煤气化与多联产技术.doc

华东理工大学20132014学年第 1 学期 煤气化与多联产技术 课程论文 2013.11 气候变化与CO2减排 [摘要] 近年来，全球变暖已成为全世界最关心的环保问题，造成全球变暖的主要原因是大量 的温室气体产生，而温室气体的主要组成部分就是二氧化碳，减缓以至最终有效控制能源生产 利用过程中二氧化碳的排放，是中国能源生产面临的重大挑战。本文综述了气候变化对生态系 统和人类社会带来的影响，并对二氧化碳的来源进行了分析，进而从洁净煤技术、二氧化碳的 捕集和分离以及二氧化碳的利用与固定等方面介绍了中国二氧化碳减排的各种技术现状，并对 二氧化碳减排技术的发展方向作了初步探讨。 [关键字] 气候变化 CO2减排 洁净煤 近百年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化，极端气候现象 的出现频率不断上升。此次全球气候变化与人类活动密切相关，自工业革命（18 世纪五六十年代）以来，人类过度使用煤炭、石油和天然气等化石燃料，排放出大 量的温室气体是导致此次全球气候变化的主要原因，大规模的森林砍伐和草原破坏 则加剧了这一进程。全球变暖对全球范围内许多地区的自然生态系统已经产生了重 要影响，如海平面升高、冰川退缩、河湖冰冻期缩短、动植物分布范围向南北极和 高海拔区延伸；与全球变暖密切的一些极端事件，如厄尔尼诺、干旱、洪水、沙尘 暴等的发生频率和强度也有所增加。因此，为减少温室效应引起的全球气候变化带 来的危害，减少CO2的人为排放量起着至关重要的作用。 一、气候变化的影响 对自然生态系统而言，全球变暖会带来不可估量的影响，初步研究显示，全球 变暖会引起气候带的北移，进而导致大气运动发生相应变化，全球降水也将随之变 化。至21世纪中期，高纬度地区和一些湿热地区年平均径流量和可获得的水源预 计增长10 40，而目前已经存在水资源压力的中纬度地区和干热地区水量将减 1 少10 30。 随着气候变化的加剧，缺水地区范围和缺水人口数量将增加。目前全球约1/3 人口生活在贫水的中亚、非洲南部以及地中海附近等国家和地区。21世纪，以冰川 和雪盖形式储存的水资源将减少，将给以融化水为主要水源的高山地区带来严重影 响。气候变暖将增加许多地区强降水事件的发生频率，土地利用的变化可能导致这 些强降水危害的恶化。 气候变化将会使南北极及高山冰川融化，从而使海平面上升。海平面的上升将 会带来灾难性的后果人口稠密的沿海城市将会被海水淹没，如上海、威尼斯、纽 约等滨海城市以及太平洋的小岛国家将会面临灭顶之灾，并造成世界一些著名的大 河口三角洲平原沦为浅海。到那时，将会有5000万以上的人无家可归，成为“生 态难民”，人类几千年来创造的文明精华部分就将毁于一旦。 对人类社会经济而言，全球变暖不仅造成了极大的社会直接经济损失，也给一 个社会的可持续发展带来严重影响。全球变暖将会对农业生产造成极大危害，二氧 化碳浓度的增加固然可以刺激作物生长和提高产量，但这一有利影响也许并不总会 超过高温和干旱的不利影响，海平面的上升还会淹没一些耕地。一些极端气候事件 发生的频率增加也会使农业生产的不稳定性增加，从而改变粮食贸易格局，进而改 变地区的经济发展格局。 全球变暖还会对人类居住环境、能源、运输和工业等部门产生影响，依靠化石 燃料部门的发展将会逐渐受到限制或遭到取缔。海平面上升、海水入侵，还将使大 量国家沿海人口密集的工业区经济蒙受极大损失。 气候变暖还导致病菌和病毒的繁殖速度和变异速度加快，使传播疾病的机会增 加，瘟疫的种类和范围扩大，威胁人类健康。 2 二、大气中二氧化碳的来源 进入大气中的CO2，约有80来自呼吸作用，20来自燃烧，其中80的CO2 基本上是自然来源的，它在碳循环中基本上保持平衡和相对稳定，也就是说，改变 是不太大的。可燃烧放出的CO2是亿万年以来生物逐渐储存和长期被禁锢且已脱离 了碳循环的CO2。人们利用化石燃料燃烧就相当于把封储在地下的CO2库门打开将 其放入大气之中，势必增加大气中CO2浓度。 2.1化石燃料燃烧放出CO2 19世纪中叶以来，人类消耗的化石燃料迅速增加，所有的化石能源燃烧都排放 CO2。在化石能源中，煤含碳量最高，石油次之，天然气较低；化石能源开采过程 中的煤炭瓦斯、天然气泄漏排放CO2和CH4，水泥、石灰、化工等工业生产过程也 排放大量CO2。据统计，全球每年人为释放到大气中的CO2大约有70是由化石燃 料产生的。 2.2植被破坏释放CO2 半个多世纪以来植被破坏得日趋严重一是开荒毁林；二是作为薪柴烧掉，全 世界薪柴用量多年平均值为每年（11 12）亿立方米；三是追求经济利益出口发达 国家；四是森林大火，使森林惨遭破坏。现在热带雨林平均每年以245 900公顷 的速度从地球上消失。 植被，特别是森林被破坏后，一方面燃烧树木放出大量的CO2进入大气中；另 一方面森林吸收CO2量大大减少，相对来说大气中CO2浓度增加更快；三方面，原 来树木和土壤有机质中的碳通过燃烧和腐解而氧化成CO2重新释放到大气中，使森 林由碳汇变成了碳源。 2.3现代家用电器放出CO2 现代科学技术飞速发展，越来越多的、品种复杂的家用电器进入千家万户，消 耗巨大的电能的背后悄悄释放着CO2。日本统计，产业排放CO2占40，居民生活 3 占23.8，交通运输为20。现代产业排放CO2已开始下降，民众生活水平提高， 排放CO2每年以4的速度上升，不可忽视。 三、洁净煤技术CO2的源头控制 CO2来源可分为两大类，即矿物燃料燃烧过程中产生的CO2（煤、石油、天然 气等）和工业生产过程中（如水泥、钢铁和电解铝的生产过程）排放的CO2。统计 表明，工业生产过程中排放的CO2不到总排放量的10。因此，CO2控制的重点在 于控制矿物燃料燃烧过程中排放的CO2。从目前我国的能源消费结构状况看，煤炭 的比重一直占总能源消费的65以上，同石油、天然气相比，单位热量燃煤产生的 CO2排放量比石油、天然气分别高出36和61左右。我国CO2排放量的71来自 于燃煤，并且我国以煤炭为主的能源消费结构在相当长的一段时间内将不会改变， 因此控制煤炭燃烧过程中产生的CO2是问题的关键。 洁净煤技术是指在煤炭从开发到利用全过程中，旨在减少污染物排放与提高煤 炭利用效率的加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。具体包括煤炭加工技 术，如选煤、型煤、动力配煤改质、水煤浆技术；洁净燃煤技术，如循环流化床锅 炉；煤炭转化技术，如煤炭气化和液化技术；煤的资源化利用技术，如煤矸石综合 利用，煤层气开发利用等技术。 选煤技术是实现煤炭高效、洁净利用的首选方案，它利用物理、物理-化学等方 法除去煤炭中的灰分和杂质，如煤矸石和黄铁矿等，因此提高了燃煤的燃烧效率从 而达到减少CO2排放的目的，通过选煤每年可节煤约10。据统计，目前发达国家 煤炭入选率已经达到了90以上，而我国煤炭入选率不到40，高效的重介质选煤 技术不到10，因此选煤技术在我国有很大的发展潜力。 动力配煤是将2种或2种以上不同品质的煤经过破碎、筛分、均匀掺配使其达 到最佳燃烧效率的一种机械加工技术，经过动力配煤可提高煤的燃烧效率。在杭州 4 建成的5Mt配煤中心，可根据不同煤种的燃烧特性进行合理配比混合，达到最高燃 烧效率。据统计，动力配煤可节煤5 8，每年减排CO20.5Mt左右，而目前全国 动力配煤仅占用煤总量的6 8。 与散煤直接燃烧比较，型煤可节约能源20 30。型煤加工成本低，且环境 效益、社会效益显著，民用型煤加工技术在我国已相当成熟，但工业型煤的发展比 较缓慢。 水煤浆技术是一项煤炭物理转化技术，将固体煤炭用相对简单、廉价的物理方 法转化为流体燃料。水煤浆用于工业锅炉可降低能耗20，燃烧效率可达9495， 锅炉效率达80 83。 此外，将旧的工业锅炉改造成循环流化床锅炉可以提高锅炉热效率，节省煤耗。 目前我国在用的各种工业锅炉约50万台，年耗煤量超过4亿吨，平均热效率仅为 55 65，平均排放当量为每吨煤1.136t CO2。 四、CO2捕集与分离技术 目前，CO2捕捉主要有3种技术路径1）燃后捕获，从燃烧生成的烟气中分 离CO2；2）燃前捕获，又称氧气/二氧化碳燃烧技术或空气分离/烟气再循环技术； 3）富氧燃烧，通过燃前脱碳即在燃烧前将燃料中的碳脱除。其中燃前捕捉技术只 能用于新建发电厂，另两种技术则可同时应用于新建和既有发电厂。 4.1燃后CO2捕集与分离技术 烟气中二氧化碳的吸收分离法是指利用吸收剂吸收混合气体中的二氧化碳而 达到分离目的的方法。按照吸收原理的不同，它可以分为化学吸收法和物理吸收法。 化学吸收法是指二氧化碳与吸收剂进行化学反应而形成一种弱联结的化合物。 典型的吸收剂有单乙醇氨（MEA）、N-甲基二乙醇胺（MDEA）等，适合于中等或 较低二氧化碳分压的烟气。采用氨水作为吸收剂脱除燃煤烟气中二氧化碳也是普遍 5 采用的二氧化碳固定方法。 物理吸收法可归纳为吸收分离、膜分离和低温蒸馏分离。 吸收分离即采用吸收的方法达到提纯二氧化碳的目的，主要包括液体吸收剂和 固体吸收剂。液体吸收剂有甲醇等，较适合高二氧化碳分压的烟气。固体吸附分离 是基于气体与吸附剂表面上活性点之间的分子间引力实现的。二氧化碳的吸附剂一 般为沸石、活性炭和分子筛等。 膜分离法在二氧化碳分离方面还处于试验阶段。迄今在工业上应用的二氧化碳 分离膜，其材质主要有醋酸纤维、乙基纤维素和聚苯醚及聚砜等。 低温分离法是在31℃和7.39Mpa下，或在12 23℃和1.59 2.38Mpa下，二氧 化碳具有液化的特性。低温法利用二氧化碳这一特性对烟气进行多级压缩和冷却， 使二氧化碳液化，从而达到分离的目的。除了可以通过以上措施来限制二氧化碳的 产生外，近年来，二氧化碳超低临界萃取技术也得到了长足发展，并有望形成独立 的产业。该技术已经可以利用回收二氧化碳来产生碳酸镁，聚合成性能与聚乙烯相 似的可以降解的塑料。 燃烧后捕集二氧化碳技术的潜在捕集效率可达90，但二氧化碳的后续处理的 （浓缩提纯）成本太高，目前的减排技术会使发电成本大幅上升，制约了这些技术 工业应用。 4.2燃前CO2捕集技术 燃前捕获，又称二氧化碳化学循环燃烧，它是一种更容易从烟道中分离二氧化 碳的新方法。采用纯氧或富氧燃烧可以改善燃烧速度，提高燃烧温度和热效率。这 样产生的烟气富含二氧化碳，可以作为再循环烟气调和燃烧温度。用这种方法产生 的烟气中二氧化碳浓度非常高，使分离更加容易。 4.3富氧燃烧技术 富氧燃烧即用氧气代替空气作为助燃剂进行燃烧并产生以水和二氧化碳为主 6 的烟道气。富氧燃烧产生的烟道气具有很高的二氧化碳浓度，可达体积的80以上。 最后对气流进行冷却和压缩以达到清除水汽的目的。 五、CO2的利用二氧化碳-EOR技术 在油田开采过程中，一般首先是利用油层的原始能量将原油举升到地面进行开 采，即一次采油；当油层的原有能量消耗到不能再把油举升到井口时，便采取人工 注水的方式提高油层能量以提高原油的采收率，进行二次采油。人工注水固然可以 提高原油采收率，但注水后仍然有一半左右的原油残留在地层中。为了克服这一缺 点，提高原油采收率，于是提出了EOR技术。 EOR法是指将高压CO2注入油田后与原油形成混合物，把原油推入生产油井， CO2作为伴气随原油一起采出地面后，经油气分离和与碳氢化合物分离，回收的CO2 经压缩、补充后再进入油田使用。在这种完全封闭的系统中，CO2不进入大气而是 被存贮于油田中。这样既可提高原油开采量，有经济效益，又可将CO2循环使用或 使部分CO2存贮（固定）在油井中减少了向大气的排放量。 使用常规方法采油，将二氧化碳作为驱油剂可提高采收率10 15。二氧化 碳驱油分为混相驱油和非混相驱油。适合二氧化碳-EOR混相驱油实施的储层地质 条件为1）储层深度范围在1000 3000m范围内；2）致密和高渗透率储层；3） 原油黏度为低或中等级别；4）储层为砂岩或碳酸盐岩。 二氧化碳-EOR非混相驱油机理是，大量二氧化碳溶解在原油中（13m3/桶）， 使原油膨胀，原油黏度下降10个级数，从而便于原油的采出。二氧化碳埋存的主 要原理是二氧化碳溶解在储层中的流体中。适合二氧化碳-EOR非混相驱油的条件 为1）储层纵向上渗透率高；2）储层中大量的原油形成油柱；3）储层具有可以 形成气顶的圈闭构造，储层连通性好；4）储层中没有导致驱油效率降低的断层和 断裂。 7 二氧化碳-EOR技术主要有两大优势一是该技术已经作为一项成熟的采油技 术应用于油田生产实践，并且油田现场有现成的注入井及设备，不需要打新的注入 井，可以节约操作成本；二是通过二氧化碳-EOR技术的收益可以补偿一部分回收、 捕集二氧化碳的成本。 需要说明的是，还有许多油田至今仍不可能对应用EOR技术进行预测。这些 油田包括具有大气顶的油田，在薄层中有广阔油水带的油田、具有超低渗透率的高 裂缝性油藏的油层等。对于这样的复杂油田，目前还没有可以用来实施提高采收率 的技术。 六、CO2的固定二氧化碳埋存技术 二氧化碳地质埋存包括3个环节1）分离提纯，在二氧化碳排放源头利用一 定技术分离出纯净的二氧化碳；2）运输，将分离出的二氧化碳输送到使用或埋存 二氧化碳的地质埋存场所；3）埋存，将输送的二氧化碳埋存到地质或海洋中。二 氧化碳地下埋存主要的选择是枯竭的油气藏、不能开采的煤层和深海埋存等方式。 6.1地质封存 地质埋存是永久储存CO2的有效方法。该技术通过管道将分离后得到的CO2 注入地下深处具有适当封闭条件的地层中储存起来，利用地质结构的气密性来永久 封存CO2。适合于CO2封存的地点包括已废弃石油天然气田和矿山、地内的咸水蓄 水层、开采中的油气田可提高石油开采率、无商业开采价值的深层煤层可促进 煤层气回收等。 其中，将二氧化碳埋存在不能开采的煤层中，可置换出煤层气，使更多的甲烷 被采出，同时二氧化碳被吸附。煤层可吸附2倍于甲烷的二氧化碳。我国煤层气资 源丰富，仅山西晋城矿区可开采量就达728亿m3，如能用二氧化碳换出煤层气并加 以收集，既可减少大气中二氧化碳的浓度, 又可为我国提供大量的优质能源。 8 6.2深海埋存 深海埋存二氧化碳通过如下两种方式一是使用陆上的管线或移动的船把二氧 化碳注入15000m深度，这是二氧化碳具有浮力的临界深度，在这个深度二氧化碳 能有效地被溶解和被驱散；二是使用垂直的管线将二氧化碳注入到30000m 深度， 由于二氧化碳的密度比海水大，二氧化碳不能溶解，只能沉入海底，形成二氧化碳 液体湖。虽然深海二氧化碳埋存在理论上潜力较大，但是还有一些问题需要研究 一是深海溶解和驱散在技术上的可行性；二是长时间埋存的效果评价；三是二氧化 碳深海埋存是否对海洋生物有影响。因此深海埋存目前仍处于研究阶段。 七、结语 中国作为一个发展中国家，主要以煤炭的消费为主，主要的CO2排放源为燃煤 的发电厂。从总量上看，目前我国的CO2排放量已位居世界第二；预计到2025年， 我国的CO2总排放量很可能超过美国，位居世界第一。无论从可持续发展的角度出 发，还是从应尽的国际义务出发，加强中国温室气体的排放控制是必须的。减少二 氧化碳排放，首先要在源头加以控制，节约能耗、倡导低碳生活，采用高新技术提 高能源利用率及转化率，尤其要在燃煤行业中加强管理，因此应加快发展选煤技术、 洁净燃煤技术、煤炭转化技术及IGCC技术等。二氧化碳减排和利用技术还需要不 断地努力和探索，这样才能被熟练地应用到工业生产中，为我国的可持续发展提供 有效保障。 9 [参考文献] 1、唐方方.气候变化和碳交易[M].北京北京大学出版社，2012.1 2、郭远珍，彭密军.二氧化碳与气候[M].北京化学工业出版社，2012.6 3、罗金玲，高冉，黄文辉等.中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势[J].资源与产 业，2011，（1）132-137 4、洪大剑，张德华.二氧化碳减排途径[J].电力环境保护，2006,22（6）5-8 5、桑涛，廖久明.我国EOR技术的历史、现状及前景[J].重庆石油高等专科学校学 报，1998，（1）21-24 6、赵洁.全球气候变化与减排方案的探讨[J].山西建筑，2012，38（16）237-238 10