二氧化碳用于地質(zhì)資源開發(fā)及同步封存技術(shù)綜述

包一翔，李井峰，郭 強，蔣斌斌，蘇 琛

(1.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209;2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102209)

0 引 言

中國能源革命進展報告(2020)指出，我國化石能源占一次能源消費總量的84.7%(煤炭占57.7%，石油占18.9%，天然氣占8.1%)[1]。為削減碳排放，遏制氣候變化，我國于2016年與國際社會一道簽署了《巴黎協(xié)定》，旨在將全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上低于2 ℃之內(nèi)，并努力將氣溫升幅限制在工業(yè)化前水平以上1.5 ℃之內(nèi)。我國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。碳達峰是指我國承諾2030年前，二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后逐步降低。碳中和是指企業(yè)、團體或個人測算在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。

二氧化碳占全球溫室效應(yīng)氣體的77%[2]，是最主要的溫室氣體，但目前通過各種方式轉(zhuǎn)化利用的CO2僅約占其排放量10%[3]。二氧化碳捕集、利用及封存技術(shù)(Carbon Dioxide Capture,Utilization and Storage，CCUS)是減少碳排放的有效手段，更加經(jīng)濟可行的CCUS技術(shù)將有力支撐我國及世界各國實現(xiàn)“雙碳”目標。

CCUS包括二氧化碳捕集及利用(CCU)和二氧化碳捕集和封存(CCS)。將CO2轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃料被認為是最有前景的CCU技術(shù)[2]，但目前通過光、電、熱及生物轉(zhuǎn)化等過程實現(xiàn)CO2利用的效率普遍較低。DOWELL等[4]認為CCU技術(shù)對于削減CO2的貢獻僅大于1%，通過CCU技術(shù)達到減輕氣候變化的目標幾乎不太可能。地質(zhì)封存則是相對更高效的大規(guī)模CO2減排技術(shù)。CCS技術(shù)包括陸上封存和海洋封存[5]，主要原理為地質(zhì)構(gòu)造封存、束縛空間封存、溶解封存和礦化封存[6]。SANNA等[7]認為礦物碳酸化將是電力工業(yè)部門的重要脫碳方式，但目前完全利用礦物將CO2轉(zhuǎn)化為碳酸鹽的成本仍然較高。DOOLEY等[8]估算得出全球總CO2封存容量大約為11 000 Gt，其中油氣采空區(qū)儲存潛力大約1 000 Gt，深部鹵鹽水層儲存潛力9 000～10 000 Gt CO2[9-10]。國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)表明，為了保持大氣中CO2大約濃度450×10-6，即將全球升溫控制在2 ℃以內(nèi)，在2050年之前需通過CCS技術(shù)減排CO2120～160 Gt，類似的趨勢預(yù)計將持續(xù)到本世紀末[11]。

CO2捕集及分離環(huán)節(jié)對CCS項目成本有主導(dǎo)性作用，約占總費用的 85%[12]。因此探索混合氣體替代純CO2注入將會大幅度降低投入成本[13]，但同時應(yīng)當考慮混合氣體運輸、安全、不同用途的適用性等方面的因素?？偨Y(jié)了二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)的工程研究進展，對CO2用于油氣開采、鹵鹽水開采、地熱開采等地質(zhì)資源開發(fā)并同步實現(xiàn)CO2封存的技術(shù)原理進行了介紹?？偨Y(jié)了CCS技術(shù)應(yīng)用面臨的潛在問題。

1 CO2用于地質(zhì)資源開發(fā)原理

CO2常溫常壓狀態(tài)下為氣體，運輸及注入過程中需要提供一定的壓力和溫度使其維持液態(tài)或超臨界狀態(tài)，以提高運輸效率及安全性，同時提高CO2封存容量。CO2臨界溫度和壓力分別為30.98 ℃和7.377 3 MPa[14]，通常封存地層的壓力可以保持其超臨界狀態(tài)[15](深度大于800 m時CO2可較為穩(wěn)定處于超臨界狀態(tài)[16])。超臨界狀態(tài)的CO2兼具氣液兩性，密度遠大于氣體狀態(tài)，黏度比水小且比其液體狀態(tài)小兩個數(shù)量級，極易流動，更有利于石油、天然氣、鹵鹽水、地熱能開發(fā)，可以在一定程度上抵消CCS技術(shù)成本。

地層巖石良好的孔隙結(jié)構(gòu)可以封存CO2，注入后的CO2在目標地層中可流動，蓋層(儲存層上部)巖石的滲透性和承壓性能直接影響CO2在垂直方向上的擴散，是決定CO2為否安全穩(wěn)定封存的關(guān)鍵因素。

CO2通常需要通過管道運輸至封存地點，因此相較遠距離海上封存，陸上封存尤其在重要排放源(如火電廠)附近選擇CO2地質(zhì)儲存地點的CCS項目或?qū)⒏咏?jīng)濟。表1為CCS示范工程項目和商業(yè)化項目陸上管道運輸、海上管道運輸和船運的成本估算(兩種估算均假設(shè)排放源集中)[17]。

示范工程和大型項目的費用與運輸距離成正相關(guān)，同時相比示范工程，商業(yè)項目的噸CO2管網(wǎng)運輸成本較低。Smith等估算認為陸上CO2管道運輸及儲存成本根據(jù)運輸距離、CO2運輸及儲存規(guī)模、監(jiān)測方案、出庫地理條件、管道成本等，成本為26～291元/t，采用65元/t進行成本估算在部分區(qū)域較為合理[18](原始價格為美元，折算成人民幣時，采用了2021-06-21的匯率)。國家能源集團鄂爾多斯煤制油公司的CO2捕集與封存示范項目(全國首個CO2捕集與深部咸水層封存相結(jié)合的全流程一體化示范項目)累計完成CO2封存30.26萬t，成本約240元/t，放大至百萬噸規(guī)模，成本可降至150元/t以內(nèi)。

根據(jù)Global CCS Institute統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得出，目前全球共28個國家完成/在運行/擬建CCS項目(包括示范工程項目和商業(yè)化項目)164個，正在運行項目56個。其中52個項目的CO2用途涉及采油或原油加工；61個項目CO2來源為發(fā)電廠，其余包括水泥廠、化肥廠、鋼鐵廠等[19](圖1)。

三列數(shù)字從左至右分別為CCS項目總數(shù)量、商業(yè)化CCS項目數(shù)量、正在運行的CCS項目數(shù)量圖1 全球CCS項目分布概況Fig.1 Global distribution of CCS projects

下面對CO2用于地質(zhì)資源開采，并同時實現(xiàn)自身封存的主要技術(shù)原理進行介紹。

1.1 CO2增強原油開采并封存

斷裂地層中(頁巖或致密砂巖等)原油的典型一次采收率小于10%[20]，隨著開采進行，壓力下降，開采效率降低，此時可以通過注入CO2提升采油率(Enhanced Oil Recovery，EOR)[21]。CO2可溶解于原油中，使其體積膨脹、提升壓力，并同時降低黏度和界面張力，從而提高采油率。CO2也可以使石油中的可揮發(fā)性組分(包括甲烷等各種輕質(zhì)烷烴類物質(zhì))蒸發(fā)，提高石油氣資源采收效率[22-23]，同時部分CO2將吸附或者溶解于巖石空隙中實現(xiàn)地質(zhì)封存。石油開采完成后形成采空區(qū)地質(zhì)條件密封性較好，可長期穩(wěn)定封存CO2，可繼續(xù)注入CO2提升封存量。美國每年通過該途徑利用CO2約3 200萬t[24]。

用于石油開采的CO2一部分通過溶解混合的方式被抽提至地面，另一部分則被保留在采空區(qū)內(nèi)，通過溶解、吸附、沉淀等作用穩(wěn)定儲存(如通過與巖層中含Ca-Mg-Fe等組分的物質(zhì)反應(yīng))[25]。作為最早采用 CO2驅(qū)油技術(shù)的油田，美國SACROC 油田自1972年以來，已經(jīng)將約 2×109t CO2注入地下557～650 m的深油層中[26]。為了提高采油率，可以用CO2-水結(jié)合的方式驅(qū)油，如CO2水溶液注入、CO2與水交替注入、以及 CO2與水同時注入[19,27-28](注入的水采自油田所在區(qū)域地下水)，此時，CO2與周圍巖石的作用將更加復(fù)雜，同Ca,Mg,Fe等反應(yīng)生成礦物沉淀的動力學將會依注入方式不同而發(fā)生改變，CO2在封存地層的碳酸化周期將受到影響，是亟需研究的關(guān)鍵問題。目前我國還沒有建立大規(guī)模成套的超臨界CO2輸送管道、CO2分離及循環(huán)配套設(shè)施，因此采用CO2驅(qū)油產(chǎn)量僅2 118桶/d，僅占世界EOR技術(shù)生產(chǎn)石油量的 0.29%，達世界平均水平24.7%(2016年)[29]。目前中國可以從目標儲層選擇、CO2監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備、運行標準、全流程投資策略(包括運輸管道、現(xiàn)代分離及循環(huán)設(shè)備)幾個方面推動該技術(shù)發(fā)展[30]。研究表明，CO2驅(qū)油比傳統(tǒng)原油生產(chǎn)方法平均碳強度更低[31]，且實現(xiàn)CO2封存的潛力大，但Dowell等認為CO2用于EOR目的，僅能貢獻4%～8%的減排[4]。我國已經(jīng)開始積極探索CO2-EOR技術(shù)，國家能源集團錦界電廠于2021年建成了15萬t/a燃煤電廠燃燒后CO2捕集示范項目，CO2捕集效率>90%，CO2濃度>99%，捕集的CO2采用罐車運輸至油田驅(qū)油，捕集區(qū)和驅(qū)油區(qū)相距110 km，整個項目的在成本和能耗方面將達到國際領(lǐng)先水平。

除將CO2直接注入油藏層進行驅(qū)油之外，Ehtesabi等[32]將二氧化鈦納米流體-CO2混合體系用于提升重質(zhì)油開采，獲得了良好的效果，同時Xu和Clark等[33-34]發(fā)現(xiàn)具有捕集CO2性能的納米顆粒與CO2同步注入后，可達到提升CO2封存容量的效果。這是發(fā)展EOR技術(shù)可以考慮的研究方向之一。但應(yīng)當深入研究混合體系中納米顆粒和表面活性劑擴散或遷移可能造成的環(huán)境風險。

1.2 CO2增強鹵鹽水開采并封存

理論上深部鹵鹽水層地質(zhì)封存潛力完全滿足全球CO2減排需求。深部鹵鹽水層受人為干擾少，水質(zhì)良好，且其中含高價值元素，具有較高利用價值，利用CO2驅(qū)替鹵鹽水，可以同時實現(xiàn)資源開采和CO2封存目的。很多CCS項目將CO2注入至地下沉積巖，但沉積巖中主要組分硅酸鹽礦物與CO2反應(yīng)活性很弱，Ca,Mg,Fe等含量很低，因此轉(zhuǎn)化為礦物沉淀的速率慢，而玄武巖層的Ca,Mg,Fe氧化物含量約25%，將CO2轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物潛力更大[25]。研究認為CO2在地層中轉(zhuǎn)化為碳酸鹽需要數(shù)百年的時間，地質(zhì)層中的總孔容決定了CO2的儲存容量，但是Matter等發(fā)現(xiàn)，在冰島CarbFix CCS項目中(將CO2注入至玄武質(zhì)巖層)，95%的CO2在2 a內(nèi)即可轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，使注入的CO2永久封存[25]。因此，利用鹵鹽水中Ca,Mg,Fe等組分與CO2生成沉淀相比在巖孔中吸附更加穩(wěn)定。

由于CO2溶于水形成碳酸，導(dǎo)致巖石中的部分礦物溶解，有溶出重金屬離子的風險[35]，但溶解出的金屬離子也可再次沉淀生成新礦物[36]。因此，采用CO2驅(qū)替開采鹵鹽水，應(yīng)當關(guān)注水質(zhì)變化情況。除了直接得到水資源外，鹵鹽水中含有的金屬元素也可產(chǎn)生間接經(jīng)濟效益。CO2驅(qū)替可產(chǎn)生與注入量體積相當?shù)柠u鹽水，而CO2注入也可為地面脫鹽系統(tǒng)提供部分壓力，降低脫鹽成本。AINES等[37]研究發(fā)現(xiàn)當封存鹵鹽水層壓力大于8.27 MPa時，鹵鹽水的脫鹽成本只有常規(guī)海水淡化的50%。脫鹽所得濃水可以直接注入開采水層處置，降低整體工程的成本。應(yīng)當注意，李義連等[38]研究發(fā)現(xiàn)當直接將CO2單獨注入高鹽度鹵水層時(鹽度平均值高達283.25 g/L)，容易導(dǎo)致注入口附近產(chǎn)生大量沉淀，造成堵塞，從而使附近地層壓力累積，降低工程安全性。因此，當注入處理后的濃水時可采用低鹽度鹵水和CO2交替注入或其他聯(lián)合注入的方式，避免或減少井口沉淀物累積。

與混合體系驅(qū)油類似，GUO等將無定型二氧化硅納米顆粒-表面活性劑-CO2混合體系注入深部鹵咸水層(深度大于1 110 m)，該混合體系可以達到限制CO2流動，從而提升CO2在深部咸水層的封存容量，比單純注入CO2提高了20%～40%[39]。該工程案例中，GUO等將CO2直接封存至咸水層，并未將水資源開發(fā)利用，因此注入的納米顆粒和表面活性劑等不會帶來后續(xù)水處理問題，如膜污染、混凝沉淀效率降低等。此外，在缺水地區(qū)，應(yīng)當考慮到深部鹵咸水未來作為水源的可能性，所以引入CO2以外的組分時，需進行充分的全流程技術(shù)經(jīng)濟性和風險評估。

1.3 CO2用于天然氣、可燃冰等開發(fā)并封存

利用CO2比CH4相對分子質(zhì)量大，與巖層吸附能力強等特性[40]，可通過CO2驅(qū)替天然氣(油田氣、煤層氣、頁巖氣)[41-42]、可燃冰[43-44]等提升氣藏開發(fā)效率(即增強采氣效率，Enhanced Gas Recovery,EGR)，并同時實現(xiàn)CO2地質(zhì)封存。驅(qū)替過程中涉及CO2和CH4等氣體在巖層中滲透、擴散、吸附、解吸等過程。CO2在地質(zhì)層中的滲透、遷移與注入壓力和溫度關(guān)系緊密，是CO2在地層中儲存安全性和遷移特性研究的關(guān)鍵問題[44-45]，決定了CO2在巖石層的滲透速率和吸附容量，此外煤巖類型、地層結(jié)構(gòu)、裂隙特征也是影響CO2封存穩(wěn)定性的因素[46]。天然氣在地層中可長期穩(wěn)定封存，因此，用于CO2封存時其密閉性或更可靠。

單純采用CO2驅(qū)替可燃冰時，開采效率受水合物層體積、可燃冰顆粒尺寸、CO2溫度、壓力和狀態(tài)影響[47]。因此，開采天然氣、煤層氣等時，受到干擾因素更少。LEE等研究發(fā)現(xiàn)當可燃冰最大尺寸從90 μm增加至150 μm時，甲烷回收率從41%降低至17%[48]。由于CO2捕集、分離純化的成本高昂，因此采用電廠煙氣直接用于可燃冰開發(fā)將極大降低開采成本。煙氣中的主要氣體為CO2和氮氣，兩者驅(qū)替烷烴的機理不同，因此組成比例對采收效率影響明顯[49]。將電廠煙氣直接用于天然氣等氣藏資源開發(fā)，可以極大節(jié)省CO2封存工程投資，但混合氣體的封存安全性，以及不同氣藏條件、注入方式將會影響技術(shù)的經(jīng)濟性和可行性。CO2在各類資源開發(fā)過程中可實現(xiàn)封存的主要原理為：利用其與巖石中的Ca,Mg,Fe及其他元素之間的沉淀作用將CO2碳酸化，因此，研究CO2在不同環(huán)境條件下，與周圍巖石之間的作用機理是CO2地質(zhì)封存的關(guān)鍵科學問題，并應(yīng)當以此為基礎(chǔ)，開發(fā)CO2碳酸化強化技術(shù)，提高目標地層的封存潛力。

2 CO2重要領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 CO2封存與高鹽度水協(xié)同處置

碳酸化過程是CO2實現(xiàn)穩(wěn)定地質(zhì)封存的重要過程，巖石及鹵鹽水中的Ca,Mg等陽離子濃度是決定CO2碳酸化主要關(guān)鍵因素。高鹽度水(如鹽鹵水、礦井水、反滲透膜濃水)中的鹽度可達數(shù)十克每升甚至更高濃度，同時具有較高的鈣、鎂等離子，因此均具有一定的CO2碳酸化潛力[35,50-51]。1.2節(jié)中提及的鹵鹽水膜濃液重新注入地層不僅可以降低技術(shù)成本，而且有望增強 CO2地質(zhì)封存容量。類似的，大型煤炭基地附近一般建有坑口電廠，這種情況下，將同時面臨礦井水和冷卻水處理利用及CO2減排的問題。2021年1月，國家能源集團所屬錦界電廠(坑口電廠)建成了國內(nèi)最大規(guī)模CCS全流程示范工程(15萬t/a)，該項目捕集的CO2純度大于99%，除商業(yè)用途外，也可以將礦井水和冷卻水處理過程中產(chǎn)生的反滲透膜濃液同時與CO2注入地層中封存，實現(xiàn)濃鹽水減量化并強化CO2在地層中的碳酸化過程，從而穩(wěn)定封存。郭強等[50]提出在礦井下建立“直濾系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)”深度處理和濃鹽水井下采空區(qū)封存技術(shù)，這可以和CO2封存與高鹽度水協(xié)同處置技術(shù)互為補充。煤礦采空區(qū)可以作為高濃鹽水緩沖儲存地，也可以作為CO2碳酸化后穩(wěn)定產(chǎn)物的儲存地。如果坑口電廠捕集的CO2用于高鹽度水共封存，則其中存在的氮氧化物、硫氧化物等在一定程度上可接受度更強，或可節(jié)約CO2捕集及解吸成本，但應(yīng)當注意電廠尾氣中的氮氣將會占用相當一部分地層儲存容量，因此，如果采用混合氣體注入，應(yīng)當對其最佳比例進行研究。在膜濃液中添加氨水、有機胺等堿性試劑可以顯著提升對CO2的吸收和溶解效率[52-53]，碳酸酐酶也可作為催化劑加快CO2碳酸化過程[54]，但同樣存在成本過高問題。此外，研究利用粉煤灰、鋁土礦渣、磷石膏等固廢強化礦井水濃水CO2碳酸化技術(shù)，利用其中的堿性氧化物提高碳酸化產(chǎn)物穩(wěn)定性具有一定前景。CO2封存協(xié)同濃鹽水封存技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 CO2地質(zhì)封存與礦井水膜濃水協(xié)同處置技術(shù)示意Fig.2 Schematic diagram of CO2 geological storage with synergistic coal mining water membrane concentrate treatment

類似于煤礦采空區(qū)用作CO2與礦井水膜濃液的封存場地，油氣田、深部鹵咸水等采空區(qū)同樣可加以利用。目前該領(lǐng)域的研究較為缺乏。不同地層壓力、溫度、鹽度、注入方式等因素對CO2溶解度和碳酸化速率影響，CO2/濃鹽水/巖石等介質(zhì)間的界面作用[55-61]，超臨界CO2對巖石力學穩(wěn)定性影響[62]，高壓下產(chǎn)生特殊物質(zhì)，如鹽酸在不同介質(zhì)間的遷移行為[63]等相關(guān)問題受到關(guān)注。CO2封存與高鹽度水協(xié)同處置過程中涉及的管道腐蝕、堵塞及減緩技術(shù)及原理、CO2在地層中的碳酸化速率、潛在泄漏、強化CO2碳酸化技術(shù)及原理等關(guān)鍵問題亟待深入研究。

2.2 CO2用于煤炭地下氣化并封存

煤炭地下氣化(underground coal gasification，UCG)是通過氣化劑與煤的氣化反應(yīng)將煤在地層中原位轉(zhuǎn)化為CO,CH4,H2等可燃氣體的過程[64-66]，產(chǎn)生的混合氣體直接輸送至地面利用，可節(jié)省開采、運輸?shù)攘ξ锪?。氣化劑通常為空氣、氧氣、水及其混合物，氣化過程較難控制[67]。采用CO2與氧氣按照一定比例混合作為氣化劑，可以降低氣化強度，同時避免水作為氣化劑在煤層表面分布不均的問題，提升了煤炭地下氣化的可控性。煤氣中的CO2分離后可重復(fù)使用，直接參與煤炭氣化產(chǎn)生的合成氣原位重整過程(Boudouard反應(yīng)，C+CO2→ 2CO)，可在一定程度上減少CO2排放，并提高合成氣熱值[64,68]。UCG過程中不同階段涉及的反應(yīng)過程[65]如圖3所示。JIANG等[69]通過模擬計算認為UCG采空區(qū)(包括產(chǎn)生的各種燒焦物質(zhì)和碎石)可以作為CO2儲存場地，煤層巖石蓋層和CO2吸附導(dǎo)致的殘留煤膨脹可以有效限制CO2在豎直方向上的擴散和遷移。研究認為UCG聯(lián)合CCS為未來煤炭發(fā)電最有前景的技術(shù)，同時實現(xiàn)溫室氣體減排、煤灰減排、降低煤炭開采運輸?shù)裙こ掏顿Y，且相較地面煤制天然氣成本更低[70-71]。除了產(chǎn)生合成氣資源外，UCG過程中將產(chǎn)生重金屬[72]、多環(huán)芳烴[73]等污染物，應(yīng)當予以關(guān)注，避免對地下水的污染。

CO2在UCG過程中很難直接通過添加試劑或吸附劑的方式增強封存容量，但在UCG工程完成以后，可以利用煤炭氣化后產(chǎn)生的空間實現(xiàn)CO2封存，此時CO2強化吸收技術(shù)便有了充分發(fā)揮作用的空間，JIANG等[69]建立了一個3D的UCG空間模型，以10 000 d為模擬周期，同時考慮了殘煤、焦煤等物質(zhì)的吸附、溶脹作用，證明了利用UCG產(chǎn)生的空間實現(xiàn)CO2長期穩(wěn)定封存的可能性。UCG技術(shù)在開采難度大、埋深大的儲層優(yōu)勢更加明顯，也可產(chǎn)生額外的CCS封存空間，同時已有鉆孔也可節(jié)省CO2封存的成本，具有一定優(yōu)勢。在技術(shù)實際應(yīng)用的過程中，也可以考慮與高濃鹽水協(xié)同處置、固廢協(xié)同處置等同步進行。

目前國內(nèi)外的UCG項目大部分均為產(chǎn)業(yè)化試驗[74]，我國從1958年開展相關(guān)研究以來，共建設(shè)UCG工程20余項[75]，但國內(nèi)外只有很少UCG工程實現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化[76]。2007年南非建成了世界上最大的煤炭地下氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站(UCG+IPCC)，容量可達2 100 MW[77]。美國在UCG技術(shù)方面有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室提出的受控注入點后退氣化工藝(CRIP)是現(xiàn)代煤炭地下氣化的基礎(chǔ)，對深部煤層的氣化具有顯著優(yōu)勢[78-79]。深部煤層采空區(qū)對于封存CO2的安全性和可靠性更好?？傮w上看，當前對煤炭地下氣化封存二氧化碳的機理及控制技術(shù)、潛力評估、效益分析、安全防控技術(shù)及環(huán)境風險評估等方面缺乏深入研究[76-77,80-81]。

2.3 CO2用于深部干熱巖發(fā)電并封存

干熱巖在地球上的蘊藏量十分豐富，是地層中深3～10 km、溫度為150～650 ℃的高溫巖體。保守估計，地殼中干熱巖所蘊含的能量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的 30 倍[82-83]，而且干熱巖型高溫地熱資源是水熱型系統(tǒng)中可供利用能量的 100～1 000 倍[84]。以 CO2為載熱流體的增強地熱能系統(tǒng)(Enhanced Geothermal System，EGS)，是一種利用CO2開發(fā)地熱資源的有效方式。

中國地處喜馬拉雅和環(huán)太平洋地熱帶，地熱能占世界總量的 7.9%[85]，中國儲存在3～10 km處的地熱能為2.52×1022kJ，美國為1.4×1022kJ[86-88]。LUND等[89]統(tǒng)計結(jié)果顯示，截止2015年，直接利用地熱(熱泵)裝機容量(MWt)前五的國家為：中國、美國、瑞典、土耳其及德國，占世界總裝機容量的65.8%，全球利用地熱能共節(jié)約相當于5 280萬t石油，可減排1.49億tCO2。

干熱巖作為一種清潔能源，具有良好的應(yīng)用前景。在干熱巖資源臨近區(qū)域，可以直接用于供熱，但距離較遠地區(qū)成本過高，熱量損失大，將熱能轉(zhuǎn)化為電能則具有更強可行性。相比光伏發(fā)電、風力發(fā)電、及干熱巖直接供熱等。以超臨界CO2為工質(zhì)利用干熱巖能量進行循環(huán)發(fā)電更加穩(wěn)定、受天氣和環(huán)境狀況影響小，其發(fā)電利用率居可再生能源首位[90]。CO2-EGS技術(shù)原理如圖4所示。

圖4 CO2用于干熱巖發(fā)電原理示意Fig.4 Schematic diagram of hot-dry-rock driven power generation by utilizing CO2

CO2作為CO2-EGS工質(zhì)流體，多項性質(zhì)均優(yōu)于水，且可節(jié)約水資源。同時，能夠提高采熱效率，對干熱巖資源開發(fā)具有重要意義[90]。CO2作為熱交換介質(zhì)在巖層中運移過程中，部分會與巖石(Ca,Mg,Fe等氧化物)反應(yīng)生成新礦物，從而實現(xiàn)CO2封存[91-92]。CO2作為采熱介質(zhì)比H2O采集效率更高，也可減少管道及其他設(shè)備的結(jié)垢、腐蝕等問題[93-94]。雖然CO2在滲漏過程中可以與周圍巖石裂隙中的礦物質(zhì)發(fā)生沉淀反應(yīng)，降低圍巖孔隙率和滲透率[95]，但在實際工程中CO2損失率可達到1 t/s(當CO2-EGS發(fā)電裝機容量為1 000 MW)，即1 000 MW的CO2-EGS發(fā)電系統(tǒng)需要3 000 MW的燃煤電廠作為CO2氣源[96]。因此，研究CO2在干熱巖發(fā)電過程中耗散機理及遷移轉(zhuǎn)化行為，對CO2封存的穩(wěn)定性及可行性尤為重要。我國地熱資源大部分位于北方地區(qū)(如青藏地區(qū)、華北地區(qū))[97]，屬于我國缺水地區(qū)，因此利用CO2作為工作介質(zhì)開采地熱可避免進一步增加地區(qū)用水壓力。上述地熱資源富集地區(qū)距離我國煤炭主產(chǎn)區(qū)(晉陜蒙甘寧地區(qū)，煤炭產(chǎn)量占全國70%以上，同時也是水資源匱乏地區(qū))[98]較近，可以充分利用坑口電廠作為CO2來源的優(yōu)勢，以更低成本開采鄰近地區(qū)地熱資源。燃煤電廠廢氣中CO2體積分數(shù)為 10%～15%，而CO2捕集分離成本高(占CCS技術(shù)成本的85%)[12]，如果可實現(xiàn)CO2,N2等混合氣體作為地熱采集的工作介質(zhì)，技術(shù)成本將有望大幅度降低。此外，直接采用特殊行業(yè)(如制氨、制氫等)產(chǎn)生的尾氣(含有高濃度的CO2)直接用于EGS，可大幅度降低工程投資[99]。

3 CCS技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及展望

未來我國能源結(jié)構(gòu)將更加多元化，地熱能、太陽能、風能及化石能源將會同步發(fā)展。利用CO2開采可燃冰、石油、天然氣、深層鹵鹽水等資源并同時實現(xiàn)封存具有良好應(yīng)用前景。全球的CO2地質(zhì)儲存潛力(尤其鹵鹽水層)，以及多元化的CO2地質(zhì)利用技術(shù)可以滿足世界各國實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標的需求。CCS大規(guī)模應(yīng)用目前仍具有很大挑戰(zhàn)，需要不斷技術(shù)迭代，以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，當前在CO2捕集、分離、運輸、CCS工程管理方面仍面臨一些關(guān)鍵的科學問題亟需解決，總結(jié)如下：

1)技術(shù)缺乏且成本高：目前CCS技術(shù)成本較高且尚不成熟限制了其大范圍應(yīng)用，涉及環(huán)節(jié)主要包括CO2捕集及分離技術(shù)、CO2液化及運輸技術(shù)、CO2混合氣體運輸及注入技術(shù)、CO2遷移及監(jiān)測技術(shù)、鹵鹽水和地熱能等開采成套技術(shù)等。CO2捕集、分離、儲運、注入等過程本身消耗能量，并需要投入大量化學試劑，這同樣意味著碳排放，因此只有在捕集分離等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的成本、能耗均降低到合理范圍，大規(guī)模開展CCS工程才更加可行。

2)法律、標準缺乏：通過對現(xiàn)行的國際法律、標準及政策分析可知，CCS技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)及管理制度體系建設(shè)仍欠缺,亟需新建和完善。涉及封存地層選擇、封存容量評估、CO2碳酸化程度評價、封存安全性評價、環(huán)境影響評價、生命周期評價、項目全流程管理等。碳排放相關(guān)的政策法規(guī)、技術(shù)標準、核算方法等應(yīng)作為側(cè)重考慮的研究方向。如歐盟正在推進的碳邊界調(diào)整機制(Carbon Border Adjustment Mechanism)，或?qū)Ω骶喖s國經(jīng)濟發(fā)展帶來不同程度影響。聯(lián)合國際組織和各國專家，建立科學公正的法律、政策、技術(shù)等層面的規(guī)范，將有利于國際社會早日實現(xiàn)“雙碳” 目標。

長遠來看，應(yīng)當將區(qū)域乃至全國的重要固定排放源碳排放量(火電廠、鋼鐵廠、水泥廠、玻璃廠、化工廠等)，及深部咸水層、采油區(qū)、煤炭開采區(qū)(尤其不可開采煤層)、采氣區(qū)(可燃冰、天然氣等)、干熱巖的CO2利用/儲存潛力等建立清單，并對不同來源的CO2依據(jù)使用地點、使用量、使用周期等做好統(tǒng)一調(diào)配和運輸規(guī)劃。為全國CCS相關(guān)配套工程的建設(shè)布局提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，為技術(shù)大規(guī)模工程應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

此外，CCUS工程各環(huán)節(jié)研究成本高，所以大多研究均針對某個工藝或特定技術(shù)開展。建議設(shè)立國際合作項目以調(diào)動全國乃至世界各國在各個環(huán)節(jié)的優(yōu)勢研究團隊，持續(xù)創(chuàng)新攻關(guān)，在全球率先建立全方位、全流程、全生命周期的示范工程，利用“雙碳” 目標的契機，建立國際科研合作交流的新高地和新模式，帶動上下游產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點，并最終為政府間協(xié)調(diào)機制、政策規(guī)范、最佳可行技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用、風險評估、凈碳排放核算等各方面研究提供直接的科學依據(jù)。

總體來講，CO2理論地質(zhì)封存容量完全可以滿足全球減排需求。隨著CCS關(guān)鍵技術(shù)成本降低和管理制度不斷完善，有望為《巴黎協(xié)定》最終目標的實現(xiàn)發(fā)揮更加重要的作用。