二氧化碳壓縮及運輸

 
2018/03/05 李元亨 | 國立成功大學資源工程學系     282
 

隨著人類進入工業化時期,化石燃料的過度使用,產生大量的人為溫室氣體(以二氧化碳為主),造成全球溫室效應更加劇烈,造成全球平均溫度上升與海平面上升等多項災害。二氧化碳捕獲與封存(簡稱碳捕存)技術,是有效的二氧化碳减排措施之一,將化石燃料燃燒所排放的二氧化碳捕獲,運輸到封存場址封存,可有效將二氧化碳與大氣長期隔絕,減緩溫室效應。

 

在二氧化碳捕獲後,除非工廠剛好位於封存場址上方,否則需要將二氧化碳運輸到封存場址進行封存。但因為氣態二氧化碳密度極低,需透過壓縮以提升二氧化碳的密度,以便於運輸並降低運輸成本。因此,二氧化碳運輸可再分為壓縮及運輸兩個部分。

 

二氧化碳壓縮

 

二氧化碳壓縮,與天然氣壓縮類似,透過壓縮機進行壓縮。依據壓力增加原理,可將壓縮機分為改變氣體體積及改變氣體速度兩種。改變氣體體積的壓縮機,先將氣體導入一密閉空間後,透過壓縮氣體體積,使氣體壓力升高;改變氣體速度的壓縮機,是透過輪葉的轉動,讓氣體高速流動,再通過外圍的升壓環,後來由於升壓環的截面積增加,氣體的流速逐漸降低,使氣體能量由動能轉為壓力能,而讓壓力上升。通常使用的類型為離心式壓縮機,可以處理較大流量的氣體。

 

二氧化碳可分為固態、液態、氣態、超臨界態四個相態。當二氧化碳壓力高於7.4 MPa及溫度高於31℃時,二氧化碳會轉變成超臨界流體,其物理性質介於氣、液兩相之間,同時具備了氣體與液體的特性,黏滯性低,幾乎沒有表面張力,易滲入地層孔隙中;因此,在進行二氧化碳封存時,需要以超臨界態進行灌注。

 
 

二樣化碳三態

 

而在進行運輸時,分為氣態、液態、超臨界態三種類型。由於氣態二氧化碳密度極低,且於溫度降低或壓力升高時,會轉化為液態,造成兩相共存,不利於運輸,所以一般都以液態或超臨界態進行運輸。在三個相態中,液態二氧化碳的密度最高,輸送效率高,但亦有二相共存的問題,且黏度比起超臨界態及氣態大,較不利於流動。而超臨界態由於具有與氣體的低黏度和高擴散性,以及與液體相近的密度和溶解性,較不易受到外界溫度影響,於實際運輸中具有優勢,但壓縮至超臨界態所需的成本較高。因此,在進行二氧化碳運輸時,依其成本考量及運輸方式,多將二氧化碳壓縮為超臨界態或液態進行運送,氣態則較少。

 

二氧化碳運輸

 

二氧化碳運輸方式主要可分為管線運輸、汽車槽車運輸、鐵路運輸和船舶運輸四種方式。其中,最普及與運輸成本最低的方式為管線運輸,可大量且長期運輸二氧化碳,並於短距離或長距離運輸皆可使用;然而,缺點為初始管道建設成本高,建設受到地形及氣候限制,且需面對二氧化碳運輸導致管道腐蝕、洩漏的問題定期檢測及改善,但整體而言,仍為成本最低且最有可行性的運輸方法。

 

汽車槽車運輸,運輸成本極高,但相對靈活,可依需要修改運輸路線及地點,適用於輸送量較小的情況。鐵路運輸,比起汽車槽車成本相對較低,但受到鐵軌路線的制約,若運輸需建立專屬的鐵路,初始投資仍然極高。因此,相比於管線運輸,汽車槽車運輸、鐵路運輸兩種方式較不具有經濟性,不適用於大規模二氧化碳運輸。

 

船舶運輸,需要位於周圍有河流或靠海的位置才可使用,在需長途運輸或運輸至海外的情況下,具有其特定的優勢,並可與其他運輸方式加以結合,達到最具效益的運輸。

 

整體而言,二氧化碳運輸需綜合考量運輸量大小、運輸設備、運輸距離、地理區位等條件,選擇最適合的運輸方式與運輸相態,才有利於運輸到封存場址進行後續的封存。

 

 

(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)
    • 歐陽湘、廖啟雯(2010),由二氧化碳減排看二氧化 碳捕獲與封存技術發展,經濟前瞻
    • S. Wong(2012), MODULE 4 CO2 Compression and Transportation to Storage Reservoir, Building Capacity for CO2 Capture and Storage in the APEC Region
    • 喻西崇、李志軍、鄭曉鵬、王玨(2008),CO2 地面處理、液化和運輸技術,天然氣工業,第28卷第8期
    • 吳瑕、李長俊、賈文龍(2010),二氧化碳的管道輸送工藝,油氣田地面工程,第29 卷第9 期
    • 楊曉明、俞旗文(2012),超臨界二氧化碳的地質封存,水利土木科技資訊,第55期
     
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