在多種可能的污染物,如微量元素、有機酸、石油、有機氣體和液體石油等。隨CO2泄漏一起移動的污染物對地下水質量的影響包括以下幾個方面:(1)在陸地上儲存CO2時,最可能出現的問題是由于泄漏導致CO2進入飲用地下水的補給層;(2)碳酸鹽礦物和鐵氧化物對砂巖和碳酸鹽含水層的地下水質量有重要的控制作用;(3)CO2泄漏可能引起重金屬污染物從礦體進入附近的飲用地下水補給層;(4)即使從地下儲藏點泄漏出少量的CO2,也可能造成飲用地下水質量的重大破壞,詳細掌握古含水層和現在的補給區、排泄區以及含水層與CO2儲層連通狀況,可有效地降低此類風險的發生。4.3地震災害與現場監測的技術難點大量CO2注入沉積層或斷裂巖石后改變了它的力學狀態,儲氣層里或附近高的孔洞壓力可以誘發微小的地震,甚至發生破壞性地震。研究誘發地震包括地震災害評估與現場監測儲氣層的動力學行為,這兩個方面都需要仔細檢測儲存地點的條件,包括歷史上地震活動、區域的地質結構研究、臨界液體壓力評估和區域的預灌注地震監測,以確定“零狀態”地震活動。如果是使用已經開發過的油氣田,還應該測試它所發生的變化,可以安裝地下和鉆井傳感器來監測誘發地震。4.4儲氣層壓力隨構造壓力變化引起的沉降影響地面沉降或升高的因素包括:結構層厚度、結構層的深度和上覆地層的特征。對灌注CO2來說,只需要考慮流體壓力的增加,不考慮壓力變化引起的沉降。只要最大儲存壓力小于上覆地質靜壓力,就意味著鉆井的儲氣層壓力低于原來的構造壓力。在構造壓力下很大的儲氣層中,任何構造壓力的減少都會誘發斷層,導致地表向上抬升或向下錯斷。沉降的另一個原因是儲氣層巖石的溶解。如果含水的CO2腐蝕了巖石結構,在上覆結構層的重力作用下,儲氣層會被壓實,在多孔的碳酸鹽巖石中尤其要關注凝結問題。5積極開展碳一體化技術體系建設近年來,歐美國家已經開始把火力發電廠排放的CO2進行地下儲存的實驗。2002年11月,美國能源部宣布在西維吉尼亞新港口美國電力能源公司(AEP)的山頂電廠開展為期18個月,利用地質學方法存儲CO2的研究項目。AEP提供所屬的山頂電廠進行試驗,該廠位于俄亥俄河流域,以煤為燃料,發電量130萬千瓦。在俄亥俄河流域,飲用水層位于地下100m以淺,而深部咸水層位于地下800—4000m。地質學家認為飲用水層與咸水層之間巖石的不可滲透性能阻擋CO2的向上運動,深部咸水層可用于儲存CO2,而不會污染飲用水。該項目最需要解決的問題是咸水層以上的巖石是否足夠堅實,不會破裂,從而保證CO2不會逐漸泄漏。2003年2月歐盟委員會資助的“二氧化碳儲存”(CO2STORE)研究項目開始啟動,為期3年,將在丹麥、德國、挪威與英國開展儲存發電廠排放的CO2新儲集區性質的研究,包括儲集區的地質特征、地球化學模擬、CO2在儲集層長期儲存的行為等。我國是世界上煤炭生產和消費的大國,煤炭資源儲量和產量均居于世界前列,由于石油和天然氣資源有限,21世紀的主要能源仍然是煤炭。最近,歐盟的一個研究小組發表了“世界能源、技術和氣候政策”研究報告,預測從現在起到2030年世界各國CO2的排放量,認為到2015年我國與美國的排放量相等,2015年以后將超過美國,成為世界上C02排放量最大的國家(見圖1)。盡管從人均CO2排放量計算,我國在世界的排名不可能居于前列,但是研究減少CO2排放而又不降低生活水平的問題非常必要。根據我國的國情,要保持和提高人民的生活水平,化石燃料將會更多地用于滿足不斷增長的能源需求。所以,采取積極的態度,就是首先考慮把工業過程產生的CO2與環境隔絕開來,儲存到地下,不讓溫室氣體影響人類生存的地球。沈平平等根據我國石油資源的現狀,曾經提出利用工業CO2廢氣開采低滲透油田的設想。張中祥多年來比較系統地研究中國的能源政策和CO2減排的措施,同時提出發展中國家也應該努力實現京都議定書規定的目標。我們建議,中國應該開展CO2地下儲存的研究,運用地質學、地球化學、地球物理學、海洋地質學的理論,研究二氧