碳地質封存技術介紹(3):二氧化碳封存機制

 
2017/09/25 李元亨 | 國立成功大學資源工程學系     479
 

18世紀至今,全球氣候正在逐漸升溫。爲應對氣候變遷,世界各國積極尋求減緩溫室氣體排放的方法。二氧化碳捕獲與封存(簡稱碳捕存),是有效且技術較成熟的二氧化碳減排措施之一。碳捕獲技術,指的是將工廠等排放源所產生的二氧化碳捕獲,運輸到封存場址進行封存,使二氧化碳與大氣長期隔絕的過程。其中,最有潛力的二氧化碳封存方式為地質封存。

 

二氧化碳地質封存技術,將二氧化碳注入到地層的封閉構造中,包括:耗竭油氣層、鹽水層或煤層等,讓二氧化碳封存於地層孔隙內。因此,為了使二氧化碳安全的封存於地層孔隙內,需要了解二氧化碳於地下的流動行為。

 

安全的二氧化碳封存場址

 

安全的二氧化碳封存場址,需選擇深度在800 公尺以上的地層,其地層溫度及壓力大於二氧化碳的臨界溫度及壓力(31℃、7.4 MPa),使二氧化碳為超臨界態,物理性質介於氣、液兩相之間,具有與氣體相似的低黏度及接近液體的高密度,表面張力極低,易滲入地層孔隙中。

 

將二氧化碳加壓,使注入壓力高於目標地層,從灌注井注入目標地層中,因注入壓力與地層壓力間的壓力差,因而產生流動,推動原先存在於地層孔隙裡的水,使水被排掃開,形成二氧化碳團塊向井的周圍移棲。二氧化碳於地下的流動,會受到地層溫度、壓力、地層水、岩石顆粒、礦物成分等多重因素的影響,進而發生化學反應,轉變為不同的封存相態,稱之為封存機制。

 

構造封存

 

由於超臨界二氧化碳密度比地層水低,在二氧化碳團塊側向移棲的同時,會因浮力而向上漂浮,在遇到上方的蓋岩層(阻隔層)後,二氧化碳被阻擋在蓋岩層下,只能沿著蓋岩層側向移棲,形成類似漏斗狀的形狀,並因地質構造封閉或是停止注入而停止移棲,使二氧化碳以超臨界狀態封存於地質構造內。

 

殘餘氣封存

 

二氧化碳移棲時,岩石孔隙內的地層水會被二氧化碳置換。由於毛細效應的影響,在二氧化碳繼續移棲時,會有部分地層水退回原本的孔隙內,讓部分二氧化碳被地層水包圍拘束住,失去流動性而被封存在孔隙空間之內。

 

溶解封存

 

二氧化碳團塊與地層水的交界處,由於浮力的影響,二氧化碳團塊的形狀如羽毛狀,並因為二氧化碳與水的接觸,使二氧化碳溶解於地層水中,而溶解二氧化碳之地層水密度提升,接著因重力而沉降於地質構造底部。

 

礦化封存

 

隨著封存時間的增加,溶解的二氧化碳會與鹽水層內的礦物起交互作用,依據pH值及礦物組成的不同,部分二氧化碳溶於鹽水中開始解離成離子,以碳酸根離子或碳酸氫根離子存在於鹽水中,而部份礦物則會與二氧化碳反應,形成碳酸鹽類礦物沉澱。二氧化碳以離子態或固態礦物的形式進行封存。

 

在四種封存機制中,安全性最高的機制為礦化封存,其次為溶解封存及殘餘氣封存,構造封存的安全性最差。根據IPCC (2005)報告中的《二氧化碳封存比例隨時間變化圖》表示,於封存初期,二氧化碳以構造封存為主,漸漸轉變為較安全的殘餘氣封存及溶解封存,到數千年之後,會逐漸轉變為礦化封存,使二氧化碳以碳酸鹽的形式封存於地下。因此,在停止注入後,二氧化碳封存的安全性會隨著封存時間而提升。

 

整體來說,二氧化碳因注入壓力與地層壓力間的壓力差,而產生流動,並因浮力作用,而使二氧化碳團塊上浮,被蓋岩層阻隔二氧化碳於地層構造內,讓二氧化碳填充於地層孔隙內,並因殘餘氣封存、溶解封存、礦化封存機制逐漸作用,而由超臨界態逐漸轉變為溶解相、離子相、礦物相,而安全的封存於地質構造內。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

 
 
  • 延伸閱讀:
     
    • Carbon Dioxide Capture and Storage (SRCCS) (IPCC, 2005)
    • 林殿順(2010)台灣二氧化碳地質封存潛能及安全性,經濟前瞻。
    • Nghiem, L., Shrivastava, V., Kohse, B., Hassam, M., Yang, C., "Simulation of Trapping Processes for CO2 Storage in Saline Aquifers, (2009) " Presented at the 2009 Canadian International Petroleum Conference held in Calgary, Alberta, Canada.
     
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