我國碳捕獲與封存技術潛在環境風險及對策探討

王 新

（環境保護部環境保護對外合作中心，北京 100035）

我國碳捕獲與封存技術潛在環境風險及對策探討

王 新

（環境保護部環境保護對外合作中心，北京 100035）

為應對氣候變化，許多國家都在關注利用碳捕獲與封存（carbon capture and storage, CCS）技術減排，我國也積極與歐美國家進行CCS技術研發和示范項目合作。然而，該技術在碳捕獲、運輸與封存階段存在一系列環境風險，尤其封存階段環境風險難以預知和控制。為此建議：第一，高度重視潛在環境影響，加強CCS技術環境影響評價管理；第二，加強現在運行項目的環境監管，完善CCS項目的環境管理規定；第三，支持CCS技術的產業化應用，同時推進CCS技術試驗與研究工作。

碳捕獲與封存技術；環境風險；環境影響評價

國際社會正在逐步展開保護地球氣候的實際行動，提高能效、發展替代能源和CCS 技術是目前最為重要的三種減排手段。國際能源機構（IEA）預計化石能源在未來仍然是世界范圍內一次能源的主導來源，占2007年到2030年間總體能源消費增長的3/4以上。對化石燃料的依賴將使氣候變化和能源安全形勢變得更加嚴峻。而受到技術和資源儲量的限制，提高能效和發展可再生能源技術的減排潛力在一段時間后將會是有限的。因此，碳捕獲與封存（carbon capture and storage,簡稱CCS）技術作為一種新興的減排技術日益受到關注。

根據IPCC 2005年特別報告《CO2捕獲和封存》，CO2捕獲和封存（CCS）技術是指將CO2從工業或相關能源產業的排放源中分離出來，輸送并封存在地質構造中，長期與大氣隔絕的過程。CCS技術主要由三部分組成：碳捕獲、運輸和封存，這三大環節在許多領域均有應用，目前有較為成熟的技術可供借鑒。例如，20世紀70年代，美國的石油行業即采用提高采油率（Enhanced Oil Recovery，EOR）技術，將CO2作為油田注入劑用于驅油和提高石油的采油率；另外，工業生產中也可直接利用CO2，例如在園藝、冷藏冷凍、食品包裝、焊接、飲料和滅火材料中對CO2的應用。這些工藝能將CO2封存在含碳制成品中，但封存時間期限只有幾天到數月，而且封存總量很少。目前，人類正試圖合并CO2捕獲、運輸、封存三大技術，形成一個完全一體化的CCS系統，以大規模封存CO2。

1 國外CCS技術發展現狀

現有的CCS項目主要集中在歐洲、北美和澳大利亞。由于技術尚不成熟，目前，世界范圍內還沒有CCS技術的大規模一體化應用，即同時包括CO2捕獲、運輸和封存3個環節的大規模CCS示范項目。

碳捕獲技術主要包括燃燒前捕獲、燃燒后捕獲和富氧燃燒三種。燃燒前捕獲指利用煤氣化或天然氣重整將化石燃料轉化為主要成分為CO和H2的合成氣，進一步通過水煤氣變換反應將合成氣中的CO氣體轉化為CO2和H2，再將CO2分離出來；燃燒后捕獲指在燃燒設備（如鍋爐、燃氣輪機等）的煙氣中捕獲CO2；富氧燃燒以純氧為氧化劑，可以改善常規空氣燃燒造成的CO2濃度較低的缺陷，燃燒產物主要為CO2和水，再通過冷凝后的CO2能達到較高濃度，有利于對其進行捕獲。目前，大部分碳捕獲項目應用于電力領域，多采用燃燒前和燃燒后捕獲技術，CO2捕獲率能達到85－95%。

一般來說，捕獲工廠不會直接位于地質封存點上部，因此必須將捕獲的二氧化碳從捕獲地點運輸到封存地點。管道輸送是一項較成熟的技術，也是目前CO2大規模運輸的主要方式。在美國，每年有超過2500公里的管道運輸超過40 兆噸CO2。船舶的運輸量雖然也較大，但由于海外需求較小，所以船舶運輸的應用較少。公路、鐵路的運輸規模較小，適合于小批量、非連續性運輸。

二氧化碳封存技術包括陸地封存和海洋封存，但海洋封存技術尚處于研究階段。目前，封存項目主要集中在北美，且多為陸地封存項目，多數封存項目是將CO2注入地下用來提高油氣采收率。例如，加拿大的韋伯恩EOR項目，通過把加壓的二氧化碳氣體注入到油田儲層中，以增加石油采收率；阿爾及利亞的艾因薩拉赫天然氣項目是世界上第一個大規模將二氧化碳埋存于天然氣藏的項目，從2004年開始注入二氧化碳。

1.1 美國

美國對CCS技術的投入很大，2009年，美國從《經濟恢復和再投資法案》（ARRA）中撥款24億美元，資助擴大和加快二氧化碳捕獲與封存技術商業性技術開發。在《美國清潔能源與安全法案》中也規定，將分派給各公司溫室氣體減排補助的26%專門用于資助CCS等公共項目。此外，美國還通過建立CCS地區聯盟的方法，對全國鹽水層地質儲藏能力進行普查。

近年來，美國在CCS領域建立了許多示范項目。如2009年的西弗吉尼亞州登山者（Mountaineer）項目，將有可能成為第一個把所有燃燒后捕獲技術綜合在一起的示范發電廠。早在1970年代，美國就曾在德克薩斯州把二氧化碳注入油田作為提高石油采收率（EOR）的一種技術手段，但注入的大部分二氧化碳是從天然的二氧化碳氣藏采集，只有少量產自煤的氣化廠或化肥廠。目前的項目則以將捕獲的二氧化碳注入油田為重點。例如德克薩斯清潔能源項目(TCEP)，捕獲將建于德克薩斯米德蘭敖德薩附近電廠中的二氧化碳，然后將捕集到的二氧化碳處理、壓縮，通過管道運輸至西德州二疊紀盆地的油田，以提高石油采收率。

同時，美國也十分重視CCS相關法律法規地建立。2008年，美國世界資源研究所出版了《CO2捕獲、運輸和封存指南》建議稿。該指南針對CCS的環境影響管理提出了一些建議。在美國開展新的CCS項目或改進現有的發電廠，必須滿足《清潔空氣法》和《清潔水法》的要求；在封存過程中，要求對所有的封存項目進行風險評價、風險管理和風險交流計劃。風險評價至少應該包括對泄漏潛力、斷層、地震事故、人類健康和環境等的評價，而且，應對封存期間以及長期發生泄漏的可能性進行評價。

1.2 澳大利亞

澳大利亞也開展了“CCS旗艦計劃”，對CCS發展提供20億美元研發資助，并支持成立了全球CCS協會，致力于推動CCS在世界范圍內的發展。

澳大利亞溫室氣體技術合作研究中心開展了奧特威（Otway）項目，通過天然氣井向地下巖層灌注10萬噸二氧化碳，以獲得封存、監測與核實方面的技術信息。此外，澳大利亞也建立了一些CCS示范項目，如旨在推動燃燒前捕集技術的發展的ZeroGen項目等。

澳大利亞非常重視CCS相關法規的建立。2009年，澳大利亞政府委員會制定了CCS技術的環境指南，結合其環境管理制度，為項目參與者提供了一個一致的、連續的國家層面管理制度。

1.3 歐盟

歐盟是CCS技術研發的先驅，在2008 年6月即宣布歐洲將推進化石燃料發電廠碳捕獲與封存技術，并要求到2025 年將所有現有的化石燃料發電廠都改造采用CCS 技術。世界第一家應用碳捕捉及封存技術的試驗性煤電廠即由瑞典的瀑布能源公司（Vattenfall）在德國東北部勃蘭登堡州建立。目前，歐盟各國，如英國、法國、德國、意大利、西班牙、瑞典、挪威、荷蘭等，都在開展CCS項目。例如，2009年，法國的道達爾集團在法國西南部Pau附近建立了世界上首個包含了二氧化碳捕獲、運輸和地下封存全過程的CCS項目—Lacq試驗工廠；意大利的國家電力公司埃奈爾計劃在2010年完成第一個CCS 的試驗工廠并在2015年之前至少建成一座示范工廠。

歐盟實行了許多政策以促進CCS技術的發展。歐洲委員會在2012年遠景規劃中提出了對碳排放交易機制（EU-ETS）進行修改，試圖將CCS納入該機制。此外，歐盟采取了多種CCS補助政策，大致可以分為：降低CCS設施和運營成本的政策（歐共體國家補助指南）及為參與CCS提供附加價值的政策（環境稅減免，單項投資補助）。歐共體國家補助指南明確指出對CCS示范工廠的補助將持續到2015年。

同時，歐盟也積極倡導CCS的相關立法和實施的制度化和規范化。歐洲委員會于2008年發布了CO2封存指令草案，該指令為CO2的地質封存提供了法律框架。

雖然歐盟十分關注CCS技術，但歐盟不同成員國對CCS的扶持政策較少，限制CCS的政策較多，并有部分國家反對歐盟建議的補助方案，大部分成員國反對將EU-ETS拍賣收益用于指定用途。例如，波蘭認為CCS尚未得到工業應用檢驗，將CCS包括進EU-ETS將給依賴煤炭的國家造成嚴重價格影響。

2 中國CCS技術發展現狀

2005年，我國是世界上碳排放總量第二大國，僅次于美國。隨著我國工業化進程不斷推進，人口和國民經濟的繼續增長以及城市化水平不斷提高，我國未來的能源消費以及CO2排放還將繼續呈快速增加趨勢，未來我國碳排放總量可能很快會超過美國，國際社會對我國的CO2排放情況日益關注。2009年，我國提出“到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%”的目標，這一方面表明了我國碳減排的決心，樹立了我國負責任的大國形象，另一方面也加大了我國面臨的CO2減排壓力。

近年來在CCS技術發展方面我國開展了大量工作，先后與英國、美國、意大利等國就CCS的研發進行了廣泛的合作，如科技部與英國環境、食品和農村事務部于2005年12月簽署了中英碳捕獲與封存合作諒解備忘錄，雙方的合作重點傾向于中國的CCS能力建設，提高中國科學家的研究能力和水平。

在建立CCS示范項目方面，我國也進行了積極嘗試。例如2008年正式建成投產的北京熱電廠煙氣CCS示范工程，即是我國首個燃煤電廠CO2捕獲示范工程；2009年建成的上海石洞口第二電廠CO2捕捉項目則是全球最大的碳捕獲項目。

我國目前CCS技術尚處于起步階段，還沒有同時包括CO2捕獲、運輸和封存3個環節的CCS示范項目，涉足CCS示范項目的企業以國有大型企業為主。下表為我國主要的CCS項目情況：

值得注意，發達國家對CCS技術的興趣除了來源于應對氣候變化的壓力，也可能來自于為了通過技術輸出獲益。發達國家已有許多應對氣候變化的方法和技術，而CCS技術對于一些依賴當前化石能源消費結構的地區而言具有較大的吸引力，發達國家投入巨資發展CCS技術，可能是瞄準了發展中國家廣闊的市場。

表1 中國主要的CCS項目

3 CCS技術在應用中的環境風險

目前，CCS技術的大規模應用，除了技術尚不成熟、捕獲成本較高等障礙，其二氧化碳運輸與封存階段存在的一系列環境風險問題，也應受到高度重視。

3.1 CO2運輸階段的環境風險

由于采用的捕獲技術不同，產生的CO2純度不同，對運輸管道的影響也不同。例如，不含水汽的CO2對通常用于建造管道的碳-錳鋼不具有腐蝕性，即使CO2含有諸如氧氣、硫化氫和硫或氮氧化物等污染物質。若CO2含有水汽，則具有很高的腐蝕性，因此這種情況下的CO2管道必須由抗腐蝕合金制造，或在內部包含一層合金或連續的聚合物涂層。

另外，CO2在運輸過程中可能會泄漏到大氣中。雖然這種泄漏的概率很小，但仍應重視泄漏可能產生的危害。因此，需要對CO2管道運輸路線，尤其是經過居民區的管道路線進行仔細挑選，應當加強泄漏檢測。

3.2 CO2封存階段的環境風險

CCS 技術最大的潛在環境風險存在于地質封存過程中。由于大量的CO2會被注入并封存在地下長達數百年時間，這對封存地的安全性提出了很高的要求。

CO2從封存場地中泄漏會導致兩大類風險：第一類是全球性風險，大量CO2進入大氣會對全球氣候變化產生影響；第二類是局部性風險，CO2泄漏可能會污染地下水、破壞當地生態，也會對公眾健康產生影響。

CO2泄露將導致儲藏地層中鹽水的PH值降低，從而使地下水溶解大量的礦物質，釋放出鐵和錳等金屬元素，有機物質也進入地下水，大量的碳酸鹽被溶解，污染地下水資源[7]；CO2在空氣中的體積超過3%即會對人體健康造成危險，甚至窒息。人類歷史中曾發生過高濃度CO2致人死亡事件。例如，1986年喀麥隆的尼奧斯湖大量堆積在湖底的CO2突然釋放出來，造成方圓25 公里范圍內的1700 多人和大量的動物窒息死亡；另一個使人們對CCS技術產生疑慮的因素是CO2封存可能誘發地震。CO2注入巖層孔隙會造成地層壓力的增加，如果注入壓力超過地層壓力，可能誘發地層裂縫產生和斷層地移動，將產生兩方面的風險：一方面，由于高壓所形成的破碎帶和與之相關的微地震將提高破碎帶的滲透率，從而為CO2滲漏提供通道。另一方面，高壓所導致斷層活動有可能誘發地震，從而產生更大的危害。

CO2泄漏可能產生嚴重危害，但目前CO2泄漏的應對措施尚未完善。CO2長期封存相關的潛在風險的綜合評價體系尚未建立，對CO2封存地的監測與管理規定也不完善。而且還存在著CO2封存的時間可能超過運營企業存在的時間的問題。因此，不僅需要對企業應承擔的風險進行界定，還需要明確政府的角色（監督者或共同承擔者），目前這些問題都未得到解決。

4 CCS技術環境風險評估的最新研究進展

隨著英國、挪威、荷蘭、意大利等歐洲國家計劃將CO2封存在海床底下，研究、評估這些海床封存基地的安全性便顯得十分必要和重要。2011年，歐盟撥款105億歐元，啟動用來評估海床底封存基地CO2泄漏對海洋生態系統潛在影響的海洋CO2捕獲與封存（E CO2）項目。來自9個國家的27個合作伙伴將對挪威北海及巴倫支海現有海床底封存基地（Sleipner和SnΦhvit）及可能作為封存基地的波蘭波羅的海B3基地進行研究，并且對海底自然泄漏進行監測以評估封存基地的安全性，以及CO2泄漏對海洋生態系統的影響，并對海床底CO2封存的潛在風險進行綜合評估。他們將對這些基地是否有氣體泄漏，氣體是怎樣通過海底不同地層和水層進行運輸，以及產生哪些反應進行反復評估。相對數據將根據意大利（帕拿雷阿）、日本（沖繩海槽）、德國（Juist鹽丘）及挪威（揚馬延島）CO2自然泄漏獲得。封存基地高級監測儀表裝置將在逾12個考察船中進行現場測試。將對泄漏的可能性及對海洋生物和生態系統的影響進行現場評估及實驗室試驗和數值模擬評估。四年后，他們將不僅提供一個綜合的風險評估，還將為監控提供指導方針，并為封存基地的準備和管理提供最佳的環保作業指導[8]。

陸地CO2封存基地的選取將與周圍居民的生產、生活和生存直接相關，因此更需在前期做好環境影響評價和環境風險評估工作，并聽取當地居民和政府的意見。荷蘭政府和皇家殼牌石油公司打算在距離巴倫德勒克鎮（Barendrecht）1英里的一個將開采完的天然氣田封存1000萬噸CO2。該氣田將在2010-2014年間開采完，被視為封存CO2的理想場所，荷蘭政府欲把它建成陸上封存CO2示范基地。由于殼牌公司和荷蘭政府事先沒有做好環境影響評價和環境風險評估工作，沒有對CO2封存后可能出現的氣體泄漏及其途徑和危害做好預估，沒有對碳封存在當前及未來可能造成的環境和安全影響做好應對預案，以至飽受當地居民的質疑、擔憂和抵制。2010年11月，由于缺乏公眾支持及不斷推遲取得建設許可權，荷蘭政府最終決定放棄該示范項目。

5 政策建議

碳捕獲、利用與封存技術可減少大氣中的碳排放，有利于減緩氣候變化和實現碳減排目標，該類技術的研究、示范與推廣應用也引起各界關注。從目前發展情況看，該類技術出現分化：一類可稱為碳捕獲利用技術（CCU），另一類便是碳捕獲封存技術（CCS）。其中，CCU技術的產業化應用勢頭較好，取得較好的經濟效益和環境效益，爭議也較少。但CCS技術如何發展各界意見不一，且面臨技術、成本及環境影響等多重難題。CSS技術的發展與應用，需綜合考慮技術、經濟與環境因素，做出理性選擇，以下是政策建議：

第一，高度重視潛在環境影響，加強CCS技術環境影響評價管理。相對而言，技術瓶頸、經濟效益是短期問題，潛在環境影響是長期問題。鑒于目前在科學上對將巨量CO2注入地下的后果認知較少，在技術上預測和控制其潛在地質、生態、環境及安全影響缺乏手段，環保部門應嚴把環境影響評價關，加強對CCS技術的環境影響評價管理。即便國家為了應對氣候變化要利用CCS技術減排，也必須防范環境風險，首先對CCS發展做好規劃，再嚴格實施CCS發展規劃環評制度和CCS項目環評制度，避免給子孫后代埋下巨大的環境與安全隱患。另外，其他相關部門也需謹慎對待中資或合資CCS項目，在考慮局部和眼前經濟利益同時也需重視其長期環境影響。

第二，加強現在運行項目的環境監管，完善CCS項目的環境管理規定。目前，我國在CCS項目選址、安全、監測等方面還缺乏相關法律法規，或現有法律法規缺乏相關規定，對CCS項目在審批、核準等方面缺乏針對性規定，對捕獲、運輸、封存等過程的環境影響與環境風險缺乏監管。為此，應對已運行的示范項目制定一套試行監管規則，在CCS技術適合推廣應用之前再作修訂。對個別未通過環境影響評價擅自運行的碳封存技術項目，環保部門應勒令其停止碳封存操作，否則將引發各地爭相效仿留下環境與安全隱患。

第三，支持CCS技術的產業化應用，同時推進CCS技術試驗與研究工作。碳捕獲與利用技術，其環境影響更易預測與控制，其減排效應也更直接、有效，環保部門對通過環境影響評審的CCS技術可支持其產業化應用。CCS技術由于在封存環節的環境風險具有不可預測性和不可控制性，目前還只宜進行試驗及研究，其商業推廣及產業化應用為時尚早，目前仍應優先選擇其他替代減排技術，如碳匯技術、清潔化技術、節能和提高能效技術、清潔能源技術等，同時可以加強與歐盟等發達國家的相關研究合作。

［1］ 氣候變化2007綜合報告［R］，政府間氣候變化專門委員會第四次評估報告，IPCC，瑞士，日內瓦，2008.

［2］溫室氣體公報［R］，世界氣象組織（WMO），2009.

［3］ IPCC特別報告：CO2捕獲和封存—決策者摘要和技術摘要［R］，政府間氣候變化專門委員會，劍橋大學出版社，2005.

［4］ 國際能源機構，2009世界能源展望［R］，2009.

［5］ 范英等，碳捕獲和封存技術認知、政策現狀與減排潛力分析［J］，氣候變化研究進展，2010，6(5)： 362-369.

［6］ 復旦大學溫室氣體研究中心，地質封存溫室氣體出現新問題，［EB/OL］，2006，http：//environment.fudan.edu.cn/yuanxi/CGGR/dongtai.htm.

［7］ 劉蘭翠等，碳捕獲與封存技術潛在的環境影響及對策建議［J］，氣候變化研究進展，2010，6(4)： 290-295.

X22

A

1673-288X（2011）05-0053-05

項目資助: 世界銀行《中國大氣污染控制綜合管理研究》 (項目編號： 7156190).

王新, 高級工程師.主要研究方向為環境管理.