碳捕获如何运作

碳捕获和存储有三个主要步骤（CCS）：

让我们更详细地看看捕获和分离过程:

从发电厂来源中获取碳有三种基本方式:燃烧后、预燃烧和含氧燃料燃烧[来源:国家能源技术实验室]．

一个化石燃料发电厂通过燃烧化石燃料(煤、石油或天然气)来发电蒸汽．蒸汽带动连接在电发电机。燃烧过程的另一个词是燃烧。

和燃烧后碳捕获，化石燃料燃烧后二氧化碳被捕获。化石燃料的燃烧产生一种叫做烟道气的物质，包括二氧化碳、水蒸气、氮气和二氧化硫。

在燃烧后的过程中，二氧化碳从烟道气体中分离和捕获这是化石燃料燃烧的结果。这个过程是碳捕获技术中最常用的技术。这是一个方便的策略，因为它可以在新的和预先存在的燃煤发电厂部署。但是，有一些缺点。为了工作，燃烧后碳捕获需要一些物理大型设备 - 它可以使涡轮机效率较低[来源：Elhenawy]．

和预燃碳捕获在燃烧过程结束之前，碳被捕获并从化石燃料中去除。

煤、石油或天然气在蒸汽和氧气中加热，产生合成气(syngas)。这种气体主要包括二氧化碳、氢气(H2)和一氧化碳(CO)。随后，一个单独的反应将水(H2O)转化为氢。在这个过程中，一些一氧化碳转化成二氧化碳。最终的结果是一种含有H2和CO2的气体混合物[来源:美国能源部]．

很容易从混合物中分离、捕获和隔离二氧化碳。同时，工程师可以将氢气用于其他能源生产过程。

预燃烧碳捕获通常比后燃烧策略更有效。然而，这种设备的价格更高。此外，较旧的发电厂往往比一些新的发电厂更不适合这种技术[来源：Elhenawy]．

和氧燃料燃烧碳捕获在美国，发电厂燃烧化石燃料，但不是在普通空气中。相反，燃料是在含有大量纯氧的气体混合物中燃烧的。这就产生了两种主要成分是二氧化碳和水的烟气。之后，可以通过压缩和冷却水来分离出二氧化碳[来源:国家能源技术实验室和加拿大国家资源公司]。

氧燃料燃烧碳捕获的某些方面是便宜的，但整个过程的成本很高。(纯氧并不便宜。)此外，还有一些关于它的适用性的担忧。2020年发表在《催化剂》杂志上的一篇综述认为，相关技术“需要被证明适用于大规模操作”[来源:Elhenawy]。

从积极的一面看，氧燃料燃烧捕捉可以用于两种老的和新型燃煤发电厂[来源：Elhenawy]。

现在，这里有一个重要的问题:一旦碳被捕获，它是如何运输到一个储存地点的?请继续阅读，找出答案。

捕获二氧化碳后，下一步是将其运输到储存地点。输送二氧化碳的通常方法是通过管道。

管道已经使用了几十年，大量的天然气、石油和水每天通过管道。二氧化碳管道是美国和许多其他国家现有基础设施的一部分。事实上，现在有超过4039英里(6500公里)的二氧化碳管道分布在非洲、澳大利亚、中东和北美。大多数都是为了提高采收率(EOR)，但也有一些与CCS项目有关。Noothout]．

您可以将管道放在任何地方，包括地下或水下。他们可以通过如此多种环境的发现沙漠、农田、山脉和海洋。【来源:政府间气候变化小组]．

管道可以连接到依赖化石燃料的加工厂或发电厂，也可以连接到自然来源的二氧化碳。管道二氧化碳供应的纯度可能会受到其来源所使用的各种技术的影响[来源:Noothout]．

在某些情况下，二氧化碳可能会在管道中尽可能地传播，然后转移到油罐车、油船或增压钢瓶，完成它的旅程。请注意，如果大量的二氧化碳排放到大气中，会有窒息的风险。与运输天然气和其他有害物质的储罐一样，良好的结构是关键。还有良好的驾驶技术。

回到管道，它们可以以三种状态运输二氧化碳:气态、液态和固态。固体二氧化碳通常被称为干冰而且把二氧化碳作为固体运输并不划算。

管道通常以气态输送二氧化碳。所述气体在从A点移动到B点之前需要进行压缩国家能源技术实验室，理想的压力范围为1500至2200 PSI（或10342至15168 KPA）。

工程师必须警惕二氧化碳流中的杂质，如硫化氢和水。众所周知，后者会腐蚀管道，但这只是冰山一角。在高压和低温下，这些管道中的水可能会形成天然气水合物，这种固体晶体会堵塞管道。科学家们仍在设计处理这些杂质的方法[来源:Onyebuchi和Bai]。

在建筑界，安全是重中之重。如果在人口密集地区附近发生管道破裂，大量二氧化碳气体的突然释放可能对公众健康和环境造成严重影响。为了防止工业挖掘设备意外撞击管道，规划者可以将其深埋在地下。此外，在可能的情况下，铺设远离城市、城镇等的管道可能是可取的[来源：Onyebuchi]。

挪威著名的风险管理和质量保证公司DNV于2021年发布了新的二氧化碳输送管道安全程序。与此同时，英国的健康和安全执行现在有一个广泛的指南清单，涵盖从腐蚀到土地使用的一切。

管道成本随管道路线而波动(通过严重拥挤的地区、山区、近海);材料的质量;涉及的设备;需要多少劳动力;和其他费用。

在我们收集和运输所有的二氧化碳(CO2)之后，我们将需要一个地方来放置它。但是在哪里?在某个巨大的仓库里?沙漠里的一辆大坦克?我们还需要更多吗堆填区来保存我们的二氧化碳废物?

别担心，所有这些问题的答案都是“不”。我们发现了一些储存二氧化碳的地方，包括一些地下。事实上，有研究表明，仅美国就有足够的地下空间，可以在深层含水层、渗透性岩石和其他类似地方容纳1.8万亿吨(1.71万亿公吨)的二氧化碳[来源:坎利夫和阮]．

让我们谈谈地下储存的物流。深入地下，CO2可以保持超过1,057psi（72.9 atm）的压力，温度高于88华氏度（31.1摄氏度）。

当满足这些特定条件时，二氧化碳就变成超临界的了。在这种状态下，二氧化碳具有通常与气体和液体有关的特性。超临界二氧化碳粘度很低，就像气体一样。但与此同时，它也有高密度的液体[来源:国家能源技术实验室及影像科技组]。

因为它可以将其渗入多孔岩石中的空间，所以大量的CO 2可以存储在相对较小的区域中。石油和天然气储层非常适合储存二氧化碳，因为它们由多孔岩层组成的多孔岩层组成，这些岩层多年来捕获了油和气体[来源：科学教育中心]．

二氧化碳被人工注入地下岩层地球表面这些天然气藏的上覆岩石形成了一个密封层，保持了天然气的含量。不过，地下储存可能存在风险，我们稍后将讨论这些风险。

玄武岩岩层也制造有吸引力的二氧化碳储存点。火山原产地，玄武岩是地壳中最常见的岩石之一。研究人员发现，当CO2与镁和钙玄武岩反应时，它可以是转化为固体矿物质，特别是白云石，方解石和菱镁矿[来源：卡地亚]．

然后我们有煤田．有时，已被写入“未解释”的那些可以保持非常大量的捕获二氧化碳。内部，可以在较低压力下储存气体 - 从而节省资金[来源：塔拉帕特拉]．

除了地下储存，我们还在寻找海洋永久储存二氧化碳的方法。从历史上看，有很多关于直接将二氧化碳排放到海洋中——深度超过9842英尺(3000米)的讨论。在地表以下，二氧化碳的密度实际上比水的密度大。因此，我们希望排放的二氧化碳能在适当的地方停留一段时间[来源:科学教育中心]．

海洋碳储存在很大程度上还没有经过测试，人们对海洋生物的安全以及二氧化碳最终返回环境的可能性有很多担忧。

接下来，我们将更详细地研究其中一些问题，并找出碳捕获和存储是否对我们的未来是一个可行的解决方案。

尽管碳捕获和储存似乎是一个奇迹般的解决方案，但它也并非没有引起关注或争议。

首先，重要的是要记住，碳捕获和储存（CCS）不是继续向大气排放二氧化碳的许可证。无论CCS的未来如何，其他减排努力仍然是必要的。然而，CCS提供了一种方法来清理我们现有的一些垃圾发电厂．

根据一项2020年的报告来自全球CCS研究所的数据显示，目前“全球有65个处于不同发展阶段的商业CCS设施”。

然而，一些批评家担心CCS的经济效益。电动汽车和太阳能板是可以销售给个人和私人组织的商品。但相比之下，找到将捕获的二氧化碳货币化的方法却很困难。

另一个缺点?目前CCS技术的实施和运行实际上需要大量的能源。此外，它们还需要大量的水来进行冷却和处理。Magneschi和罗莎]．

鉴于对H2O的这种需求，关于CCS可能（或可能不）如何促进水的利用一直存在争议水资源短缺. 2020年，由洛伦佐·罗莎加州大学伯克利分校的一项研究模拟了用四种不同的CCS技术改造世界上所有大型燃煤电厂的效果。

引用他们的论文，这是哪个期刊自然可持续性在2020年5月4日发表的一篇文章中，“某些地区缺乏足够的水资源来满足CCS技术的额外用水需求。”

这只是人们对碳捕获和储存提出的环境问题之一。

如果二氧化碳泄漏到地下会发生什么?很难预测我们已经困在地球表面下的二氧化碳在遥远的未来会是什么样子。实施良好的法规——并选择优质的储存地点——可能会在未来产生巨大的影响。

有几种可能的方法可以回收泄漏到地表的二氧化碳。具有讽刺意味的是，最初为将其注入地下而建造的水井，日后可能会成为一条可能的逃生路线。废弃的石油和天然气井——或者天然断层——也可能是这样。邓恩]．

一项2018年的预测称，如果“切实监管良好的存储”付诸实施，泄漏就不太可能发生。这与之前对此问题的一些研究相矛盾[来源:邓恩和阿尔卡德]．

一些CCS的反对者认为，不管是否可行，重点都是错误的。他们说我们应该关注如何我们不再使用化石燃料但是CCS延长了依赖CCS的发电厂的寿命。

另一方面，CCS支持者认为可再生能源只是解决方案的一部分。在他们看来，我们可能需要将这些与碳捕获结合起来技术为了对抗灾难性气候变化有任何认真的希望。

关于碳捕获和储存最终将在帮助我们缓解温室效应和应对气候变化方面发挥的作用，还有许多问题。但有一点是肯定的：二氧化碳排放是一个世界性的问题。

最初发表:2008年7月9日