教学素材：二氧化碳的捕集、利用与封存

【教材研究】 二氧化碳的捕集、利用与封存 湖北省石首市文峰中学 刘涛（正高级教师） 【知识链接】（上册第141面）科学•技术•社会 二氧化碳的捕集、利用与封存 二氧化碳的捕集、利用与封存，是指将排放源产生的二氧化碳捕获、压缩后，作为公约原料利用，或输送到选定地点长期封存，而不是释放到大气中。这一过程主要利用了二氧化碳的物理性质和化学性质。 二氧化碳的捕集可以利用化学吸收法、利用践行吸收剂与二氧化碳反应生成不稳定的物质，该物质在一定条件下发生分解反应重新释放出二氧化碳，从而实现二氧化碳的捕集、利用。二氧化碳的封存主要是将捕集到的二氧化碳封存于地层深处或海底。 2021年，我国首个海上二氧化碳封存示范项目启动，将在南海海底永久封存超过146万吨二氧化碳。2022年。我国首个百万吨级二氧化碳的捕集、利用与封存项目投产，每年可减排二氧化碳超过100万吨。 【知识链接】碳捕集、利用与封存技术简称为CCUS技术（Carbon Capture，Utilization and Storage），是应对全球气候变化的关键技术之一。 CCUS 技术将二氧化碳从工业或能源设施的排放源中分离出来，然后将其用于有价值的用途，如生产化学品、燃料或用于其他工业过程，或者将其安全地封存起来，以减少二氧化碳向大气中的排放。 CCUS技术包括碳捕集、碳运输、碳利用和碳封存等环节。碳捕集主要通过燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧等方式进行；碳运输通过管道或船舶将CO2运送到指定地点；碳利用包括矿物碳化、物理利用、化学利用和生物利用等；碳封存则通过地质封存或海洋封存实现。为了应对气候变化、实现碳中和目标、保障能源安全、促进经济发展以及利用现有技术可行性等多方面的考虑。 一、碳捕集（Capture） “碳捕集”是指将二氧化碳从工业生产、能源利用和大气中分离出来的过程。 在电力行业，传统的碳捕获方式包括燃烧前捕获、富氧燃烧、燃烧后捕获等；在煤化工、钢铁、水泥等行业中二氧化碳的工业分离过程属于燃烧前捕获。 其中燃烧前捕获成本相对较低、效率较高，但适用性不高。但因为此技术局限于基于煤气化联合发电装置，投产的项目较少。 富氧燃烧采用纯氧或者富氧将化石燃料进行燃烧，燃烧后的主要产物为CO2、水和一些惰性组分。水蒸气冷凝后，通过低温闪蒸提纯CO2，提纯后的CO2浓度可达80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。但其对操作环境要求高，目前仍处于示范阶段。 由于燃烧前捕获和富氧燃烧需要合适的材料和操作环境来满足高温要求，因此这两种技术的研究与开发和示范性项目较少。相比较而言，燃烧后捕获技术是当前炼厂应用较为广泛且成熟的技术，该技术具有较高的选择性和捕集率，但相对能耗和成本更高；常用的方法如化学吸收法、膜分离法、物理吸附法等。 二、碳运输 “碳运输”是指将捕获的二氧化碳运送到需要利用或封存的地方的过程。 二氧化碳的运输方式包括管道运输、罐车运输、船舶运输等。碳运输方式的选择需要具体参考项目区域、项目规模等因素。 管道适合长距离、大规模运输，但其建设投资大；公路罐车适合短距离、小规模运输，铁路罐车适合长距离、大规模运输，然而罐车运输存在蒸发泄漏、运输成本高的缺点；船舶运量大、运距远、适合近海封存运输，但投资成本较高。当前我国罐车和船舶运输技术已开展商业应用，运输潜力最大的管道运输技术已开展相关示范。 3、 碳利用（Utilization） “碳利用”是指将捕集到的CO2通过工程技术手段实现资源化利用的过程。 二氧化碳的资源化利用包括物理利用（灭火剂和碳酸性饮料添加剂、制取干冰等）、化工利用（生产纯碱、小苏打以及各种金属碳酸盐等大宗无机化工产品，加氢合成甲醇、合成乙烯和丙烯等）、生物利用（微藻固碳和二氧化碳气肥）、地质利用。其中，地质利用技术包括二氧化碳强化石油开采技术、强化天然气开采技术、增强页岩气开采技术等。我国现阶段主要以地质利用为主，化工利用和生物利用相对较少，主要是将二氧化碳注入地下，进而实现能源采收率的提高。 四、碳封存（Storage） 碳封存是指将捕集到的CO2注入深部地质储层或海洋，实现永久减排。 地质封存又可进一步划分为咸水层（盐水层）封存、深部不可开采煤层封存、废弃油气藏封存三种主要类型。目前，国际上已开展海上盐水层及废弃油气田埋存二氧化碳的示范项目。 我国地质封存潜力巨大，约为1.21～4.13 万亿吨，其中，通过二氧化碳强化石油开采技术可以封存约51亿吨，利用枯竭气藏可以封存约153亿吨，通过二氧化碳强化天然气开采技术可以封存约90亿吨，深部咸水层的二氧化碳封存量约24200 亿吨。 同步训练设计 1．二氧化碳的捕集、利与封存是指将排放源产生的二氧化碳捕获、压缩后，作为工业原料利用，或输送到选定地点长期封存 ，而不是释放到大气中，下列说法不正确的是（ ） A．捕集到的CO2可封存于地下或海底 B． 利用石灰水可捕集二氧化碳不能长期稳定的存在 C．二氧化碳的捕集可采用化学吸收法，可也采用物理方法 D ．二氧化碳的捕集、利用与封存均利用CO的物理性质 2．二氧化碳的捕集、利用与封存是我国能源领域的重要战略方向。 （1）化石燃料的燃烧可产生大量二氧化碳，天然气主要成分燃烧的化学方程式为 。 （2）“膜分离法”可用于二氧化碳捕集。用氧化镁、氧化锆、氧化铝等制成的复合膜可将二氧化碳与其他气体分离。氧化铝的化学式为 。 （3）科学家使 CO2和水在一定条件下发生反应，生成甲酸（CH2O2）和氧气，该反应的化学方程式 。 3．二氧化碳的“捕捉”与“封存”是实现温室气体减排的重要途径之一。 实际生产中，经常利用足量NaOH溶液来“捕捉”CO2，流程图如下（部分条件及物质未标出）。 （1）分离室中进行的操作名称是 ，此操作使用到的一种仪器有 。 （2）分析流程图，在_____室里，实现了NaOH 转化为Na2CO3，其反应的化学方程式为 。在_____室里，实现了Na2CO3转化为NaOH，其化学方程式为 。 （3）写出该流程中可循环使用的两种物质的化学式 。 4．阅读科普短文，回答下列问题。 自工业革命以来，CO2排放量逐年递增，2022年全球超过360亿吨。2020-2022年全球各行业CO2排放量占比如图。 CO2是最主要的温室气体，全球气候变暖引起世界各国的高度重视。中国作为负责任的大国，向世界庄严承诺在2035年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”。 为兑现承诺，我国积极采取各项行动。2022年8月，我国首个百万吨级CCUS示范工程在齐鲁石化胜利油田正式投产，每年可减排CO2100万吨，相当于植树近900万棵。CCUS技术包括三个主要过程：CO2捕集、利用和封存。“捕集”是指从排放源中分离出CO2；“利用”是指将捕集的CO2用于制造新产品；“封存”是指将捕集的CO2储存在地下，以防止其释放到大气中。 （1）由上图可知，全球CO2排放的第一大来源是 。 （2）CCUS工程 （填“属于”或“不属于”）实现“碳中和”的有效途径。 （3）捕集的CO2可用于制备大宗能源化学品甲醇（CH3OH），反应的化学方程式为：CO2＋3H2 CH3OH＋X，则X的化学式为 。 （4）CO2气体容易被压缩封存，从微观角度解释其原因 。 5．为了减少空气中的温室气体，并且充分利用二氧化碳资源，科学家们设想了一系列捕捉和封存二氧化碳的方法。 （1）生石灰捕捉和封存二氧化碳法（图1）： 步骤一以生石灰为原料捕捉空气中的CO2并将其封存在碳酸钙中，步骤二将步骤一所捕捉和封存的CO2释放出来，得到的高纯度CO2是重要的化工生产原料。在整个流程中，循环利用的物质是              。 （2）烧碱溶液捕捉和封存二氧化碳法（图2）： ①喷雾反应器中，发生反应的化学方程式为                                      ，NaOH溶液喷成雾状的目的是                                         。 ②过滤环节中所得滤渣的主要成分是           ，请用化学方程式说明原因 。 ③在整个流程中，循环利用的物质是              。 6．阅读下列科技短文并回答问题。 二氧化碳捕集、利用与封存技术，是指把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中可以循环再利用，而不是简单地封存。其技术方法具体为图1所示： 二氧化碳捕集具体包括传统捕捉、生物捕捉和直接捕捉，具体技术示意图见图2。 （1）二氧化碳“转化”的化学品中，甲醇（化学式为CH3OH）合成是二氧化碳与氢气在一定条件下反应生成，写出该反应的化学方程式 。从环保和资源两个角度分析，该技术的优点是 。 （2）海洋封存二氧化碳的原因是 。： （3）下列有关说法错误的是 （填序号） a．二氧化碳是一种空气污染物，应该全部捕集并封存 b．最好的捕捉二氧化碳的方法是直接从空气中捕集 c．生物捕捉二氧化碳，应大力植树造林，促进光合作用 d．食品加工包装中充入二氧化碳防止食物变质，属于二氧化碳的转化 参考答案 1．D； 2．（1）CH4＋2O2 ( 点燃 ) CO2＋2H2O；（2）Al2O3；（3）2H2O＋2CO22CH2O2＋O2。 3．（1）过滤；玻璃棒（或漏斗、烧杯）；（2）捕捉室；CO2＋2NaOH＝Na2CO3＋H2O；Na2CO3＋Ca（OH）2 ＝CaCO3↓＋2NaOH；（3）CaO、NaOH。 4．（1）电力部门；（2）属于；（3）CaO、NaOH。（4）二氧化碳分子之间的间隔较大，在被压缩时分子间的间隔变小了。 5．（1）CaO；（2）①CO2＋2NaOH＝Na2CO3+H2O；增大气体与液体的接触面积，使反应更充分；②CaCO3；CaO＋H2O＝Ca(OH)2 ；分离室；Ca(OH)2＋Na2CO3＝CaCO3↓＋2NaOH； ③CaO、NaOH。 6．（1）H2＋CO2CH3OH＋H2O；既能够减少大气中CO2浓度，缓解温室效应，又能得到重要的能源甲醇；（2）海底温度低，压强大，有利于二氧化碳的溶解；（3）ad。 学科网（北京）股份有限公司 $$