CN107485968A - 海水式碳捕集封存方法及装置 - Google Patents

海水式碳捕集封存方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明海水式碳捕集封存方法及装置(Ocean CCS)，用于对滨海电厂、海洋船舶等化石能源海洋设施排放废气，以及大气实施碳捕集与封存。利用海洋可以海量友好贮存二氧化碳的地球工程学原理，采用自然工程学方法，以海水洗涤化石燃料废气和/或空气进行碳捕集，再将洗涤溶有二氧化碳的海水，在控制pH值等指标使符合环境法规的条件下，注入到海洋表层，或中层，或深层水体实施海洋碳封存，并利用洋流扩散增进封存效果，为实现人们利用海洋资源应对气候变化的长期愿望，增加一种可负担和可行的有效技术方案。

Description

海水式碳捕集封存方法及装置
技术领域
本发明海水式碳捕集封存方法及装置(Ocean CCS)，用于对滨海电厂、海洋船舶等化石能源海洋设施排放和/或大气所含有的二氧化碳实施捕集与封存。属于清洁能源和地球工程技术领域。
背景技术
对二氧化碳进行捕集与封存，即CCS(Carbon Capture and Storage)，是减少大气中温室气体不可缺少的技术手段，但现有CCS试验示范项目全部是成本高昂的地质封存方案(POLICY)，在经济合理和可负担性方面差距很大，规模化减排作用难以预期。
根据地球工程学理论，大气中过多的二氧化碳最终要靠深海水体(Water column)来消化。为此，国际机构组织大规模研究，进一步发现：目前海洋本来就以约6Gt/y(吉吨/年)的速率自然吸收大气中的二氧化碳，并自然向深海迁徙。国际研究还认为：“二氧化碳是天然存在的产物，由于海洋碳储层的规模非常巨大(比地质储层大很多倍)，因此二氧化碳对海洋环境的整体影响非常小”(IEA OCEAN STORAGE OF CO2)，结论是：海洋碳封存方案对于应对气候变化，最具成本效益和封存潜力，而且最安全有效。为此，又曾于2001年开展海洋碳封存现场试验，准备向夏威夷和挪威两处海域注入液态二氧化碳，但在作好了物资场地(包括准备注入海洋的60t液态二氧化碳)等充分准备后，试验却被阻止，因为环保组织和机构指出：液态、密相气态或固态CO2注入海洋，会导致接触的海洋生物立即死亡，使注入区域的海洋生态环境遭到破坏，属于伦敦公约、奥斯陆巴黎(OSPAR)公约禁止的海洋“倾废”行为。从此十多年来国际上对海洋碳封存的试验研究一直陷于停滞。于是，由于沿用了地质封存的高纯度二氧化碳模式，现有海洋封存技术方案无法进行海洋现场试验示范，既无法证实和体现“最具成本效益”的优势，也无望成为实用的碳减排技术。因此，人们利用海洋资源有效应对气候变化的渴望长期无法实现。
发明内容
本发明海水式碳捕集封存方法及装置(Ocean CCS)的发明目的在于，克服现有海洋碳封存技术方案的缺陷，提供一种符合环境法规并最具成本效益的海洋碳封存技术方案，使海洋碳封存成为经济和环境成本均可负担的应对气候变化实用技术手段。
本发明第一个方面是提供了一种海水式碳捕集与封存方法，所述方法包括如下步骤：
1)碳捕集：抽取海水洗涤含二氧化碳的气体，生成溶有气体中二氧化碳的洗涤后海水作为碳捕集成品；
2)碳封存：将所述碳捕集成品注入大海水体进行海水碳封存。
进一步的技术方案是：
上述步骤2)所述的碳捕集成品注入海洋水体，是采用常压管道注入海洋水体。
对所述碳捕集成品中的海水的量与二氧化碳的量进行比例控制，以控制碳捕集成品注入大海时的pH值。
步骤1)所述含二氧化碳的气体，是指大气；所述的使海水洗涤，是利用风、和/或洋流波浪、和/或阳光提供动力抽取海水进行洗涤。
所述含二氧化碳的气体，是化石燃料燃烧排放的废气。
所述排放废气中的二氧化碳，至少有10％、或20％、或50％、或70％、或80％、或90％溶入洗涤海水后注入大海水体，洗涤海水的量被配置为足以吸收排放废气中至少10％、或20％、或50％、或70％、或80％、或90％的二氧化碳。
所述抽取的海水被提升至海拔高度不大于50m、或40m、或30m、或20m、或19m、或15m、或12m、或10m、或9m、或8m、或6m、或5m、或4m，或2m、或1m，以洗涤含有二氧化碳的排放废气，该海拔高度的零米(0m)基准为抽取海水处的海平面。
提供填料，通过填料洗涤和控制洗涤海水的提升高度使捕集二氧化碳的能耗不大于1000MJ/t，或500MJ/t，或400MJ/t，或350MJ/t，或300MJ/t，或250MJ/t，或200MJ/t，或150MJ/t，或100MJ/t，或60MJ/t，或50MJ/t，或40MJ/t，或30MJ/t，或20MJ/t，或10MJ/t，或5MJ/t。
所述碳捕集到所述碳封存是连续的反应过程。
碳捕集成品注入大海水体，是注入大海表层，和/或中层，和/或深层水体。
碳捕集成品注入大海水体，是将所述的洗涤后海水注入大海的洋流中，该洋流是不经过抽取海水处的洋流。
所述的填料洗涤，是使洗涤海水与排放废气通过填料大面积接触进行的洗涤；
本发明的第二个方面是提供一种海水式碳捕集封存方法，步骤包括，
a.将化石燃料燃烧器排出的含有燃烧产生的二氧化碳的废气连续导入碳捕集器；同时
b.将海水连续导入碳捕集器；
c.在碳捕集器中，通过填料加大a步骤导入的废气与b步骤导入的海水的接触面积来洗涤和溶解废气中的二氧化碳；
d.将经过海水洗涤后二氧化碳气体减少了的净化的废气连续排往大气；
e.将c步骤溶有废气二氧化碳的海水从碳捕集器连续输出；
f.将e步骤连续输出的溶有废气二氧化碳的海水连续排注至大海碳封存处，实现海洋碳封存；
所述的化石燃料包括煤炭、石油、天然气；所述的燃烧器为滨海火电厂或海洋船舶使用的燃烧器；所述的燃烧器包括锅炉和汽轮机、内燃机、燃气轮机；所述的废气为化石燃料燃烧产生的烟气；b步骤所述海水为从海洋直接提取的海水，或/和从海洋直接提取经用于燃烧器冷却后复用的海水。
进一步的技术方案是：
所述的海水式碳捕集封存方法，其d步骤净化的废气中二氧化碳气体减少的质量至少为a步骤所述的废气中二氧化碳气体质量的10％、或20％、或50％、或70％、或80％、或90％。
所述的海水式碳捕集封存方法，其d步骤净化的废气中二氧化碳气体减少的质量至少为a步骤所述的废气中二氧化碳气体质量的20％。
所述的海水式碳捕集封存方法，其e步骤连续输出的溶有废气二氧化碳的海水温度比b步骤导入碳捕集器的海水温度升高值小于50℃。
所述的海水式碳捕集封存方法，其e步骤连续输出的溶有废气二氧化碳的海水温度比b步骤导入碳捕集器的海水温度升高值小于20℃。
所述的海水式碳捕集封存方法，其e步骤连续输出的溶有废气二氧化碳的海水温度比b步骤导入碳捕集器的海水温度升高值小于2℃。
所述的海水式碳捕集封存方法，其e步骤连续输出的溶有废气二氧化碳的海水pH值比碳封存处区域海水pH背景值降低不超过2个pH单位。
本发明的第三个方面是提供一种用于本发明方法的海水式碳捕集封存装置，它包括产生化石燃料燃烧废气的燃烧器，和与燃烧器连接的用于洗涤废气以捕集二氧化碳的碳捕集器，向碳捕集器导入海水的海水抽取设备，和从碳捕集器导出净化废气的排气筒，以及海水排水管；碳捕集器内有填料层，并包括有布水器，该碳捕集器的海水输出口与海水排水管联通，海水排水管的出口连通至海洋水体。
进一步的技术方案是：
所述的海水式碳捕集封存装置，其碳捕集器的布水器高度小于等于50m、或40m、或30m、或20m、或19m、或15m、或12m、或10m、或9m、或8m、或6m、或5m、或4m，或2m、或1m；所述的布水器高度是布水器水平中心线相对海水抽取设备取水处海平面的高度值。
所述的海水式碳捕集封存装置，其海水抽取设备为燃烧器的海水冷却系统，或/和海水抽取泵。
所述的海水式碳捕集封存装置，其有一个海水调控泵与调控器联通，用于调控洗涤海水注入大海时的pH值。
所述的海水式碳捕集封存装置，其碳捕集器内的填料层，由工业散装填料，和/或规整填料，和/或孔板填料，和/或格栅组成。
所述的填料的干填料因子为5～2000/m，干填料因子的定义按常规的填料行业产品手册确定。
所述的海水式碳捕集封存装置，其海水排水管是薄膜输水管。
碳捕集器设置在高度可随潮位调节的海洋平台上。
本发明的第四个方面是提供一种用于本发明方法的海水式碳捕集封存装置，它包括碳捕集器，用于将海水输送至所述碳捕集器的海水抽取设备，用于给所述海水抽取设备提供动力的动力设备，位于所述碳捕集器上方的布水器，及下方的集水器，以及与所述集水器连通的海水排水管。
进一步的技术方案是：
所述动力设备包括风力设备，和/或洋流波浪换能设备、和/或太阳能发电设备。
所述动力设备包括风动装置、动力联接装置，所述动力联接装置连接所述海水抽取设备以将风动装置产生的动能传递给所述海水抽取设备，所述的动力联接装置是机械联接装置，和/或风力发电机及电动机组成的机电联接装置。
所述动力设备包括水动装置、动力联接装置，所述动力联接装置连接所述海水抽取设备以将水动装置产生的动能传递给所述海水抽取设备，所述的动力联接装置，是机械联接装置，和/或水力发电机及电动机组成的机电联接装置。
所述的以上两项用于本发明方法的装置，固定在海床上和/或海洋平台上。
本发明的技术原理和效果：
本发明利用二氧化碳是可溶于海水并大量存在于海水中的天然物质，可以在海洋中友好地长期和海量贮存的原理，使海水洗涤化石燃料废气，或直接洗涤收集的大气，即自然状态的空气，溶出废气和/或大气中的二氧化碳进行碳捕集，再将溶有废气和/或大气中二氧化碳的海水，在控制pH值等指标使符合环境法规的条件下，注入到海洋表层，和/或中层，和/或深层水体，实施海洋碳封存；利用洋流扩散可以进一步降低对海洋环境的影响，增进封存效果。注入海洋水体的深度可以是表层、中层或深层。有研究认为：注入海洋1000m深的CO2可以封存1000年。
CO2溶入海水按以下平衡等式从左向右反应：
其中重碳酸盐离子是海水中二氧化碳的主要形态，与碳酸、碳酸盐离子一起统称为溶解无机碳(DIC)(dissolved inorganic carbon)。
通常二氧化碳在水中的溶解度很低，所以海水洗涤产生含低浓度CO2，即含低浓度DIC的洗涤后海水。所述的低浓度，是相对现有技术而言：现有技术的碳捕集成品为纯二氧化碳液体、密相气体或固体，单位体积介质中的碳含量，比本发明方案高若干量级。人们有可能认为低浓度需要更大量的洗涤海水，将导致总能耗十分巨大。然而，本发明采用控制海水提升高度等方法控制总能耗，反而可使捕集封存二氧化碳的成本，比现有CCS方案至少降低一个量级。其中的滨海火电厂复用冷却排水还可再减少成本。
同时，由于二氧化硫也是可溶于海水并大量存在于海水中的天然物质，而烟气中的二氧化硫比二氧化碳含量少，且更易溶于水，所以本发明兼具烟气脱硫的技术效果。
显然，沿海地区往往大型碳排放点源密集，规模效应突出，应用本发明有利实现商业规模碳捕集与封存。
海洋航运业应用本发明，则可产生双重技术效果：一是利用海洋表层碳汇资源，使原本无法捕集的逃逸性碳排放实现碳捕集与封存，超低成本减少船舶碳排放，二是避免换用低硫燃油，间接减少了炼油业碳排放。因此，航运业得以有效化解国际减碳、减硫法令的双重压力，继续保持经济、绿色的双重优势。
而应用本发明对自然状态下的空气进行碳捕集与封存，也具有特别重要的意义，因为一是等于利用大气环流无成本输送捕集各类碳排放，包括其它方式无法捕集的逃逸性碳排放，二是利用风力、洋流、阳光等可再生能源进行零能耗碳捕集与封存，三是没有海域局限，无须周边支持，可以在各种海域大量安装。
显然，本发明根据地球工程学原理，采用自然工程学方法，取得了良好技术效果，为实现人们利用海洋资源应对气候变化的长期愿望，增加一种可负担和可行的有效技术方案。
附图说明
图1是本发明海水式碳捕集封存方法的一种实施步骤示意图。
图2是本发明海水式碳捕集封存方法的另一种实施步骤示意图。
图3是本发明用于滨海燃气蒸汽联合循环发电厂的实施例示意图。
图4是本发明用于滨海燃煤发电厂的另一实施例示意图。
图5是本发明用于海洋船舶的实施例示意图。
图6是本发明水力海上大气碳捕集封存的实施例示意图。
图7是本发明风力海上大气碳捕集封存的实施例示意图。
附图中的图号标记对像的名称为：
1—燃烧器，2—碳捕集器，2.1—布水器，2.2—布水器高度，2.3—集水器，3—海水抽取设备，3.1—海水增量泵，3.2—海平面线，4—调控海水泵，5—洗涤海水输出口，6—排气筒，7—排水管，8—调控器，9—船舶海底门，10—船舶海水总管，11—船舱，12—海岸，13—洋流，14—动力设备，14.1—风动装置，14.2—水动装置，14.3—动力联接装置，15—风。
具体实施方式
本发明所提供的一种海水式碳捕集与封存方法，包括如下步骤：
1)碳捕集：抽取海水洗涤含二氧化碳的气体，生成溶有气体中二氧化碳的洗涤后海水作为碳捕集成品；
2)碳封存：将所述碳捕集成品注入大海水体进行海水碳封存。
这里所说的海水指的是抽取自海洋的天然海水，包括抽取自海洋用于工业设施冷却的天然海水。在本发明中，海水可以不添加任何其它物质(例如，添加碱)就可以实现本发明目的。当然，在某些应用场合，也可以添加一些其它的添加剂以实现特定目的，例如，为了吸收排放废气中的某种特定成分。
这里所说的洗涤指的是将海水与含二氧化碳的气体进行接触来捕集二氧化碳。接触的方式包括但不限于：喷射注入器、鼓泡器、文丘里塔、喷淋器、过滤器、旋转喷雾器、格栅塔、孔板塔或填料塔等反应器。
这里所说的碳捕集指的是，洗涤过程捕集了含二氧化碳的气体中的CO2。这是由于洗涤过程中的部分CO2溶入洗涤海水，成为洗涤海水中的溶解无机碳(DIC)。
这里所说的碳封存指的是：将溶有废气中CO2的洗涤后海水使用常压管道直接注入海洋水体。在注入前不对溶入的CO2进行浓缩处理，但需要时可以对溶入的CO2进一步稀释处理，方法是掺入额外海水，以控制排水pH值处于环保法规要求的范围，因为不同地区的海域，包括不同深度的海域，可能会对排水pH值等具体环保指标有不同的要求。
这里所说的海洋水体指的是海洋表层(数十米水深)、中层(数百米以内水深)或深层(数百米以上水深)海水。IPCC和IEA组织的国际研究表明：海洋水体自身的理化系统，以及其中的海洋生态系统，都可以吸收并友好储存二氧化碳。
利用海洋流动的海水即洋流扩散，可以使海洋碳封存的效果更好，特别是使碳捕集成品排注至大海水体中不经过取水口的洋流里，可以避免排水回流到取水口。
CO2可溶于水，海洋能吸收较多CO2，这些都是常识。但至今缺少利用海水来实施碳捕集与封存的技术方案，这是因为，本领域的技术人员一直习惯地认为，只有将捕集的CO2提纯成液态、密相气态或固态的高浓度方式，减少运输与封存环节物质体量，其成本才有可能承受；由于高浓度方式的成本还远没有降低到可以承受的程度，因而更不能想象任何低浓度方案。
然而，本申请发明人在长期从事海水洗涤脱硫的研究中，却意外地发现通过海水洗涤这种低浓度方式，不仅可以脱硫，还可以实现碳捕集与封存，而且找到了大幅度降低成本的方法，将成本降低到可以负担和实用的程度。
本申请发明人先是发现，在现有的海水洗涤脱硫工艺(FGD、EGC)中，废气中的二氧化碳通常也有不到10％溶入洗涤海水，但随后又在排水曝气处理时被驱赶到大气。为此，本申请发明人对一座滨海火电厂FGD，和一艘海洋油轮EGC实施例进行多年试验并证实：适当的海水洗涤脱硫工艺设计，可使洗涤排水在不影响环保规定的情况下，少驱出甚至不驱出二氧化碳。
本申请发明人通过进一步实施例发现，加大洗涤海水量可以使排放废气中超过10％的二氧化碳被捕集与封存，而进一步采取控制海水提升高度的工艺措施，就可以使加大洗涤海水量所增加的能耗和成本得到控制。这样，在各种应用场合，例如发电厂和船舶实施例，捕集与封存排放废气中至少20％二氧化碳所增加的成本，通常都可以接受。如果要去除更多的二氧化碳，而且成本可以接受，在几种典型的应用场合，以下的实施例进行了具体的细节说明，最终可实现分别不少于废气中30％，或40％，或50％、或60％，或70％、或80％、或90％的二氧化碳捕集与封存的目标；在滨海火电厂实施例中，即使废气中99％的CO2实现碳捕集封存，所增加的成本也是可以接受的。
对于加大洗涤海水量，是因为一定量的海水可溶入的CO2量有限，一般常温常压下1m3淡水可溶入大约0.8m3的CO2气体，海水可溶入量稍多，要从废气中捕集大量的CO2，就需要大量的洗涤海水。例如一个发电厂的实施例中，利用原有的全部冷却海水洗涤烟气，只能实现约30％的二氧化碳捕集率，要将捕集率提高到90％以上，需要再增加的洗涤海水量，约为原有冷却海水量的两倍多，通常来说，这是非常巨大的数量。而要使成本可以接受，就需要采取两方面工艺措施，一是控制提取海水的能耗，二是控制洗涤海水对CO2的吸收效率以尽量减少海水量。为控制提取海水的能耗，需要控制洗涤海水的提升高度，即提升至碳捕集器所需要的高度，对于一项大型发电厂实施例，碳捕集器需要的海水提升的海拔高度在50m可以满足需要，当然，在另一些实施例中，40m，或30m也可以满足需要。在几种典型的应用场合，例如发电厂和海洋船舶，以下的实施例进行了具体的细节说明，碳捕集器需要的海水提升海拔高度不大于20m、或19m、或15m、或12m、或10m、或9m、或8m、或6m、或5m、或4m，或2m、或1m。在另一实施例中，由于当地海域的潮汐平均落差较大，将碳捕集器设置在高度可随潮位调节的平台上，或浮船坞上，可以利用水涨船高的原理，使海水提升的能耗始终最低。
另一方面，本申请发明人通过实施例还发现，在众多的洗涤方式中，用填料洗涤器或吸收塔作为碳捕集器，较有利于减少海水量及降低洗涤海水提升高度，因此提取海水的能耗最少，运行也最稳定。基于长期从事海水洗涤脱硫的经验，以及针对吸收二氧化碳的试验，本申请发明人还发现：所采用的填料的干填料因子最好为5～2000/m(干填料因子的定义，由常规的填料工业产品手册给出)，可使海水洗涤碳捕集的效果更好。例如填料干填料因子为5/m的实施例可以满足要求，在以下实施例中，干填料因子为10/m，或15/m，或35/m，或55/m，或65/m，或95/m，或150/m，或250/m，或350/m，或450/m，或650/m，或850/m，或1000/m，或1200/m，或1500/m，或1800/m，或2000/m的填料，也可以满足要求。所述的填料洗涤，是使洗涤海水与排放废气通过填料大面积接触进行的洗涤。
这样，本申请发明人发现，采用填料洗涤和控制洗涤海水的提升高度等措施，最终可以使碳捕集能耗得到控制，并使CCS工艺整体成本降低到可以实用的程度。例如，在一项实施例中，将二氧化碳碳捕集能耗控制到不大于1000MJ/t(兆焦耳/吨)，满足了实用需要；在发电厂和船舶应用场合，以下实施例进一步表明，将碳捕集能耗控制到不大于500MJ/t，或400MJ/t，或350MJ/t，或300MJ/t，或250MJ/t，或200MJ/t，或150MJ/t，或100MJ/t，或60MJ/t，或50MJ/t，或40MJ/t，或30MJ/t，或20MJ/t，或10MJ/t，或5MJ/t，也可以满足实用需要。
本申请发明人进一步发现，应用本发明可以在海上对自然状态下的空气进行碳捕集与封存，减少大气碳含量的效果很好，以下实施例只使用海上风力，和/或洋流波浪，和/或阳光等自然能量转换的机械能和/或电能，也就是可再生能源，等于零能耗，运行成本极低，只有建造成本折旧，而由于无须向岸发电输电，也无须周边支持，其建造成本也非常低；另一方面，人们建造大量海上风电、波电的目的，无非是要取代岸上化石能源，以最终减少对大气的碳排放，而本发明直接对大气中的二氧化碳进行捕集封存，减碳功效更高。
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下。
实施例1：是本发明海水式碳捕集封存方法的一种基本实施例。如附图1所示，实施步骤包括：1)碳捕集：抽取海水洗涤含二氧化碳的气体，生成溶有气体中二氧化碳的洗涤后海水作为碳捕集成品；2)碳封存：将所述碳捕集成品注入大海水体进行海水碳封存。
进一步的实施例是步骤2)所述的碳捕集成品注入海洋水体，是采用常压管道注入海洋水体。所述碳捕集到所述碳封存是连续的反应过程。
还有一个实施例是对所述碳捕集成品中的海水的量与二氧化碳的量进行比例控制，以控制碳捕集成品注入大海时的pH值。
另一个实施例是碳捕集成品排注至大海水体，是将所述的洗涤后海水注入大海的洋流中，该洋流是不经过抽取海水处的洋流。
以下几项实施例的碳捕集成品排注至大海水体，是排注至大海表层，和/或中层，和/或深层水体。
实施例2：是本发明海水式碳捕集封存方法的另一种基本实施例，如附图2所示，所述含二氧化碳的气体，是化石燃料燃烧排放的废气，实施步骤包括：a.将燃烧器排出的含有燃烧产生的二氧化碳的废气连续导入碳捕集器；同时b.将海水连续导入碳捕集器；c.在碳捕集器中，通过填料加大a步骤导入的废气与b步骤导入的海水的接触面积来使海水洗涤和溶解废气中的二氧化碳；d.将经过海水洗涤后二氧化碳气体减少了的净化的废气连续排往大气；e.将c步骤溶有废气二氧化碳的海水从碳捕集器连续输出；f.将e步骤连续输出的溶有废气二氧化碳的海水连续排注至大海水体，实现海洋碳封存；所述的化石燃料包括煤炭、石油、天然气；所述的燃烧器为滨海火电厂或海洋船舶使用的燃烧器；所述的燃烧器包括锅炉汽轮机装置、内燃机、燃气轮机、燃气蒸汽联合动力装置；所述的废气或烟气为化石燃料燃烧产生的废气；b步骤所述海水为从海洋直接提取的海水，和/或从海洋直接提取经用于燃烧器冷却后复用的海水。
实施例3：是在实施例2基础上的实施例，如附图2，d步骤净化的废气中二氧化碳气体减少的质量至少为a步骤所述的废气中二氧化碳气体质量的10％。
另一实施例是，d步骤净化的废气中二氧化碳气体减少的质量至少为a步骤所述的废气中二氧化碳气体质量的20％。
还有以下实施例分别是，d步骤净化的废气中二氧化碳气体减少的质量至少为a步骤所述的废气中二氧化碳气体质量的30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％。
实施例4：是在实施例2基础上的实施例。e步骤连续输出的溶有废气二氧化碳的海水pH值比排注区域海水背景pH值降低不超过2个pH单位。这是通过设计导入碳捕集器的废气量、海水量，以及气、液的比例来控制的，目的是符合有关海洋排水的法规和技术标准。
实施例5：是一种用于本发明方法的海水式碳捕集封存装置的基本实施例，如附图3所示，它包括产生化石燃料燃烧废气的燃烧器1，和与燃烧器连接的用于洗涤废气以捕集二氧化碳的碳捕集器2，向碳捕集器导入海水的海水抽取设备3，和从碳捕集器导出净化废气的排气筒6，以及海水排水管7；碳捕集器内有填料层，并包括有布水器2.1，该碳捕集器的海水输出口5与海水排水管7联通，海水排水管的出口连通至海洋水体。
实施例6：是在实施例5基础上的实施例。碳捕集器2包括有布水器2.1,布水器高度2.2小于等于20m；所述的布水器高度2.2是布水器2.1水平中心线相对海水抽取设备3取水点海平面3.2的高度值。
还有以下多个实施例的布水器高度分别小于等于19m、15m、12m、10m、9m、8m、6m、5m、4m，2m、1m。
降低布水器高度2.2的目的是降低提取海水的能耗，该项能耗是本发明工艺的主要能耗。
碳捕集器2内设有填料层，由工业散装填料组成，填料的干填料因子为5/m。
还有一实施例填料的干填料因子为30/m。
另有以下实施例，填料的干填料因子分别为60/m，120/m，200/m，300/m，400/m，500/m，600/m，700/m，800/m，900/m，1000/m，1200/m，1400/m，1600/m，1800/m，2000/m。
另一实施例是填料层由规整填料组成。还有一实施例是填料层由孔板填料组成。
又一实施例是填料层由各种填料混合组成。
实施例7：是在实施例5基础上的实施例。如图4所示，碳捕集器2连接的海水抽取设备3为燃烧器1的海水冷却系统。
另一实施例的海水抽取设备3为海水增量泵3.1。
还有一个实施例是海水抽取设备3为燃烧器1的海水冷却系统和海水增量泵3.1。这是为减排更大量的二氧化碳，以提供更大量的海水。
实施例8：滨海燃气蒸汽联合循环发电厂的实施例，如图3，该厂共有三套燃气蒸汽联合循环发电机组，每组400MW，总计1200MW装机。本实施例分二期实施。
一期实施，捕集其中一台发电机组排放废气中的二氧化碳，该机组烟气中的二氧化碳至少90％被捕集溶入洗涤海水后排注至大海水体，年捕集封存二氧化碳约100万吨。
该厂原来进行过高浓度碳捕集与封存项目设计，也是捕集其中一台发电机组排放废气中的二氧化碳，年捕集封存二氧化碳约100万吨，设计有二氧化碳的吸收、解吸、提纯、压缩、输送等工序；捕集的高浓度二氧化碳注入海底油田驱油(EOR)增产，配置有专用海洋平台，属于海底地质封存方案；项目设计完成后发现，虽然驱油增产可带来一定收入，使总成本相对于其他非EOR CCS项目较低，但仍无法低到人们可以承受的程度，因此项目最后还是被终止。
本实施例碳捕集器安装在为原CCS项目准备的空场地，并只需要其五分之一面积；碳捕集器布水器高度约10m；海水导入设备直接利用发电厂现有海水冷却系统，所以也利用了发电厂现有冷却水取水口和排水口，并使排水深度大于150米；由于滨海发电厂为保证冷却效率，其冷却排水口本来就处于海洋水体中不流经取水口的洋流里，这样洗涤捕集的二氧化碳排放后，也随洋流迅速扩散稀释，使本来就很小的海洋环境影响更小。本实施例捕集二氧化碳的能耗不大于100MJ/t，CCS装置造价和运行成本均为原高浓度项目的十分之一。
二期实施，在一期基础上扩建增加碳捕集器和海水导入泵，对其余2台发电机组进行海水洗涤碳捕集和海洋水体碳封存。二期完成后全厂年捕集封存二氧化碳约300万吨。
还有一实施例是将碳捕集器设置在高度可随潮位调节的平台上。又一个实施例是将碳捕集器设置在浮动海洋平台上。这样不论涨潮落潮，提升海水的能耗都可以最低。
实施例9：滨海燃煤电厂实施例，如图4，燃烧器为600MW燃煤发电机组，分二期实施。
一期实施，发电机组排放烟气中的二氧化碳至少25％被捕集溶入洗涤海水，洗涤海水直接利用电厂现有的70,000t/h冷却海水，年捕集封存二氧化碳约80万吨。
二期实施，发电机组排放烟气中的二氧化碳约95％被捕集溶入洗涤海水，以此配置的洗涤海水量需要增加210,000t/h，来自扩建的海水导入泵。二期实施完成后该发电机组年捕集封存二氧化碳约300万吨。
碳捕集器采用填料塔以降低高度，其布水器高度约为9m；采用有机编织薄膜输水管，输送到海平面下约300m的海洋中层水体中，实施海洋碳封存。
本实施例使发电厂烟气的CO2排放减少80％，捕集二氧化碳的能耗不大于200MJ/t。
实施例10：本实施例如图4，其有一个海水调控泵与调控器联通，用于调控洗涤海水注入大海时的pH值。这样实施能够更好地控制排注海水的pH值，同时能耗最低。
洗涤后含有二氧化碳的海水，排注至海平面至海床之间的海洋水体，具体是海面以下800m的海洋中层水体。
又一实施例是洗涤后含有二氧化碳的海水，排注至海平面以下1500m的海洋深层水体。有研究认为：注入海洋上千米，可使二氧化碳封存上千年。
实施例11：是海洋船舶的实施例，如图5，燃烧器1包括1台30MW船用二冲程柴油机，燃油为重油，含硫3.5％v-v，CO2产生量约8100Nm3/h，采用碳捕集器与原消音器合并方案设计建造，其中的布水器高度6m，按船舶重载水线考虑；碳捕集封存水量约5800t/h，海水增量泵3.1流量可调，以控制排水pH值；经本实施例处理的船舶废气：CO2减少50～70％(具体数值与船舶航行所在的海水水质和水温有关)，SO2减少98％，等效0.5％S燃油，可以在2020年联合国实施全球航运限硫令后，继续使用现有低成本燃油。捕集二氧化碳的能耗不大于20MJ/t，全流程运行成本相当于主机满功率油耗的0.6％，排水符合MARPOL公约附则VI下MEPC规则，排注至海洋表层水体。
本实施例设有入水口和排水口pH检测及控制，符合MARPOL公约附则VI下MEPC规则：行进中的船舶，利用海水洗涤发动机废气，未添加化学制剂，产生的洗涤排水，pH变化不超过入口海水2个pH单位，许可直接排海，即排注至海洋表层水体。
另一新造船舶实施例的燃料为LNG，产生的碳排放少于燃煤和燃油，但仍属于需要减少和控制碳排放的化石能源。
实施例12：是海洋上大气碳捕集与封存装置的实施例，如图6，它包括碳捕集器2，用于将海水输送至所述碳捕集器的海水抽取设备3，用于给所述海水抽取设备提供动力的动力设备14，位于所述碳捕集器2上方的布水器2.1，及下方的集水器2.3，以及与所述集水器连通的海水排水管7。装置安装在浮于海面的平台上，平台锚固于海床。
另一实施例所述的装置是安装在与海床刚性连接的海洋平台上。还有一实施例装置安装在移动式海洋平台上。
实施例13：是在实施例12基础上的进一步实施例，如图6，所述动力设备14包括水动装置14.2、动力联接装置14.3，所述动力联接装置14.3连接所述海水抽取设备3以将水动装置14.2产生的动能传递给所述海水抽取设备3，所述的动力联接装置14.3，是机械联接装置。
另一实施例所述的动力联接装置14.3，是水力发电机及电动机组成的机电联接装置。
实施例14：是在实施例12基础上的进一步实施例，如图7，所述动力设备14包括风动装置14.1、动力联接装置14.3，所述动力联接装置14.3连接所述海水抽取设备3以将风动装置14.1产生的动能传递给所述海水抽取设备3，所述的动力联接装置14.3，是机械联接装置。
本实施例碳捕集器2下方的集水器2.3连接有海水排水管7，该海水排水管7的出口联通至海洋水体，以将溶有二氧化碳的洗涤海水注入大海。风动装置为垂直轴风轮。也可以采用水平轴风轮。风动装置将捕获的海上风能转化为转动的机械能，直接驱动海水抽取设备提升海水。从较深处抽取的海水，洗涤捕集二氧化碳的效果较好；碳捕集器下方集水器的液位，使洗涤海水注入大海越深，二氧化碳的封存效果越好。动力联接装置14.3具有机械调速功能。碳捕集器2采用了垂直开敞式设计，以利捕风；其中设置栅板栅网组成的填料以提高洗涤效率。
碳捕集器采用空心喷淋塔也是一种实施例。还有一实施例的碳捕集器是常规洗涤塔。洗涤海水不经集水器收集直接撒布在洋面是另一实施例。
还有一个实施例是碳捕集器使用鼓风机强制鼓风，鼓风机的动力也来自风动装置。
以上实施例装置也是一种减碳风车装置，制造和维护成本远低于同等风轮直径的风力发电机，由于无须多级能量转换，减少大气碳含量的功效数倍于后者。
实施例15：是在实施例12基础上的又一实施例，所述动力设备14包括风动装置14.1、动力联接装置14.3，所述动力联接装置14.3是风力发电机和电动机组成的机电联接装置，这时的动力设备14直接采用现有的海上风力发电机。
还有一实施例所述动力设备14直接采用现有太阳能发电设备。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (15)

1.一种海水式碳捕集与封存方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)碳捕集：抽取海水洗涤含二氧化碳的气体，生成溶有气体中二氧化碳的洗涤后海水作为碳捕集成品；
2)碳封存：将所述碳捕集成品注入大海水体进行海水碳封存。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，步骤2)所述的碳捕集成品注入海洋水体，是采用常压管道注入海洋水体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述碳捕集成品中的海水的量与二氧化碳的量进行比例控制，以控制碳捕集成品注入大海时的pH值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：步骤1)所述含二氧化碳的气体，是指大气；所述的使海水洗涤，是利用风、和/或洋流波浪、和/或阳光提供动力抽取海水进行洗涤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述含二氧化碳的气体，是化石燃料燃烧的排放废气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述排放废气中的二氧化碳，至少有10％、或20％、或50％、或70％、或80％、或90％溶入洗涤海水后注入大海水体，洗涤海水的量被配置为足以吸收排放废气中至少10％、或20％、或50％、或70％、或80％、或90％的二氧化碳。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述抽取的海水被提升至海拔高度不大于50m、或40m、或30m、或20m、或19m、或15m、或12m、或10m、或9m、或8m、或6m、或5m、或4m，或2m、或1m，以洗涤含有二氧化碳的排放废气，该海拔高度的零米(0m)基准为抽取海水处的海平面。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：提供填料，通过填料洗涤和控制洗涤海水的提升高度使捕集二氧化碳的能耗不大于1000MJ/t，或500MJ/t，或400MJ/t，或350MJ/t，或300MJ/t，或250MJ/t，或200MJ/t，或150MJ/t，或100MJ/t，或60MJ/t，或50MJ/t，或40MJ/t，或30MJ/t，或20MJ/t，或10MJ/t，或5MJ/t。
9.一种用于权利要求5所述方法的海水式碳捕集封存装置，其特征在于，它包括产生化石燃料燃烧废气的燃烧器(1)，和与燃烧器(1)连接的用于洗涤废气以捕集二氧化碳的碳捕集器(2)，向碳捕集器(2)导入海水的海水抽取设备(3)，和从碳捕集器(2)导出净化废气的排气筒(6)，以及海水排水管(7)；碳捕集器(2)内有填料层，并包括有布水器(2.1)，该碳捕集器(2)的海水输出口(5)与海水排水管(7)联通，海水排水管(7)的出口连通至海洋水体。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，碳捕集器(2)的布水器高度(2.2)小于等于50m、或40m、或30m、或20m、或19m、或15m、或12m、或10m、或9m、或8m、或6m、或5m、或4m，或2m、或1m；所述的布水器高度(2.2)是布水器(2.1)水平中心线相对海水抽取设备(3)取水处海平面(3.2)的高度值。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，有一个海水调控泵(4)与调控器(8)联通，用于调控洗涤海水注入大海时的pH值。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，碳捕集器(2)内的填料层，由工业散装填料，和/或规整填料，和/或孔板填料，和/或格栅组成。
13.一种用于权利要求4所述方法的海水式碳捕集封存装置，其特征在于，它包括碳捕集器(2)，用于将海水输送至所述碳捕集器(2)的海水抽取设备(3)，用于给所述海水抽取设备(3)提供动力的动力设备(14)，位于所述碳捕集器(2)上方的布水器(2.1)，及下方的集水器(2.3)，以及与所述集水器连通的海水排水管(7)。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述动力设备(14)包括风动装置(14.1)、动力联接装置(14.3)，所述动力联接装置(14.3)连接所述海水抽取设备(3)以将风动装置(14.1)产生的动能传递给所述海水抽取设备(3)，所述的动力联接装置(14.3)，是机械联接装置，和/或风力发电机及电动机组成的机电联接装置。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述动力设备(14)包括水动装置(14.2)、动力联接装置(14.3)，所述动力联接装置(14.3)连接所述海水抽取设备(3)以将水动装置(14.2)产生的动能传递给所述海水抽取设备(3)，所述的动力联接装置(14.3)，是机械联接装置，和/或水力发电机及电动机组成的机电联接装置。
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