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负责任的燃煤发电:二氧化碳捕集和埋存

琼•吉宾斯认为,有效和安全捕集和储存二氧化碳污染的技术正在快速地发展,但现在不进行有效的预备,将会失去重要的机会。
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世 界正面临着一个巨大的挑战:如何生产我们需要的能源而不会对子孙后代的生活环境造成破坏。二氧化碳捕集和埋存(下称“碳捕集和埋存”)是实现我们责任的关 键,因为这种技术的运用,能够捕集来自煤,石油,天然气等化石燃料燃烧产生的二氧化碳,并实现在地层深部埋存,防止二氧化碳排放到大气中。欢迎大家进入“碳捕集和埋存”的世界。

二氧化碳捕集能够在所有现代的发电厂进行,包括传统的蒸汽锅炉,和未来将要建设的煤气化联合循环机组。蒸汽锅炉使用“燃烧后捕集”系统,该系统使用不断循环的溶剂,在排放物到达烟囱前清洗出二氧化碳。目前,燃烧后捕集的先进技术是通过改进成熟小型的捕集机组发展起来的,在过去半个世纪里,小型捕集机组为饮料,干冰,灭火器等其他工业生产二氧化碳。

“燃 烧前捕集”系统应用于气化炉为基础(如联合循环技术)的发电厂,通过气轮机燃烧煤气与水蒸汽反应产生的氢气,实现发电并防止二氧化碳排放。目前,用两种系 统的新建发电厂有类似的预期性能和成本。从长远考虑,其他类型的碳捕集系统可能会被试验,看看是否能够实现比两种成熟系统更佳的性能。当中,氧燃料燃烧捕 集系统(
Oxyfuel) 可能是最有名的,这种技术需要分离出用于燃煤的纯氧(纯氧与循环二氧化碳混合达到近空气的比例再进入燃烧室),产生接近纯净的二氧化碳,无需要太多额外的 捕集过程。另一方面,有很多方式能够改良现在的燃烧后捕集和燃烧前捕集系统。因此,伴随着所有新的捕集技术,工业界有大量的机会去生产更好的产品来取得碳 捕集的市场,用户也将受惠于有许多供应商选择的竞争环境。

总有人认为“捕集需要耗钱”是碳捕集埋存技术的毛病。如果使用现在的技术,捕集需要大约25%的额外燃料和购置额外的设备。这将增加30%到40%的发电成本。额外的成本看起来似乎很多,但平均下来,每吨二氧化碳的减排成本需要25至30欧元(相当于250至300人民币),在去年冬天欧盟排放权交易市场就曾经达到这个价格水平。尽管现在的欧洲排放交易的碳价格稍微低一些,但为中国的碳捕集项目提供资金,确实是一个弥补和减缓全球其它区域排放的有效方法,特别是当技术通过项目得到改良和实现捕集成本的下降。长远的关键是通过国际的共识和协定来进行可持续和有效的减排。

另一种为碳捕集和埋存融资的方式,至少是在最初阶段,可以通过提高石油采收率实现。当二氧化碳被加压为液态,能够放入地下石油或天然气田当中。在油田中,二氧化碳能够帮助把滞留在岩石孔中的石油冲洗出来,而其它方式是无法实现的。在美国,用于提高石油采收率的二氧化碳价格现在大约是20美元 (160人民币) 每吨。中国石油和中国海洋石油现在正在为类似的二氧化碳提高石油采收率在中国的潜力进行考察。 当旧的石油和天然气盆地能被证实二氧化碳的密封存储能力,提高石油采收率能够带来额外的收入来源。而中国乃至全球的大部分潜在的二氧化碳储存能力是在地下一千米或更深的含盐水层。其中的一个在北海,已经实现每年成功地储存一百万吨来自挪威Sleipner天然气田的二氧化碳,而且只需要一根注射管道。

正 当我们期待着气候变化的必要政治过程使碳捕集和埋存成为一项有潜力的市场化服务,西方的政府已经着手与中国合作来寻找在中国的合适的场地配合最佳储存地点 建设第一家二氧化碳捕集工厂。数据一是来自澳大利亚的初步结果;这项工作将会与中国和国际的地质学家团队继续完成。而在英国在2005年轮任欧盟主席国期间,建立里“英国-欧盟-中国燃煤近零排放项目”,该项目计划建立一个联合设计和建设的发电厂,并于2014年之前开始二氧化碳捕集的运作。另外,与欧洲以及在一些多边的协议和框架下,还有很多与碳捕集和埋存有关的科学研究和能力建设项目,而且数量在显著地上升。

数据一、中国的二氧化碳集中源和潜在的深层地质储存区域

 

(来源:Newlands, I.K., Langford, R., 2005. CO2 Storage Prospectivity of Selected Sedimentary Basins in the Region of China and South East Asia, Geoscience Australia, Record 2005/13. 223pp.)

中 国能够沿着西方的发展方向通过对新建的发电厂进行“捕集预留”。这意味着在设计阶段包含一些简单和不昂贵的改良(原则上选择合适而且容易运输到地质埋存区 域的场地),使得捕集设备将来能够被改装而不需要付出很高的代价。在欧美的电力企业已经开始在其国内对新建的发电厂进行捕集预留,来保证他们将来能够使用 碳捕集和埋存技术来防止昂贵的二氧化碳排巨额罚款。

另一个适合碳捕集的能源相关发展是引入新的方法来使用低碳能源,电力和氢气。尽管二氧化碳在生产的过程中被捕集,从煤制造合成的汽油和柴油仍旧导致煤的一半碳以二氧化碳形式排放到大气。相比之下,如果使用来自燃煤的电力车辆,或者嵌入式的混合燃料车辆,或者使用来源于煤的氢气,并在燃煤过程进行碳捕集和埋存,煤当中仅仅10%的碳会被排放到大气中。低碳排放能源的广泛使用,短期内减少了对昂贵的石油和天然气的需求。这些低碳排放能源既能够来源于一系列的非化石能源如核能再生能源,地热,也可以来自实施了碳捕集的化石燃料工厂。这就允许了同样的汽车技术能够在广阔的市场销售,而且引入碳捕集来解决气候变化不会产生影响。

某 种意义上,捕集数以十亿吨的二氧化碳然后注入地底具有挑战性,看起来像不可能。这是因为全球的能源系统非常庞大。对于发电厂来讲,碳捕集的需要的是一些额 外的设备:体积大但比现有蒸汽和燃气轮机要简单和便宜。气候变化的关注与共识正在增长,倘若我们在被强迫进行全面减排前行动起来,抓住一去不返的机遇,现 在就积累碳捕集和埋存的经验,以及使所有的新电厂“捕集预留”,二氧化碳捕集和埋存将能够成为化石燃料厂的一个标准部分。

 

作者简介: 琼·吉宾斯博士在伦敦帝国理工学院,机械工程系,能源技术及可持续发展研究组。他是英国碳捕集埋存联盟的发起人和主管。

首页图片由Bret Arnett

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