为二氧化碳寻归宿

自从人类社会诞生以来，人类的活动，尤其是生产活动，便开始影响地球环境。西方工业革命以来，大机器工业的发展带来生产力的高速增长和对环境的严重破坏，二氧化碳等一系列温室气体的排放，对气候的影响日益加剧，导致温室效应愈演愈烈，地球气候正经历着以全球变暖为主要特征的变化。

　　如今，减少二氧化碳等温室气体的排放，已成为人们面临的重要课题之一。

　　减少二氧化碳的排放有很多技术手段。比如提高现有设备的燃烧效率，尽量少使用煤炭、石油、天然气等化石燃料；利用风能、太阳能、水能、核能等洁净能源，使用生物质燃料，等等。

　　

　　谁排放了二氧化碳

　　

　　对我国来说，在相当长的一段时期内，煤炭仍然是主要的能源。如何有效处置燃煤产生的二氧化碳，对实现节能减排目标，保护环境都至关重要。

　　根据粗略统计，交通运输业是排放二氧化碳的主要行业，大约占二氧化碳总排放量的1／3。交通运输所排放的二氧化碳是由成千上万辆机动车产生的，这些二氧化碳很难被统一捕集。

　　火力发电厂则是排放二氧化碳的最大行业。火力发电厂燃烧化石燃料后排放的二氧化碳大约占全球人类活动排放的二氧化碳总量的24％。

　　除火力发电厂外，建材、陶瓷、水泥、玻璃、冶金以及化工等行业，也燃烧化石燃料，不过，排放量要小得多。

　　由于化石燃料的燃烧是在锅炉等工业设备中进行的，比较容易在管道系统中进行二氧化碳的分离和捕集。因此，首先处理火力发电厂排放的二氧化碳是切实可行的减少温室气体排放的办法。

　　科学家们目前研究的重点是对工厂排放的二氧化碳进行捕集和分离，然后将其压缩成液体，输送到合适的地点，封存于地下。

　　最新研究显示，未来50年内，深埋二氧化碳可能成为减少温室气体的重要方式。

　　

　　地下　二氧化碳好去处

　　

　　我们人类生活、居住在地球表面，地下的岩石结构非常复杂。地质学家把地球表面到地下平均厚度17千米深处的这一部分，称为地壳。一般情况下，人类发现并开采的矿产，如铁矿、铜矿、金矿等，最深处也就在1～2千米。目前，煤矿开采深度普遍为几百米至1千米，往更深的地下开采的并不多；石油、天然气的埋藏深度相对深一些，可达几千米。

　　如果我们充分认识了解、利用我们脚下的岩石结构，就可以把捕集的二氧化碳储存起来。

　　在联合国政府问气候变化专门委员会(IPCC)的评估报告里，就介绍了埋存二氧化碳的几种主要技术，包括：注入衰竭油气田：注入油气田提高采收率；注入海洋或陆地咸水层：注入深部不可开采煤层与可开采煤层，增加煤层气产量；还有一些其他方法，如注入玄武岩、油页岩及岩石洞穴等。

　　使用这些方法，都离不开对二氧化碳性质的了解。

　　二氧化碳是一种无色、无味、比空气重的气体，在标准状况下，密度是1.977克／升。在空气中，二氧化碳占0.03％。当温度／压力高于31℃／74大气压时，二氧化碳处于超临界状态(超临界点温度是31.1℃，压力7.384兆帕大气压)。处于超临界状态的二氧化碳，密度近于液体，黏度近于气体，扩散系数为液体的i00倍，是一种很好的溶剂，它的溶解性、穿透性均超过水、乙醇和乙醚等溶剂，具有很强的溶解能力。利用这个性质可以从多种物质中提取出有效成分，因而，二氧化碳在医药、食品、香料、烟草与化学工业中得到了广泛的应用。

　　

　　油田埋存储法提高石油采收率

　　

　　利用超临界萃取理论的原理，把二氧化碳注入到产量正在递减的油气田，可以提高油气产量，这是不少发达国家正在采用的技术。

　　从20世纪70年代开始，发达国家开始尝试把超临界二氧化碳流体萃取理论应用到石油工业，即把二氧化碳注入到油田的储油层，增加油气产量，并且取得了很好的效果。由于二氧化碳对烃类物质的萃取有自己的特点，超临界流体把原油中较重的碳氢化合物萃取出来后，这种液态混合物具有较好的流动性，容易流向生产井，进而被抽提到地表。在石油工业中，这种方法被称为二氧化碳驱油。

　　目前，比较成熟的处理技术是在距地面800米以及更深处进行二氧化碳的储存。在800米或更深的地方，地热梯度为25～35℃／千米、压力梯度为10.5兆帕／千米，游离的二氧化碳处于超临界状态，它的浓度变化范围为440～740千克／立方米。因此，在多孔和可渗透的储存岩层中，不需要特别的压力条件就可以储存二氧化碳。

　　世界上达到一定规模的工业性试验首推加拿大萨斯喀彻温省韦本(Weyburn，或称韦伯恩)油田。这是国际能源署(IEA GHG)温室气体研究的监测和储存项目，也是加拿大能源公司(Encana)涉及1.5亿美元、周期达30年，用二氧化碳增加石油采收率的商业项目。其目的是通过把加压的二氧化碳气体注入到油田储层中，以增加石油产量1.3亿桶。同时，通过综合监测，查明二氧化碳在被灌注到地下以后的运移规律，最终作为建立长期、安全的二氧化碳地下储存技术和范例。

　　通过研究，地质学家发现韦本油田的地质构造适宜进行注入试验。制定好方案后，项目首先于2000年9月在加拿大能源公司韦本19井阵(1平方千米范围的注一采井群组)中进行，初期注气量为2.69百万立方米／天(或5000吨／天)。现在的注气量为3.3g百万立方米／天，其中，每天有0.71百万立方米的二氧化碳通过生产井进行再循环。在实验区块中，每天的石油产量(20560桶)有1／4(超过5000桶)是由二氧化碳的注入所贡献的。到2008年生产周期，二氧化碳注入到75个井阵，注气量达108亿立方米(2000万吨)。

　　我国也在积极开展这个领域的研究与试验，科技部支持开展的973项目——温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存，就是通过二氧化碳提高石油采收率并且实现地质封存的示范工程。如今，这项工作已经取得了显著成效。

　　

　　海洋埋存储法限制虽多潜力大

　　

　　除了上面这种方法外，把二氧化碳注入地下深部咸水层，也是一种主要实现环境效益的措施。不过，由于没有其他经济补偿手段，注入成本昂贵。

　　研究表明，在沉积盆地的咸水层封存二氧化碳的温度／压力条件是：深度必须大于800米。只有在这样的深度，才能达到二氧化碳的超临界压力。

　　尽管采用深部咸水层储存二氧化碳有着诸多限制，但深部咸水层储存二氧化碳有很大的潜力。目前，世界各地区正在进行估测咸水层封存二氧化碳容量的研究，比如在美国的陆地和加拿大阿尔伯塔盆地、欧洲西北部的海洋、澳大利亚东部海洋等。

　　其中，比较有名的是20世纪90年代欧盟启动的一个咸水层封存二氧化碳项目(Sal ineAquifer CO₂ Storage，简称SACS)。

　　1998年，挪威国家石油公司(Statoil)与挪威、丹麦、荷兰、法国及英国的科学研究机构组成SACS计划集团，并开始收集有关二氧化碳注入到北海地区Utsira地层及其他类似地区的资料。SACS涉及了多学科方法，包括地质、地球化学、地球物理以及储库的工程、数值模拟。

　　在北海的斯莱普内尔(Sleipner)气田，人们将二氧化碳从产出的天然气中分离并注入到ut sira地层中。1996年10月开始注气，每年注入100万吨。Ut sira地层从南到北延伸400多千米，从东到西延伸50～100千米，面积2.61万平方千米。那里有两个沉积中心，一个在斯莱普内尔南部，厚度达到300多米：第二个在斯莱普内尔北部，厚度200米，该地层的局部厚度为200米，下面还有一层砂岩，进一步增加了储集层的总厚度。

　　据估算，utsira地层可储存欧洲几百年的二氧化碳排放量，数量还是相当可观的。

　　

　　煤层埋存储法置换甲烷保安全

　　

　　煤层是富甲烷气体存储的岩层，一般情况下，每吨煤中会产生4.3～6.2立方米甲烷，所产生的甲烷集结在煤层中，吸附在煤的表面上。煤岩内部多微孔，具有吸附大量气体的能力。在煤层压力条件下，煤对甲烷的吸附可高达25标准立方米／吨。煤的年代越久远，含气量越多。不同种类的煤对甲烷的吸附情况不同，褐煤的吸附量最少，烟煤和无烟煤每吨可含有30立方米的煤层气。

　　其实，煤同样可以吸附二氧化碳，而且煤与二氧化碳的亲和力比甲烷大，在相同的压力下，煤对二氧化碳的吸附量是甲烷的1.8～2.8倍。可被煤吸附的CO₂／CH4的体积比有一个变化范围：从无烟煤的1到褐煤的10以上。

　　由于二氧化碳与煤的吸附力比甲烷大，把二氧化碳注入煤层，可以保持储层的压力并很快置换出甲烷。

　　美国圣胡安盆地的煤田试验表明，注入3份体积的二氧化碳，可以得到1份体积的甲烷。一直到大部分甲烷都被置换出来以后，被注入的二氧化碳才会少量地从钻井口溢出。

　　我们知道，引发煤矿发生瓦斯爆炸的主要是甲烷等气体，既然二氧化碳可以把煤层中的甲烷置换出来，那么在较浅的煤层中，通过置换反应将甲烷置换出来，既利用了这部分煤层气，同时可有效避免发生瓦斯爆炸的危险，一举两得。

　　但是，在实际中，这种处理方式并不可取。因为浅层煤最终是要被采掘的。在采掘过程中，煤层吸附的二氧化碳又会被重新释放出来，还是没有达到减少温室气体排放的目的。

　　好在煤层的采掘是有限度的，超过1500米深度，再继续开采，经济上就不合算了。为了得到深部的煤层气，也同时为了实现二氧化碳的永久储存，可以在深部煤层注入二氧化碳，采集深部的甲烷。

　　只不过，现在的研究对深层煤圈闭二氧化碳的机理以及二氧化碳可能与煤发生的反应等问题，尚缺乏研究，相关项目的开展还需要进一步的研究试验。

　　我国是煤炭资源大国，至少有33个世和世以上的地质时代、有数量不等、质量各异的煤层沉积。对于煤层埋藏深度超过1800米以上的矿山，现有技术很难开采(我国现在有的煤矿已经开采到1000米了)，所以，对于煤层埋藏太深、太薄以及不安全的地区，可作为注入二氧化碳提高煤田甲烷的候选基地。目前，我国已在山西沁水盆地开展了注入二氧化碳提高煤层气采收率的微型先导性试验，试验煤层的深度为472～478米。

　　

　　备选方法实在多

　　

　　除了上面提到的技术，各国专家也都在尝试其他储存技术，比如将二氧化碳注入衰竭油气田。我们可以这样来认识这个方法：石油天然气是地球经过很长时间的演化(几百万年、几千万年甚至几亿年或更长时问)才形成的矿藏，把它开采出来后，它们原来在地下的空间，没有遭到多大的破坏，还可以再用来埋存二氧化碳。同时，原来的油气藏地质资料也可以为二氧化碳的注入提供技术支持。只是，现在国际上还没有工业规模试验的报道。

　　在海底开展储存二氧化碳的试验也仍处于研究阶段。科学家发现，在深海注入的二氧化碳会与水形成一种水化物，体积膨胀4倍：在不同深度，当把二氧化碳释放到海水中时，会产生气泡，并在气泡外面形成一层固态的水化物。这层外壳限制了=氧化碳与海水的接触；当海水深度大于2600米时，液态二氧化碳的密度比海水大；在3627米的海洋深处，液态二氧化碳表面能形成稳定的水化物外壳，与冬季池塘被冰覆盖的现象类似。

　　科学家做了一个实验来显示在海底储存二氧化碳的过程。他们在一个7升的大烧杯中放入3.5升(半杯)液态二氧化碳，在1小时内，由于每个二氧化碳分子与6个水分子连接组成一种新的水化物颗粒，结果原来的二氧化碳体积增大，这些化合物就漫溢过烧杯，流到外面了。

　　不过，人们还不清楚二氧化碳对海洋生物的影响，也不知道高浓度的水化物对深海环境会有怎样的影响?海洋生物又会发生什么反应?这些都有待于进一步研究。

　　科学家还有一种设想，是把二氧化碳注入相关的岩体，例如玄武岩，玄武岩在全球的分布很广。一般认为，玄武岩有很低的孔隙率，是一种低渗透率的岩石，并不适合于二氧化碳的储存。但科学家考虑这个问题时，想到了玄武岩的裂隙，当多孔隙、有渗透性和封闭的低渗透性夹层出现时，这些夹层可以封存二氧化碳。玄武岩比沉积岩更有潜力作为二氧化碳的圈闭层，因为在适合的条件下注入的二氧化碳与玄武岩中的硅酸盐反应，有可能形成碳酸盐矿物。目前，人们关于这种类型储存地点的知识很有限，需要开展进一步的研究来评估发生在玄武岩中的二氧化碳矿化作用的范围与速度。

　　另一种技术是在油页岩与含气沥青质页岩封存二氧化碳。油页岩的圈闭机理与煤层相同，都是把二氧化碳吸附在有机质上面。利用二氧化碳扩大页岩气(与扩大煤层气相同)的产量，减低储层成本。油页岩与含气沥青质页岩储存二氧化碳的潜力现在还不太清楚，但是大量页岩的存在说明储存能力是巨大的。

　　此外，人们还在加拿大西部和墨西哥湾开展了利用盐洞穴的盐层和穹隆构造储存二氧化碳的实验。(文章代码：1614)

　　

　　责任编辑　赵菲