山西省二氧化碳地质封存与经济可持续发展研究

□赵黎黎

(山西省分析科学研究院，山西 太原 030006)

山西省二氧化碳地质封存与经济可持续发展研究

□赵黎黎

(山西省分析科学研究院，山西 太原 030006)

加强我省碳减排工作的开展，不仅是应对全球气候变化的迫切需要，也是我省建立综改试验区，走可持续发展道路的必然选择。本文分析了二氧化碳排放、捕获及封存技术的基本知识以及对山西可持续发展的重大意义，指出了山西省经济社会发展中二氧化碳地质封存存在的问题等。

二氧化碳地质封存；可持续发展；碳减排

随着社会经济的快速发展，温室气体排放量日益增多，并已逐渐成为国际社会共同关注的问题。温室气体中最主要的气体是二氧化碳，为了应对全球气候变暖给人类社会带来的不利影响，全球开始掀起全面控制二氧化碳等温室气体排放的一系列举措。据挪威的奥斯陆国际气候与环境研究中心(CICERO)预计，2016年我国二氧化碳累计排放量将达到1464亿吨，将超过美国的1462亿吨，跃居首位。因此为了抑制全球气候变暖，我国必须发挥重要作用，应采取积极措施以缓解二氧化碳排放带来的温室效应。山西省是我国产煤大省，也是火力发电大省，山西省90%的能源消费为煤炭资源，而非化石能源仅占能源消费总量的约3%，二氧化碳的排放量居全国之首。因此，积极开展二氧化碳捕获及地质封存技术，建立山西省二氧化碳地质封存模型并加以实际应用，可减少山西省二氧化碳排放和减缓温室效应，实现节能减排，低碳发展是山西实现可持续发展的必然选择。

1 我国及我省二氧化碳减排目标

由于我国二氧化碳排放量每年呈上升趋势，我国已于2009年提出了减排目标：即与2005年相比，到2020年我国单位国内生产总值的二氧化碳排放量下降40%-50%。我国已经将该目标作为我国经济与社会发展的中长期规划目标，并且制定了相应的监测、考核办法。而我省也于每年制定减排降碳工作目标，2014年-2015年，单位GDP二氧化碳排放量逐年下降3.0%以上，到2015年完成累计下降17%的减碳目标。这些都无疑充分证明了我省为了应对气候的变化,有效开展减排二氧化碳、加快可持续发展道路的决心。

2 二氧化碳捕获与封存技术

二氧化碳捕获与封存(简称CCS)，是把能源利用以及工业生产过程中产生的二氧化碳通过一定的化学反应捕获、压缩并封存到一定合适的地层构造结构体中，封存住二氧化碳，不造成排放。此技术具有减缓气候变化和减排温室气体的巨大潜力，对我省走可持续发展道路，对于我省资源型经济转型综合配套改革试验区建设具有重要意义。据相关研究机构统计，目前发电行业的二氧化碳排放量占总量的40%，二氧化碳地质封存技术可以将发电行业二氧化碳的排放量减少20%到40%。另外，如果把二氧化碳的注入封存和开采油气、煤层气相结合，将提高油气采收率，具有一定的经济效益。

地质封存是直接将二氧化碳注入地下的地质构造当中，如油田、天然气储层、含盐地层和不可采煤层等都适合二氧化碳的封存。把二氧化碳注入油田或气田用以驱油或驱气可以提高采收率；注入无法开采的煤矿，因其可吸附于煤层表面，可以把煤层中的煤层气驱出来，提高煤层气采出率。

3 我国与世界各国二氧化碳封存技术现状

3.1 挪威Sleipner项目

由挪威国家石油公司在1996年开展的Sleipner项目，是世界上第一个将二氧化碳封存在地下咸水深层的案例，该项目每年封存100万吨二氧化碳。

3.2 德国黑泵电厂项目

由瑞典瀑布电力公司于2008年在德国东北部的施普伦贝格动工建设开展的黑泵电厂项目，这是世界上首个能捕集和封存自身所产生的二氧化碳的燃煤电厂。

3.3 中英煤炭利用近零排放合作项目

中英煤炭利用近零排放合作项目以及中英煤炭利用近零排放项目，旨在减少二氧化碳排放。

3.4 二氧化碳封存至地下咸水层项目

我国在2012年第一次开展的将二氧化碳封存至地下咸水层项目，已累计封存二氧化碳4万多吨，在碳捕获与封存技术方面取得突破性进展。此项封存技术有望成为全世界减少碳排放份额最大的单项技术，将为中国在清洁利用煤炭资源和温室气体减排以及我国经济走可持续发展方面做出更多贡献。

4 山西省二氧化碳排放、捕获及地质封存研究现状及存在的问题

4.1 山西省煤炭及煤层气资源存储量现状

山西省是煤炭资源大省，也是煤层气资源大省。统计数据显示，山西煤层气资源储量约10.39万亿立方米，占到了全国总量的近三分之一。而我省多数煤田的煤层渗透率极低，特别是高变质的无烟煤，虽然含气量极高，但由于煤层的渗透率特低，难以得到较好的开发利用。采用向深煤层注入二氧化碳，不仅可以提高煤层的有效渗透率，促进煤层气的解吸，又可以实现二氧化碳的封存，产生社会效益的同时可以生产比煤炭更清洁的能源煤层气甲烷，对山西省产业结构调整及带动相关领域的发展将产生积极的影响。

4.2 山西省碳排放现状

我省主导产业是煤炭工业、火力发电工业和炼钢工业等高耗能工业，因此，烟尘、粉尘和固体气体废物的排放尤其严重。据研究表明，1991年至2011年，全国和山西省碳排放量的总趋势是增长的，山西省碳排放量占全国的比重是GDP占全国比重的2倍。尤其是2009年，山西省碳排放量高达8633.52×10^4/t。为减少二氧化碳排放量，提高能源利用率，就必须加快掌握二氧化碳地质封存技术并加以利用，从而缓解由于工业环境问题带来的经济社会问题，达到由资源省份模式到资源集约利用省份，走可持续发展的必然之路。

4.3 山西省二氧化碳捕获技术研究现状

碳捕获就是捕捉释放到大气中的二氧化碳，压缩之后，压回到枯竭的油田和天然气领域或者其他安全的地下场所。我省目前采取两种方式提高碳捕获能力：

对活性炭小球的物理性质如比表面积、孔结构进行调控，来增强其对二氧化碳的捕获能力。所采用的方法是对所制备的树脂球在进行炭化活化前先进行空气氧化处理，这样可将树脂球的坚硬外壳予以一定程度的造孔，利于后续活化剂如水蒸气顺利进入小球内部进行活化，从而制得比表面积高、孔结构发达的活性炭球。

对活性炭球进行富氮处理。通过改用含有氨水的活化剂来代替纯粹的水蒸气可将氮元素接到活性炭球的骨架上，氮含量从直接水蒸气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%。由此对二氧化碳捕获量也从3.71wt%增加到9.01wt%。

4.4 山西省二氧化碳封存地点现状

储存地点的正确选择和评估对于确保被封存的二氧化碳长期留存在地质结构中至关重要。从资源分布来看，我省有着埋藏浅的煤层气资源，有约占总资源量的68%埋藏在1500米以内的浅层区域资源量;沁水、河东两大煤田的煤层气资源占到总资源量的97%，分布比较集中。其中，沁水煤田为中生代末形成的构造盆地，盆地最深处奥陶纪顶面深约2500米。其中有约3000亿吨的煤炭资源存储量，于1989年已有860亿吨煤炭储量被探明，占全国煤炭储量9.58%。而那些尚未探明的预测煤炭资源中，很大一部分属可靠级，且大部分埋藏小于1000米。沁水煤田地质构造条件简单，煤层倾角平缓，断层少，具备良好的煤炭资源及煤层气资源开发及二氧化碳地质封存地质条件。

4.5 我省开展二氧化碳地质封存存在的问题

4.5.1 经费问题

对于分离提纯、运输和封存这些工业排放的二氧化碳皆是一笔很大的费用。由于发电厂等工业生产中产生的烟道气中只含有少量的二氧化碳气体，与压缩的烟道气相比，处理纯的二氧化碳所需的贮存空间大约只有烟道气的1/ 50 ，而地下贮存空间是非常有限的，因此只有把二氧化碳从烟气里提取出来，提高二氧化碳的纯度后，才能充分有效地对它进行地下处置。目前的二氧化碳捕集技术成本昂贵且效率低，据估算，二氧化碳的捕集成本占二氧化碳储存成本的2/3以上，因此二氧化碳捕集成本问题是二氧化碳地质封存商业化的主要障碍。

4.5.2 安全问题

深层封存二氧化碳虽然封存了二氧化碳，一般情况下不会逸出来，但是二氧化碳地质封存仍有可能对人类和环境造成较大的影响，因此存在一定的风险。例如在运输和注入二氧化碳的过程中存在泄漏问题，或者选址不恰当,有可能会引发二氧化碳的泄漏。封存过程中二氧化碳的泄漏也有可能会导致其进入饮用地下水的补给层,从而降低地下水PH值，导致微量元素含量浓度增大从而影响水质。另外, 二氧化碳的泄漏也可能引起重金属污染物由矿体进入附近的饮用地下水补给层中,从而造成地下水水质的破坏。再有，由于封存了大量二氧化碳，地质结构将会受到改变，储气层中或附近高的孔洞压力可以诱发微小的地震,甚至发生破坏性地震。最后，二氧化碳注入后，与油或其他气体共存于一个存储层，由于构造压力的减小或增大均会诱发断裂,导致地表向上抬升或向下错断。

4.5.3 技术问题

根据我省煤田的实际情况，以长期封存二氧化碳为目标，研究目标储层和盖层性质及其可变性及相关地质问题，是开展二氧化碳地质封存工作需研究的关键科学问题。其主要问题包括：建立二氧化碳地质封存适合的地质结构。为进行二氧化碳地质封存，须有几个要求：有稳定的地质机构，火山、地震以及地面山体断裂均不易发生，并且存储气体的密实程度比较高，不易泄漏；具有较高的储层孔隙度和渗透率；二氧化碳在800米以下的储层深度，以及储层压力超过二氧化碳的临界值(31℃， 7. 4MPa) 的条件下进行压缩，可达到所需较高的密度;地质结构最上面要有不透气盖层。最后，运输二氧化碳到达封存地点也是开展二氧化碳地质封存技术课题的关键问题之一。

5 二氧化碳地质封存对山西省可持续发展的意义

5.1 开展二氧化碳地质封存有助于驱替煤层气

二氧化碳地质封存技术中的驱替采油、采汽或采集煤层气技术，这些不仅可以封存二氧化碳，减少二氧化碳的排放量，又都能促进提高剩余油、汽资源的开发及利用。这些技术既能增加我省石油或煤层气的开采量，延长这些非可再生资源的使用率，又能为开发新能源新技术提供时间和空间，促进我省可持续发展道路。

5.2 开展二氧化碳地质封存有利于减缓气候变暖

开展二氧化碳地质封存，有利于缓解气候变暖，适当改善我省境内小气候环境，也可以对一些极端恶劣天气的出现起到积极遏制作用，缓解因降水量不均匀引起的环境地质灾害、植物动物种类的灭绝等生态现象，从而有利于我省开展可持续的生态环境和人类居住环境。

5.3 开展二氧化碳地质封存有助于与世界接轨

全球对于减排二氧化碳问题都积极推行有效的举措，我省开展二氧化碳地质封存，也是与世界接轨，避免因气候变化、环境以及自然环境灾害造成的人道主义危机，从而有利于维护世界和平和本地区的稳定发展，进而为我国的经济可持续发展以及社会进步提供稳定的国际环境。

减排二氧化碳排放量的问题是一个亟待解决的全球性问题，必须借助全球力量，通过共同协作的方式加以解决。我省多数煤田的煤层渗透率极低，特别是高变质的无烟煤，虽然含气量极高，但由于煤层的渗透率特低，难以得到较好的开发利用。采用向深煤层注入二氧化碳，不仅可以提高煤层的有效渗透率，促进煤层气的解吸，又可以实现二氧化碳的封存，产生社会效益的同时可以生产比煤炭更清洁的能源煤层气甲烷，对山西省产业结构调整及带动相关领域的发展将产生积极的影响。

[1] 臧雅琼，高振记，钟 伟.CO2地质封存国内外研究概况与应用[J].环境工程技术学报,2012(6).

[2] 李义曼,庞忠和,李 捷,孔彦龙.二氧化碳咸水层封存和利用[J].科技导报,2012(19).

[3] 刘延锋,李小春,白 冰.中国CO2煤层储存容量初步评价[J].岩石力学与工程学报,2005(16).

[责任编辑：王文俐]

2016-06-06

山西省回国留学人员科研资助项目“山西省二氧化碳地质封存地点调查与研究”( 2009-100)

赵黎黎(1980-)，女，山西大同人，硕士，现工作于山西省分析科学研究院，助理研究员，研究方向：环境经济。

P467

A

1008-9101(2016)04-0055-03