摘要：对近年来新兴的CO2综合利用技术进行了分析，主要包括CO2的捕集、封存和CO2在强化采油、采气以及作为超临界萃取剂方面的应用。指出了各种CO2综合利用技术均能在CO2减排方面达到良好的效果。但由于技术水平和成本方面的限制，众多技术距离实际应用还有很长的路要走。
关键词：CO2；封存；捕集；超临界萃取
1引言
CO2作为一种化石燃料燃烧的副产物，其带来的负面效应对人类造成的影响已经不可忽视。近100年来大量的化石燃料燃烧造成空气中的CO2含量从1900年的280×10-6上升到2003年的360×10-6[1]，其导致的温室相应已经严重威胁到人类未来的发展。表1中显示了近1000年来大气中CO2的测量和估算值。
表1近1000年来大气中CO2含量估值
年份范围/年浓度/×10-6增长量/×10-6增长率/（×10-6/年）1000～1800800270～280100.011800～1950150280～310300.21958～197517315～330150.91975～200227330～370401.5
与此同时，CO2也是一种重要的工业气体。例如CO2可以在超临界状态下作为萃取剂，可以作为原料应用于有机物的合成，还可以在煤炭、石油的开采过程中用作助采剂[2]。另外，近些年来开始备受关注的CO2存储和CO2捕捉技术为缓解温室气体污染以及能源利用方面给出了一种新的解决方案。
所有这些方法和技术都为CO2的综合利用提供一个良好的解决方法，从而为减少CO2的排放总量做出贡献。目前，这两种技术在投入成本、经济效益、技术可靠性等方面存在较大的不确定性。由于经济和技术水平的限制，并非所有技术都适应社会的发展，同时由于实验性项目运行为时尚短，其安全性也有待考察，应予以科学合理的应用评价。
本文从CO2综合应用的原理出发，介绍了CO2捕集技术以及相关的应用案例。之后，从技术和经济角度评价了这些项目对降低CO2排放的意义。CO2的综合利用可以有效的降低大气中的碳排放，但在应用的过程中还有很多问题亟待解决，例如碳捕捉和碳存储的安全性和稳定性，CO2在强化采油和采气方面的可行性等等。
2技术综述
2.1CO2的捕获和封存
在CO2综合利用领域中，最基本的原理是CO2的回收。CO2在常温常压下是无色无臭的气体。由于它在常温下加压即可液化或固化，安全无毒，目前，CO2的回收来源于各种尾气、炉气和副产气，而后经过杂质分离，提纯和加压之后才能被存储和合理利用。
为了减少温室气体的排放，世界各国都在做着积极地努力。除了经济手段（对碳排放收取高额税费）和政策手段（强制减排政策）以外，在技术方面，CO2的捕获和封存正越来越受到人们的关注。这一过程之所以受到人们如此众多的关注，主要是因为在捕获，封存的过程中，不仅有利于减少CO2对大气中的排放，同时能够增加例如油田、煤田等的开采效率，是减少碳排放的一种优良的综合利用方法。
2.2CO2的捕获
CO2的捕获是指将CO2从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来并将其压缩的过程。这一过程中最大的技术困难在于实现碳的收集。碳捕获的主要目标是化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂等大量的零散的碳排放源，要对这些分布广，排放量又不均一的碳源进行捕捉面临着巨大的技术和成本的限制。
目前，针对化石燃料电厂的碳排放的捕获技术主要有3种，即燃烧后捕捉系统，燃烧前捕捉系统和富氧燃烧系统。
燃烧后捕捉系统是将燃料电厂排放的烟气进行吸收或吸附，再由分离除杂系统对收集到的烟气进行净化处理，之后将处理后的CO2气体进行封存或二次利用。
燃烧前捕捉系统是指在燃烧过程之前首先对燃料（例如煤炭或原油）进行脱硫脱灰等处理（例如将煤炭进行液化），使燃料的可燃物质和杂质分离，这样处理的结果能使得燃烧所排放的气体纯度更高，更有利于进行捕捉。
富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替化石燃料的燃烧介质，让燃料在燃烧过程中能与氧气充分的反应，燃烧的产物在经过冷却水蒸汽冷凝之后，烟气中CO2的含量能保证在80%～95%之间，在充分利用燃料的热能的同时提高废气中CO2的浓度，能使气体更利于收集。
2.3CO2的运输
在完成捕捉过程之后，接下来的步骤就是CO2的运输。CO2的运输是整套系统中商业化程度最高的部分，一般由海运或管道运输来完成。有研究资料表明，管道运输方式最有利于对CO2进行封存。由于碳排放地点分散，在CO2运输的过程中会涉及到大量的管道建设以及所附加的基础设施改建等成本问题。
2.4CO2的封存
经过捕获以及运输过程之后，CO2将被运送到存储地点进行封存。目前，封存的主要方法为地质封存（包括陆地地质封存和海底地质封存）。在地质层中，CO2主要以碳酸盐形式、气体形式、溶液形式或超临界形式存在。海洋地质存储主要有两种方式，一是将CO2通过固定管道或船舶将CO2溶解到水中（通常在底下1000m）；二是通过固定管道或海上平台将液态CO2存放于3000m深的海底。
陆地地质封存的原理与海底地质封存相似，不同的是，陆地地质封存不仅可以将CO2封存于地下，同时可以将其注入油气田中用作油气的助采剂以提高油气田的采收率，这在CO2综合应用领域具有十分积极的意义。
2.5CO2用于强化采油（EOR）
CO2应用于EOR也是CO2地质封存最早的雏形，其最早于20世纪70年代的美国德克萨斯州被采用，之后被以温室气体减排的潜在的可选方案被提出。目前该领域最广为人知的项目有挪威油气公司位于北海的Sleipner项目和加拿大的Weyburn项目。另外，图1中显示了世界范围内几个主要的应用EOR技术的国家[3]。
图1EOR技术应用分布
CO2用于强化采油技术分为混相驱油和非混相驱油两种技术，且不同的技术适用于不同类型的地质条件。高纯度CO2被压缩到大约14.15MPa后，通过注射井注入到二次采油结束后的油田。目前已获得的工程实践研究数据显示，将CO2作为驱油剂可将油田的采收效率提高10%～15%[4]。
2.5.1混相驱油技术
在EOR技术领域中，CO2混相驱油技术是一种应用较为普遍的技术。一般方法是采用CO2与水交替注入储层的，使得CO2与水的混相在油层前端形成稳定的混相带，随着CO2与水的不断注入，压力逐渐升高，当压力到达一定高度时，混相带推动原油向采油井移动，达到提高采油效率的效果。
CO2混相驱油技术的适用范围包括：原油储层深度在1000～3000m范围内；原油密度小于0.89g/cm3的致密且高渗透的油层；原油温度低于120℃，粘度较低的油层。
2.5.2非混相驱油技术
CO2的非混相驱油技术适合于压力衰竭的低渗透油藏，并且这种方法的应用很大程度上受限于地质构造条件，必须应用于有气顶的封闭构造。其原理是大量的CO2在压力的作用下溶解于原油中，使原油膨胀从而粘度降低，有利于原油的采出。
CO2强化采油已经作为一项成熟的技术应用于油田的开采，其最大的优势在于应用过程中不仅可以利用油田自身的钻井实现CO2的注入而不另需钻井，使得CO2方便的在地质层中进行存储从而降低排放，同时还可以延长油田的开采寿命，提高油田的采收率。DEZPC的油田日注入量为155.76万m3/d，提高采收率最大为10%。美国的Wasson San Aos油田利用CO2混相和非混相驱油，使原油采收率在水驱基础上提高了12.2%。
2.6CO2强化采气
CO2的强化煤层气开采技术在很多年前已被人们发现。煤层气的主要成分是甲烷，主要以吸附状态存储与煤层之间，与煤层共存。原始状态下，煤层气的甲烷含量可达到95%以上，另外还存在有少量的CO2、N2以及惰性气体。除了吸附态以外，煤层气中的甲烷还有少量以游离态存在，所以，CO2用于强化开采煤层气的原理实际上是游离态与吸附态的置换。
煤层气的吸附是以范德瓦尔斯力为基础的物理吸附。相较于甲烷气体的吸附，同等条件下CO2的吸附量是甲烷气体的4倍[5]，这就给CO2对甲烷气体的驱替作用提供了理论基础。
在具体的实施过程中，根据不同的煤层条件采集多种数据以便于将一定压力的CO2注入到煤层之中驱替煤层中吸附的甲烷[6]。首先，根据不同的煤层密度需要采用不同的压力来注射CO2气体；第二，根据体质构造的不同，需要进行详细的地质结构调查以防止CO2气体的泄漏；同样的，综合每层密度与地质构造条件，选择最佳的钻井位置可以最大程度的保证CO2的顺利加注。
2.7超临界萃取剂
CO2的另一项重要应用是作为超临界萃取剂应用于化工领域。任何物质都具有气、固、液三相，而气液共存点称为临界点，在这一特定的温度和压力下，物质的气液两相性质非常接近，几乎不可分别。当温度和压力均高于临界点温度压力时，称为超临界状态。
CO2的临界温度为31.1℃，临界压力为7.2MPa，超临界状态的CO2作为萃取剂的优点有[2]：无毒，不燃烧，与绝大部分物质不反应；临界温度适中，在萃取过程中不会对绝大部分物质的物理或化学性质造成破坏；流气两相既具有气相高扩散系数和低粘度的特点，又具有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力；密度对温度和压力的变化十分敏感，易于通过对温度和压力的控制对不同物质的溶解度进行调整；作为萃取剂的超临界CO2在完成萃取过程之后可以很轻易地气化逸散，完全避免了传统萃取条件下的溶剂残留和污染问题。
目前，众多的化工企业尤其是医药和香料生产企业使用的萃取工艺都是使用大量的化学溶剂或者蒸煮工艺进行萃取，这一过程不仅耗费了大量能源，同时萃取效果也往往不尽如人意，不仅造成浪费，化学萃取剂也可能对环境造成污染。超临界CO2萃取技术彻底解决了环境污染问题，同时，CO2的来源十分广泛，例如可以对工业排放的CO2进行回收，不仅成本低廉，还能为CO2的减排做出贡献。
2013年5月绿色科技第5期3应用限制
尽管CO2的综合利用技术能为CO2的减排提供优良的解决方案，但在实际过程中，仍有许多方法面临诸多问题亟待解决。造成这一结果的原因有很多，例如在技术方面，许多理论上可行的方法在实际运行中无法达到预期的效果；经济方面上的高额成本使得某些技术不具有经济可行性；另外由于目前正在实施的各个项目运行时间尚短，其做得到的例如安全、可行性数据还不足以证明这些技术方法值得大面积推广使用。
3.1技术问题
对于碳捕捉技术，最大的技术难题在于烟气的提纯和分离。目前，烟气的提纯和分离技术仍然是一项世界级的难题，包括燃烧和设备方面的技术仍然需要进一步研究解决[7]。
对于CO2的存储，特别是地质存储技术来说，所面临的最大问题是CO2的泄露。尽管众多的科学家都在这一领域进行了深层次的研究，并证明地质存储在技术上的可行性，但同样有许多人认为CO2的地质存储并不能达到所期望的安全级别[8]。过去数十年中，从Sleipner项目得到的科学数据给CO2的地质存储提供了一定的理论依据，但是在自然界中，CO2是经过了成百上千万年时间才稳定的存在于地质层中的，几十年的科研数据很难保证地质储层中的CO2在未来不会泄露到环境中去。所以，在收集到足够的科研数据及可行性验证之后CO2地质存储技术才值得推广。
对于CO2强化天然气开采技术，最大的困难来源于复杂的地质结构以及煤层的非均相分布。不同的煤层甲烷气压力要求的CO2注射压适当且准确的符合某一地质区域内的煤层压力，这使得CO2强化采气不具有通用性[7]。
3.2经济效益问题
在CO2综合利用领域中，经济效益是人们始终关心的话题之一，然而，目前已知的各种CO2综合利用方法其经济效益都无法令人满意。
在CO2埔捉技术中，其经济可行性的条件是要将烟气中CO2的浓度提高到30%～50%。想要达到这一浓度需要各种烟气分离和提纯技术作为支撑，然而这些技术目前均尚处于试验阶段。另外，CO2捕捉技术的应用面临着大量的设备设施的安装和改造难题，高额的成本会给一些经济欠发达地区带来沉重的负担[9]。
由于CO2排放点的不均匀分布，被捕集后CO2运输也成为一大难题。现有的技术中，被捕集的CO2需要被集中存储在特定的地质结构环境中，Svensson曾经论证过，对于长距离运输CO2管道运输是最节约成本的方式。但即使是这种“最节约”成本的方式，其高昂的管道建设成本仍会令大多数建造者望而却步[10]。
4评价与讨论
EIA[11]2011年发布的报告显示，未来20年中，化石燃料仍将是人类能源的主要来源。所以不可避免的是CO2等温室气体的排放仍将会持续并呈逐年上升态势。面对日益严峻的能源危机及环境问题，人类必须寻找到一种可行的方法来解决这些问题。
以目前的科技水平，降低单位GDP的CO2排放量可以暂时缓解人类对温室气体排放的需求，但其带来的最大问题是减排的同时也降低了整个社会的经济增长速度。面对以上问题，对CO2进行综合利用几乎能给出一个双赢的结果。
首先，CO2综合利用技术能够有效降低化石燃料燃烧所造成的温室气体污染。保护环境的同时也能节省巨额的CO2排放费用。其次，成熟可行的CO2综合利用技术也能给拥有它的公司带来不小的收益。
然而，在CO2综合利用发展的过程中人又不少问题值得人们关注。首先，基于现有的科技水平，无论对一家公司还是一个国家来说，CO2的综合利用都是一项高投入低产出的技术，在缺乏经济基础的情况下不能冒然对这一领域进行投资。其次，对于某些综合利用技术来说，例如CO2的地质存储，其安全性和可靠性还未能得到可靠的数据和研究作为支撑，其结果仍有待商榷。
参考文献：
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