□趙黎黎

(山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

山西省二氧化碳地質(zhì)封存與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究

□趙黎黎

(山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

加強(qiáng)我省碳減排工作的開展，不僅是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的迫切需要，也是我省建立綜改試驗(yàn)區(qū)，走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇。本文分析了二氧化碳排放、捕獲及封存技術(shù)的基本知識(shí)以及對(duì)山西可持續(xù)發(fā)展的重大意義，指出了山西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中二氧化碳地質(zhì)封存存在的問題等。

二氧化碳地質(zhì)封存；可持續(xù)發(fā)展；碳減排

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，溫室氣體排放量日益增多，并已逐漸成為國際社會(huì)共同關(guān)注的問題。溫室氣體中最主要的氣體是二氧化碳，為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖給人類社會(huì)帶來的不利影響，全球開始掀起全面控制二氧化碳等溫室氣體排放的一系列舉措。據(jù)挪威的奧斯陸國際氣候與環(huán)境研究中心(CICERO)預(yù)計(jì)，2016年我國二氧化碳累計(jì)排放量將達(dá)到1464億噸，將超過美國的1462億噸，躍居首位。因此為了抑制全球氣候變暖，我國必須發(fā)揮重要作用，應(yīng)采取積極措施以緩解二氧化碳排放帶來的溫室效應(yīng)。山西省是我國產(chǎn)煤大省，也是火力發(fā)電大省，山西省90%的能源消費(fèi)為煤炭資源，而非化石能源僅占能源消費(fèi)總量的約3%，二氧化碳的排放量居全國之首。因此，積極開展二氧化碳捕獲及地質(zhì)封存技術(shù)，建立山西省二氧化碳地質(zhì)封存模型并加以實(shí)際應(yīng)用，可減少山西省二氧化碳排放和減緩溫室效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，低碳發(fā)展是山西實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

1 我國及我省二氧化碳減排目標(biāo)

由于我國二氧化碳排放量每年呈上升趨勢(shì)，我國已于2009年提出了減排目標(biāo)：即與2005年相比，到2020年我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放量下降40%-50%。我國已經(jīng)將該目標(biāo)作為我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的中長期規(guī)劃目標(biāo)，并且制定了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)、考核辦法。而我省也于每年制定減排降碳工作目標(biāo)，2014年-2015年，單位GDP二氧化碳排放量逐年下降3.0%以上，到2015年完成累計(jì)下降17%的減碳目標(biāo)。這些都無疑充分證明了我省為了應(yīng)對(duì)氣候的變化,有效開展減排二氧化碳、加快可持續(xù)發(fā)展道路的決心。

2 二氧化碳捕獲與封存技術(shù)

二氧化碳捕獲與封存(簡稱CCS)，是把能源利用以及工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳通過一定的化學(xué)反應(yīng)捕獲、壓縮并封存到一定合適的地層構(gòu)造結(jié)構(gòu)體中，封存住二氧化碳，不造成排放。此技術(shù)具有減緩氣候變化和減排溫室氣體的巨大潛力，對(duì)我省走可持續(xù)發(fā)展道路，對(duì)于我省資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)建設(shè)具有重要意義。據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，目前發(fā)電行業(yè)的二氧化碳排放量占總量的40%，二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)可以將發(fā)電行業(yè)二氧化碳的排放量減少20%到40%。另外，如果把二氧化碳的注入封存和開采油氣、煤層氣相結(jié)合，將提高油氣采收率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

地質(zhì)封存是直接將二氧化碳注入地下的地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)中，如油田、天然氣儲(chǔ)層、含鹽地層和不可采煤層等都適合二氧化碳的封存。把二氧化碳注入油田或氣田用以驅(qū)油或驅(qū)氣可以提高采收率；注入無法開采的煤礦，因其可吸附于煤層表面，可以把煤層中的煤層氣驅(qū)出來，提高煤層氣采出率。

3 我國與世界各國二氧化碳封存技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 挪威Sleipner項(xiàng)目

由挪威國家石油公司在1996年開展的Sleipner項(xiàng)目，是世界上第一個(gè)將二氧化碳封存在地下咸水深層的案例，該項(xiàng)目每年封存100萬噸二氧化碳。

3.2 德國黑泵電廠項(xiàng)目

由瑞典瀑布電力公司于2008年在德國東北部的施普倫貝格動(dòng)工建設(shè)開展的黑泵電廠項(xiàng)目，這是世界上首個(gè)能捕集和封存自身所產(chǎn)生的二氧化碳的燃煤電廠。

3.3 中英煤炭利用近零排放合作項(xiàng)目

中英煤炭利用近零排放合作項(xiàng)目以及中英煤炭利用近零排放項(xiàng)目，旨在減少二氧化碳排放。

3.4 二氧化碳封存至地下咸水層項(xiàng)目

我國在2012年第一次開展的將二氧化碳封存至地下咸水層項(xiàng)目，已累計(jì)封存二氧化碳4萬多噸，在碳捕獲與封存技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展。此項(xiàng)封存技術(shù)有望成為全世界減少碳排放份額最大的單項(xiàng)技術(shù)，將為中國在清潔利用煤炭資源和溫室氣體減排以及我國經(jīng)濟(jì)走可持續(xù)發(fā)展方面做出更多貢獻(xiàn)。

4 山西省二氧化碳排放、捕獲及地質(zhì)封存研究現(xiàn)狀及存在的問題

4.1 山西省煤炭及煤層氣資源存儲(chǔ)量現(xiàn)狀

山西省是煤炭資源大省，也是煤層氣資源大省。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，山西煤層氣資源儲(chǔ)量約10.39萬億立方米，占到了全國總量的近三分之一。而我省多數(shù)煤田的煤層滲透率極低，特別是高變質(zhì)的無煙煤，雖然含氣量極高，但由于煤層的滲透率特低，難以得到較好的開發(fā)利用。采用向深煤層注入二氧化碳，不僅可以提高煤層的有效滲透率，促進(jìn)煤層氣的解吸，又可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的封存，產(chǎn)生社會(huì)效益的同時(shí)可以生產(chǎn)比煤炭更清潔的能源煤層氣甲烷，對(duì)山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生積極的影響。

4.2 山西省碳排放現(xiàn)狀

我省主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)是煤炭工業(yè)、火力發(fā)電工業(yè)和煉鋼工業(yè)等高耗能工業(yè)，因此，煙塵、粉塵和固體氣體廢物的排放尤其嚴(yán)重。據(jù)研究表明，1991年至2011年，全國和山西省碳排放量的總趨勢(shì)是增長的，山西省碳排放量占全國的比重是GDP占全國比重的2倍。尤其是2009年，山西省碳排放量高達(dá)8633.52×10^4/t。為減少二氧化碳排放量，提高能源利用率，就必須加快掌握二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)并加以利用，從而緩解由于工業(yè)環(huán)境問題帶來的經(jīng)濟(jì)社會(huì)問題，達(dá)到由資源省份模式到資源集約利用省份，走可持續(xù)發(fā)展的必然之路。

4.3 山西省二氧化碳捕獲技術(shù)研究現(xiàn)狀

碳捕獲就是捕捉釋放到大氣中的二氧化碳，壓縮之后，壓回到枯竭的油田和天然氣領(lǐng)域或者其他安全的地下場(chǎng)所。我省目前采取兩種方式提高碳捕獲能力：

對(duì)活性炭小球的物理性質(zhì)如比表面積、孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，來增強(qiáng)其對(duì)二氧化碳的捕獲能力。所采用的方法是對(duì)所制備的樹脂球在進(jìn)行炭化活化前先進(jìn)行空氣氧化處理，這樣可將樹脂球的堅(jiān)硬外殼予以一定程度的造孔，利于后續(xù)活化劑如水蒸氣順利進(jìn)入小球內(nèi)部進(jìn)行活化，從而制得比表面積高、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的活性炭球。

對(duì)活性炭球進(jìn)行富氮處理。通過改用含有氨水的活化劑來代替純粹的水蒸氣可將氮元素接到活性炭球的骨架上，氮含量從直接水蒸氣活化制得的活性炭球的0.00%增加到氨水活化制得的活性炭球的0.46%。由此對(duì)二氧化碳捕獲量也從3.71wt%增加到9.01wt%。

4.4 山西省二氧化碳封存地點(diǎn)現(xiàn)狀

儲(chǔ)存地點(diǎn)的正確選擇和評(píng)估對(duì)于確保被封存的二氧化碳長期留存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要。從資源分布來看，我省有著埋藏淺的煤層氣資源，有約占總資源量的68%埋藏在1500米以內(nèi)的淺層區(qū)域資源量;沁水、河?xùn)|兩大煤田的煤層氣資源占到總資源量的97%，分布比較集中。其中，沁水煤田為中生代末形成的構(gòu)造盆地，盆地最深處奧陶紀(jì)頂面深約2500米。其中有約3000億噸的煤炭資源存儲(chǔ)量，于1989年已有860億噸煤炭儲(chǔ)量被探明，占全國煤炭儲(chǔ)量9.58%。而那些尚未探明的預(yù)測(cè)煤炭資源中，很大一部分屬可靠級(jí)，且大部分埋藏小于1000米。沁水煤田地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，煤層傾角平緩，斷層少，具備良好的煤炭資源及煤層氣資源開發(fā)及二氧化碳地質(zhì)封存地質(zhì)條件。

4.5 我省開展二氧化碳地質(zhì)封存存在的問題

4.5.1 經(jīng)費(fèi)問題

對(duì)于分離提純、運(yùn)輸和封存這些工業(yè)排放的二氧化碳皆是一筆很大的費(fèi)用。由于發(fā)電廠等工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的煙道氣中只含有少量的二氧化碳?xì)怏w，與壓縮的煙道氣相比，處理純的二氧化碳所需的貯存空間大約只有煙道氣的1/ 50 ，而地下貯存空間是非常有限的，因此只有把二氧化碳從煙氣里提取出來，提高二氧化碳的純度后，才能充分有效地對(duì)它進(jìn)行地下處置。目前的二氧化碳捕集技術(shù)成本昂貴且效率低，據(jù)估算，二氧化碳的捕集成本占二氧化碳儲(chǔ)存成本的2/3以上，因此二氧化碳捕集成本問題是二氧化碳地質(zhì)封存商業(yè)化的主要障礙。

4.5.2 安全問題

深層封存二氧化碳雖然封存了二氧化碳，一般情況下不會(huì)逸出來，但是二氧化碳地質(zhì)封存仍有可能對(duì)人類和環(huán)境造成較大的影響，因此存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。例如在運(yùn)輸和注入二氧化碳的過程中存在泄漏問題，或者選址不恰當(dāng),有可能會(huì)引發(fā)二氧化碳的泄漏。封存過程中二氧化碳的泄漏也有可能會(huì)導(dǎo)致其進(jìn)入飲用地下水的補(bǔ)給層,從而降低地下水PH值，導(dǎo)致微量元素含量濃度增大從而影響水質(zhì)。另外, 二氧化碳的泄漏也可能引起重金屬污染物由礦體進(jìn)入附近的飲用地下水補(bǔ)給層中,從而造成地下水水質(zhì)的破壞。再有，由于封存了大量二氧化碳，地質(zhì)結(jié)構(gòu)將會(huì)受到改變，儲(chǔ)氣層中或附近高的孔洞壓力可以誘發(fā)微小的地震,甚至發(fā)生破壞性地震。最后，二氧化碳注入后，與油或其他氣體共存于一個(gè)存儲(chǔ)層，由于構(gòu)造壓力的減小或增大均會(huì)誘發(fā)斷裂,導(dǎo)致地表向上抬升或向下錯(cuò)斷。

4.5.3 技術(shù)問題

根據(jù)我省煤田的實(shí)際情況，以長期封存二氧化碳為目標(biāo)，研究目標(biāo)儲(chǔ)層和蓋層性質(zhì)及其可變性及相關(guān)地質(zhì)問題，是開展二氧化碳地質(zhì)封存工作需研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。其主要問題包括：建立二氧化碳地質(zhì)封存適合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。為進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)封存，須有幾個(gè)要求：有穩(wěn)定的地質(zhì)機(jī)構(gòu)，火山、地震以及地面山體斷裂均不易發(fā)生，并且存儲(chǔ)氣體的密實(shí)程度比較高，不易泄漏；具有較高的儲(chǔ)層孔隙度和滲透率；二氧化碳在800米以下的儲(chǔ)層深度，以及儲(chǔ)層壓力超過二氧化碳的臨界值(31℃， 7. 4MPa) 的條件下進(jìn)行壓縮，可達(dá)到所需較高的密度;地質(zhì)結(jié)構(gòu)最上面要有不透氣蓋層。最后，運(yùn)輸二氧化碳到達(dá)封存地點(diǎn)也是開展二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)課題的關(guān)鍵問題之一。

5 二氧化碳地質(zhì)封存對(duì)山西省可持續(xù)發(fā)展的意義

5.1 開展二氧化碳地質(zhì)封存有助于驅(qū)替煤層氣

二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)中的驅(qū)替采油、采汽或采集煤層氣技術(shù)，這些不僅可以封存二氧化碳，減少二氧化碳的排放量，又都能促進(jìn)提高剩余油、汽資源的開發(fā)及利用。這些技術(shù)既能增加我省石油或煤層氣的開采量，延長這些非可再生資源的使用率，又能為開發(fā)新能源新技術(shù)提供時(shí)間和空間，促進(jìn)我省可持續(xù)發(fā)展道路。

5.2 開展二氧化碳地質(zhì)封存有利于減緩氣候變暖

開展二氧化碳地質(zhì)封存，有利于緩解氣候變暖，適當(dāng)改善我省境內(nèi)小氣候環(huán)境，也可以對(duì)一些極端惡劣天氣的出現(xiàn)起到積極遏制作用，緩解因降水量不均勻引起的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害、植物動(dòng)物種類的滅絕等生態(tài)現(xiàn)象，從而有利于我省開展可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境和人類居住環(huán)境。

5.3 開展二氧化碳地質(zhì)封存有助于與世界接軌

全球?qū)τ跍p排二氧化碳問題都積極推行有效的舉措，我省開展二氧化碳地質(zhì)封存，也是與世界接軌，避免因氣候變化、環(huán)境以及自然環(huán)境災(zāi)害造成的人道主義危機(jī)，從而有利于維護(hù)世界和平和本地區(qū)的穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)而為我國的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及社會(huì)進(jìn)步提供穩(wěn)定的國際環(huán)境。

減排二氧化碳排放量的問題是一個(gè)亟待解決的全球性問題，必須借助全球力量，通過共同協(xié)作的方式加以解決。我省多數(shù)煤田的煤層滲透率極低，特別是高變質(zhì)的無煙煤，雖然含氣量極高，但由于煤層的滲透率特低，難以得到較好的開發(fā)利用。采用向深煤層注入二氧化碳，不僅可以提高煤層的有效滲透率，促進(jìn)煤層氣的解吸，又可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的封存，產(chǎn)生社會(huì)效益的同時(shí)可以生產(chǎn)比煤炭更清潔的能源煤層氣甲烷，對(duì)山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生積極的影響。

[1] 臧雅瓊，高振記，鐘 偉.CO2地質(zhì)封存國內(nèi)外研究概況與應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2012(6).

[2] 李義曼,龐忠和,李 捷,孔彥龍.二氧化碳咸水層封存和利用[J].科技導(dǎo)報(bào),2012(19).

[3] 劉延鋒,李小春,白 冰.中國CO2煤層儲(chǔ)存容量初步評(píng)價(jià)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(16).

[責(zé)任編輯：王文俐]

2016-06-06

山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目“山西省二氧化碳地質(zhì)封存地點(diǎn)調(diào)查與研究”( 2009-100)

趙黎黎(1980-)，女，山西大同人，碩士，現(xiàn)工作于山西省分析科學(xué)研究院，助理研究員，研究方向：環(huán)境經(jīng)濟(jì)。

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1008-9101(2016)04-0055-03