1将CO₂存储于地下深处的CCS技术

   日本政府在2015年4月30日发布的“日本约束草案纲要”中提出：到2030年为止，日本温室气体排放量要比2013年减少26%这一长期目标。另一方面，自日本东部大地震以来，由于提高了火力发电量，因此增加了CO₂排放量。有效控制CO₂排放量增大的措施是采用CCS（Carbon di oxi de Capture and Stor age）技术。

   所谓CCS技术，就是对CO₂进行回收和存储，抑制CO₂向大气中排放。国际能源机构（IEA）对各种抑制CO2排放量的方案进行了研究，认为到2050年采用CCS技术减少CO₂排放量的效果可达17%。日本政府为在2020年将CCS技术应用于实际进行了大量研究，如CCS技术开发和CO₂存储地的研究等。

   CCS技术可分为CO₂的分离与回收、CO₂的输送、CO₂在地底下的压入与存储这三个工序。

   所谓CO2的分离与回收工序，就是从火力发电厂等排出的废气中对CO₂进行分离与回收，因排出的废气不同，因此要选择不同的分离与回收方法。排出废气中的CO₂浓度因产生源的不同而不同，例如，作为最大CO₂发生源的火力发电厂排出废气中的CO₂浓度为6%-14%，而高炉排出废气中的CO₂浓度为25%，石化工厂排出废气中的CO2浓度为30%-50%。除了CO₂浓度外，排出废气的压力和SO₂等杂质也是在选择CO₂分离与回收方法上要考虑的重要因素。

   作为CO₂分离与回收技术，在化工厂等一直以来主要是采用将CO₂溶解于吸收液的“化学吸收法”。但是，由于化学吸收法要使用大量的能源来分离CO₂，因此要应用于CCS，节能就成了一个问题。其他的CO₂分离与回收技术有用固体吸附材吸附CO2的“吸附法”、“物理吸收法”和使用分离膜有选择性地对CO₂进行透过的“膜分离法”等。日本地球环境产业技术研究机构（RITE）和COURSE50项目对高效CO₂分离与回收技术，如吸收液、固体吸附材和CO₂分离膜进行了开发（见图1-图2），目的是要降低占CCS技术总成本大约60%的CO₂分离与回收的成本。

   2适合CO₂的输送、压入与存储技术

   分离与回收的CO₂必须运送到压入存储地。CO₂的运送方法有油罐汽车、输送管道和油船等。采用油罐汽车运送比较普遍，在北美等地主要是采用输送管道进行输送，它可把水和CO₂等输送并压入到地下油层，用于增加原油的开采量，此技术被称为“CO₂-EOR（Enhanced Oil Recover y:提高石油采收率）”。以前，随着天然气的生产，将产生的天然CO₂用于EOR，但近年来在北美实现了把发电厂回收的CO₂用于EOR。由于日本有关敷设管线输送CO₂的法规修订等工作尚未完善，因此在日本敷设管线输送CO₂还存在许多问题。采用油轮进行海上运送已取得一些经验，日本环保部正在研究油轮运送的成本等事宜。

   CCS的最后工序是CO2的压入与存储。存储地可以是地底下存储，也可以是海洋隔离等，本文就地下存储进行说明。适合地底下存储的地层有油田和天然气田（枯竭的油田和天然气田，或适合EOR和EGR（Enhanced Gas Recover y:提高天然气采收率）的油田和

   天然气田）、煤层和地下深处盐水层等。油田和天然气田原本长期以来就是储藏原油和天然气的地方。EOR已在压入CO₂后取得了提高采收率的效果。压入煤层的方法就是让煤吸收CO₂，使煤层稳定的方法。

   日本几乎不出产化石燃料，作为适合存储CO₂的地方是地下深处盐水层。地下深处盐水层是含有盐水的地层，被黏土层等不透水层所覆盖，可以用于CO₂的压入和存储。

   另外，有研究指出，北美等正在进行页岩气的开采，把水等压入地下是导致地震的原因，因此担心把CO₂压入地下也会导致地震。但是，它与采用高压水来破坏页岩层的页岩气开采不同，日本在苫小牧市的试验表明，制定周密的计划，并在操作中严格监控，万一出现异常马上停止，不会破坏地层。因为制定了万全的监视体制，所以一般认为安全性很高。

   压入并存储于地底下的CO2在地层中发生某种程度的扩散后，会溶解于地层水中，经过千年时间会变成碳酸盐矿物等。

   3在苫小牧市建设的CCS试验装置

   在日本，RITE等研究机构进行了CCS的研究开发。2003-2005年在新泻县长冈市岩野原进行了将大约1万吨的CO₂压入地下大约1100m深地层中的试验。目前仍对压入后的情况进行监视。

   目前，正在北海道苫小牧市建设用于CCS验证试验项目用的装置。从2012年起就开始制造试验用设备，2015年4月完成了第一口压入井的挖掘，随后是地上设备的安装施工。计划2016年以后每年压入10万吨以上的CO₂。计划压入3年的时间，在压入终了后还要继续监视2年。

   压入的CO₂是从炼油厂生产氢时产生的排放废气中分离回收的CO₂。采用管道将排放废气输送到CO2分离与回收装置中进行CO₂分离，经压缩后从压入井压入地下储藏层中。

   苫小牧试验设备采用的是化学吸收法，使用普通的活性胺作为回收溶液，并采用节能工艺流程。分离并回收的CO₂在加压到大约10MPa和23MPa后压入深度不同的两个地层，并对压入CO₂的变化行为和对环境的影响进行了监视。

   4首次在世界上进行从地上向海底倾斜挖掘的试验

   大规模的CCS项目已在美国等几个国家实施。其中很多是用于EOR。虽然也有的是将CO₂压入海底下深处盐水层，但都是采用管道将CO₂输送到压入井的方式。因此，存储层为陆上时，就由陆上压入；存储层为海底下时，就由海上压入。而苫小牧的试验项目首次在世界上进行了压入井从地上向海底倾斜挖掘，将海底深处的盐水层作为CO₂储藏层。在日本，作为CO₂主要排出源的火力发电厂和炼铁厂大部分都建在临海的地方，因此与笔直向下挖掘相比，采用这种方式具有储藏地选择灵活性大的优点，这也引起了全世界的关注。

   在苫小牧的压入井挖掘中使用了钻机吊索挖掘技术。其挖掘原理如下：在钻机吊索的顶端安装了钻头，钻头从安装了一系列管道的钻机中悬吊下去，然后用安装在钻机吊索最顶部的旋转装置对钻机吊索进行旋转，通过旋转进行挖掘。向钻头施加的推力可以利用钻机吊索自重产生的重力。

   挖掘时，被加压的泥水作为挖掘流体从钻机吊索内部通过后，再从钻头的喷口喷出，然后从钻机吊索和溜井的缝隙中穿过返回到地上。挖掘泥水可以保护溜井和输出挖掘土。一旦挖掘到规定的深度，就把钻机吊索提升起来，然后插入井壁保护钢管。在固定井壁保护钢管后，用口径小的钻头再进行挖掘。井壁保护钢管用水泥进行固定。普通油井采用硅酸盐水泥（普通水泥）进行固定，但硅酸盐水泥会因CO₂而急剧劣化，因此CCS要求采用特殊的耐CO₂水泥。

   另外，在对溜井进行倾斜挖掘时，采用了井下电机来输送泥水。挖掘时只对钻头部分进行旋转，并不是对整个钻机吊索进行旋转，由此可对溜井进行倾斜挖掘。

   在挖掘时，利用泥水压力波来传输数据，利用该数据可以控制溜井的轨迹（溜井的倾斜和水平轨迹）。

   当井壁保护钢管安装后，在井壁保护钢管内插入用于压入CO₂用的小口径管道。从管道顶端压入的CO₂会从开孔的套管向存储层渗透。

   与CO₂接触的井壁保护钢管、管道和套管必须使用抗CO₂腐蚀的钢管。在苫小牧设备上分别使用了API（美国石油协会标准）的J55、L80/13Cr钢 管 和110-13Cr 5Ni 2Mo钢管。

   另外，在井壁保护钢管和管道的缝隙中填充了挖掘泥水，取代了以往用NaCl和NaBr等不同比重调整的精制流体。

   5世界正在实施的CCS建设项目

   目前，全世界有10个以上的CCS项目（包括EOR在内）正在实施中，如果包含计划中的项目，全世界有50个以上的项目正在进行中。如果这些项目全部都建成，到2020年每年可存储1亿吨以上的CO₂。

   根据2005年的粗略调查，日本的CO₂储藏能力大约为1460亿吨（相当于日本国内100年的CO₂排放量）。由于这是根据现有的基础数据推测的，因此2014年进行了更加详细的调查。

   今后，CCS技术实用化的问题之一是低成本和节能技术。日本的化工技术水平很高，其采用吸收液、固体吸附和膜分离等CO₂回收技术领先世界。随着钢管制造技术的不断提高，今后在CCS领域应用会不断扩大。 （建国）