中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所李琦博士講解“中國(guó)二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵問(wèn)題”。


今天我這個(gè)報(bào)告主要是回顧一下CCUS環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一些關(guān)鍵問(wèn)題。


從CCUS環(huán)境影響到環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，上午很多專家都講到了，我主要從三個(gè)方面來(lái)展開(kāi)，一是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)范圍的確定，包括時(shí)間范圍和空間范圍，二是風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)的確定，三是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的確定。


首先看看CCUS捕集、輸送和封存三個(gè)環(huán)節(jié)的環(huán)境影響。


捕集工藝，我們通?？梢园凑找粋€(gè)常規(guī)的化工項(xiàng)目進(jìn)行管理，這方面有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)。歷史上，德國(guó)最早建立了二氧化碳化工工程，他們已經(jīng)有很成熟的二氧化碳管理經(jīng)驗(yàn)。問(wèn)題是如果捕集的二氧化碳純度不高，我們喝的汽水中添加的二氧化碳純度為99.99%，如果純度不高，這對(duì)環(huán)境的影響就應(yīng)該充分考慮，還有捕集過(guò)程中使用的化學(xué)吸附劑帶來(lái)的其他系列問(wèn)題，總的來(lái)說(shuō)，還是可以參照化學(xué)物品來(lái)管理。


對(duì)大氣污染物排放的影響。



廢物和副產(chǎn)品。


運(yùn)輸環(huán)節(jié)，油氣運(yùn)輸已有很成熟的管理經(jīng)驗(yàn)，可以參考，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)也是這樣做的。在ISO/TC265國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，出臺(tái)最快的標(biāo)準(zhǔn)就是管道運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)。


封存環(huán)節(jié)的環(huán)境影響，這個(gè)是重中之重。因?yàn)槎趸嫉刭|(zhì)封存是新事物，很多問(wèn)題不清楚。到底有什么影響？要封存，要有注入井口，廠房建設(shè)也對(duì)地表活動(dòng)帶來(lái)影響。如果是海上，還要考慮工程建設(shè)對(duì)海洋的一些影響。二氧化碳注入地下去，在地下會(huì)跑，會(huì)不會(huì)在你規(guī)定的這個(gè)封存圈閉里面，會(huì)帶來(lái)潛在影響。如果跑到外面會(huì)帶來(lái)什么影響，上午有一張圖，大家可以看一下，不同的泄漏路徑帶來(lái)的潛在影響。


前面講了三個(gè)環(huán)節(jié)的環(huán)境影響，接下來(lái)我們看看CCUS三個(gè)環(huán)節(jié)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。


CCUS環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的界定。


捕集環(huán)節(jié)，無(wú)非就是工業(yè)裝備的風(fēng)險(xiǎn)。


運(yùn)輸環(huán)節(jié)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。


這個(gè)圖主要說(shuō)明了二氧化碳在整個(gè)工程時(shí)間上的風(fēng)險(xiǎn)量級(jí)。一般劃分為三個(gè)階段，首先是注入前，二是注入過(guò)程，三是注入后，有時(shí)也分四個(gè)階段，就是關(guān)閉后的過(guò)程。我建議采用比較簡(jiǎn)單的三階段劃分，我們現(xiàn)在也是這樣做的。


封存環(huán)節(jié)到底有哪些風(fēng)險(xiǎn)，有哪些源，相互之間的相關(guān)性，這個(gè)級(jí)聯(lián)圖主要是講這方面的。去年我們?cè)?a target="_blank" class="relatedlink">內(nèi)蒙古講了，不再贅述，無(wú)非是有一個(gè)泄漏的追蹤過(guò)程，二氧化碳到水里面有什么影響，到地下有什么影響，對(duì)植被有什么影響，在地表之上對(duì)人畜有什么影響，等等。
后果部分，寫(xiě)了一個(gè)全球和局部，最壞的場(chǎng)景是我們注入的二氧化碳，比如某種因素——地震，把我們封存的二氧化碳全部泄漏到大氣里面，封存就失效了，大量釋放的二氧化碳會(huì)帶來(lái)全球性的影響，這是極端事件，目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這樣的事件，當(dāng)然歷史上還沒(méi)有這樣大的地質(zhì)工程?，F(xiàn)在歐洲北海的Sleiper項(xiàng)目目前是相對(duì)比較穩(wěn)定的，還沒(méi)有出現(xiàn)這樣的事件。


有了這個(gè)環(huán)境影響和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的基本認(rèn)識(shí)之后，我們來(lái)看看CCUS環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵問(wèn)題，重點(diǎn)講講這個(gè)部分，前面基本認(rèn)識(shí)沒(méi)有搞清楚，后面的方法就免談了。圖示的這四大塊內(nèi)容是我們一直在核心做的，今年我們?cè)谝呀?jīng)出版的《環(huán)境工程》CCUS專輯里面，把初步的想法，風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)的確定，空間范圍的確定等等已經(jīng)發(fā)表了，雖然淺顯。另外，閾值確定按照規(guī)劃我們明年也會(huì)發(fā)表在新一期《環(huán)境工程》CCUS專輯中。


風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估空間范圍的確定方法，就是通過(guò)二氧化碳在地下的運(yùn)移行為來(lái)確定地上和地下范圍，評(píng)估范圍覆蓋地面和地下的所有注入場(chǎng)所、相關(guān)工業(yè)設(shè)備、固定和永久的監(jiān)測(cè)設(shè)備。


我們推薦三種方法，一是簡(jiǎn)單函數(shù)法，二是數(shù)值模擬法，三是國(guó)際案例類比方法。


簡(jiǎn)單函數(shù)法很簡(jiǎn)單易用，上午的三個(gè)半徑，α+β+γ,之和就是我們的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估空間范圍。針對(duì)三種常見(jiàn)儲(chǔ)層,其半徑計(jì)算過(guò)程中的參數(shù)各不相同。


國(guó)際上沒(méi)有關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估范圍的確切計(jì)算方法，我們的思路是，首先評(píng)價(jià)空間里面能夠封存多少二氧化碳，有了這個(gè)數(shù)據(jù)就知道怎么計(jì)算空間半徑，二氧化碳的儲(chǔ)量，簡(jiǎn)單計(jì)算就是儲(chǔ)存的面積×儲(chǔ)存的厚度×孔隙度等，有了儲(chǔ)量，確定范圍就只需要簡(jiǎn)單的公式。


不同儲(chǔ)層巖石的系數(shù)不一樣，可以查我們提供的各種各樣的附表。


不同儲(chǔ)層巖石的系數(shù)不一樣，可以查我們提供的各種各樣的附表。


查表以后知道了所有系數(shù)，帶到公式里面計(jì)算，把R求出來(lái)，就得到了二氧化碳羽（流）的初始流動(dòng)半徑。這里有一個(gè)偏心，前面乘以優(yōu)化系數(shù)校正偏心，就計(jì)算出α半徑。


α半徑計(jì)算出來(lái)后，就有了單井的評(píng)估范圍。由于規(guī)?；獯嬉话銥榫?，就可以針對(duì)井群做一個(gè)拓?fù)?，圓形或方形。最終得到注入井區(qū)評(píng)價(jià)范圍α半徑。β和γ的計(jì)算與α略有不同，在此不展開(kāi)，請(qǐng)看我們發(fā)表的文章。


數(shù)值模擬方法，現(xiàn)在有各種開(kāi)源的或商業(yè)的軟件可用于進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，模擬二氧化碳注入地下以后的運(yùn)移行為。


這是針對(duì)井群的數(shù)值模擬，還是回到我們的α、β和γ。先算濃度暈和壓力暈，然后將這兩個(gè)暈疊加的外接圓作為總的評(píng)價(jià)范圍。

 有了數(shù)模的東西以后，我們可以針對(duì)模型提出各種控制方法。


我們還可以采用案例類比法，比如挪威北海Sleipner項(xiàng)目從1994年開(kāi)始注入二氧化碳，一直到2006年，做了一套整個(gè)區(qū)域的注入后地震監(jiān)測(cè)，這6個(gè)圖，可以理解為有深色顏色的地方是二氧化碳這么多年在地下分布的范圍。這可以通過(guò)地球物理方法搞的比較清楚，不能說(shuō)100%，至少八九不離十mapping出這個(gè)大致區(qū)域。如果我們要在南海珠江口盆地開(kāi)展二氧化碳封存，就可以用這個(gè)監(jiān)測(cè)方法。


我們這三種方法針對(duì)不同的用戶，因?yàn)榈叵聰?shù)據(jù)獲取非?；ㄥX，有的地方花錢都沒(méi)有好的數(shù)據(jù)，我們就提供這三種方法，數(shù)值模擬法、簡(jiǎn)單函數(shù)法和案例類比法，從繁到簡(jiǎn)，方便選用。


這個(gè)圖上午也講了，二氧化碳注入到地下，存在可能的泄漏通道，會(huì)跑。首先是沿著井筒跑，因?yàn)槭菑木谧⑷脒M(jìn)去的，封不好就跑出來(lái)，即使封得好，二氧化碳遇水形成碳酸等溶液腐蝕了井筒也可以跑出來(lái)，井筒是主要的泄漏點(diǎn)。不僅注入井，還有廢氣井也是潛在泄漏通道。其次，還有沿著斷裂帶，深藍(lán)色的地方，二氧化碳沿著斷裂帶上溢出來(lái)，也是需要加強(qiáng)監(jiān)控的。這是比較快速的泄漏。最后，還有二氧化碳會(huì)慢慢滲透過(guò)蓋層，像呼吸一樣慢慢往淺地表擴(kuò)散。上午講的尼斯湖事件，因?yàn)槭腔鹕胶?，二氧化碳到達(dá)湖底以后，慢慢積聚，最后噴出來(lái)了。


這是IPCC報(bào)告中總結(jié)的二氧化碳可能的逃逸機(jī)制。


這是比較全的井筒泄漏潛在通道，二氧化碳遇到這些材料以后會(huì)慢慢發(fā)生反應(yīng)，會(huì)把a(bǔ)到f所列出來(lái)的的縫隙打通，神華的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒但是不能完全照搬，要找到適合的材料，且滿足工業(yè)界的經(jīng)濟(jì)需求。


這是神華CCS項(xiàng)目位置及周圍牧民、工廠的分布。我們的計(jì)算表明，井噴發(fā)生時(shí)，30000ppm濃度的二氧化碳擴(kuò)散距離尚不至于威脅到周圍牧民等。


這四張圖，二氧化碳到地表以后，在大氣的擴(kuò)散過(guò)程，在鄂爾多斯地區(qū)常年主風(fēng)向情況下，30000ppm和50000ppm濃度暈擴(kuò)散的情況。在30000ppm的時(shí)候基本不用擔(dān)心跑到農(nóng)戶家里，如果發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，切實(shí)能夠應(yīng)對(duì)。


風(fēng)險(xiǎn)閾值，我們有一個(gè)系統(tǒng)的梳理，國(guó)土資源部在青海有地面實(shí)驗(yàn)站，長(zhǎng)安大學(xué)以前也建有一個(gè)實(shí)驗(yàn)站，開(kāi)展了一些對(duì)植物尤其是碳3植物和碳4植物的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。農(nóng)科院也開(kāi)展了一些類似的研究。這些都會(huì)納入到我們本年度風(fēng)險(xiǎn)閾值的調(diào)研報(bào)告中。


這是二氧化碳不同的濃度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的不良反應(yīng)，今年的重中之重，要把這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)整理和分析出來(lái)。


對(duì)人體的反應(yīng)，一種形象表示方法，已經(jīng)講過(guò)。


對(duì)人體的反應(yīng)，已經(jīng)講過(guò)。


這個(gè)是從安全管理的角度，給出人體的暴露時(shí)間。


風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，應(yīng)用在CCUS的歷史雖然不悠久，但是需求出來(lái)以后，看到四年一度的GHGT大會(huì)，大量的評(píng)價(jià)方法接踵而來(lái)，定性、定量、半定量的都有。


這些方法的實(shí)現(xiàn)，尤其是在定量的時(shí)候，無(wú)非就是這么幾種手段，例如：Bow-Tie，Matrix，ALARP。這需要大量的數(shù)據(jù)支持，尤其是有一個(gè)比較強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫(kù)支持，非常重要，否則光做出這個(gè)東西沒(méi)有用。


這是我們一開(kāi)始借鑒的ISO里面的工作，一開(kāi)始風(fēng)險(xiǎn)管理就是借鑒31000，包括現(xiàn)在正在做的。


我們《指南》的編制說(shuō)明里面給出了不少推薦方法，大概有40多種方法，包括各種軟件，供大家參考。




《指南》推薦的風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估方法，后面可能會(huì)改。早期的時(shí)候，針對(duì)《指南》推薦方法我們也做了幾個(gè)驗(yàn)證，在數(shù)據(jù)量不夠的情況下，我們更多借助了FEP數(shù)據(jù)支持，針對(duì)每一種可能出現(xiàn)的情況，至少有上百種可能性，通過(guò)一一計(jì)算，最后在風(fēng)險(xiǎn)圖里面投影。


投影到紅黃綠區(qū)域以后，我們就可以分析。圖中黑色圓圈表示各個(gè)FEPs的后果與可能性，半徑的大小表示有多個(gè)FEPs落在相同的后果矩陣區(qū)域內(nèi)。半徑越大，表征越多個(gè)FEPs的評(píng)價(jià)結(jié)果相同。如圖所示，評(píng)價(jià)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果大多位于矩陣左下角，表明風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率較低，且因風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生所導(dǎo)致的對(duì)風(fēng)險(xiǎn)受體的影響都在中等或中等以下，同時(shí)，通過(guò)一些風(fēng)險(xiǎn)管理措施，可以降低風(fēng)險(xiǎn)的概率與后果，促使風(fēng)險(xiǎn)向左下角進(jìn)一步移動(dòng)。


最后，我想強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：最主要的就是對(duì)地下封存狀態(tài)要做好各種場(chǎng)景的預(yù)判，一定要結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這就是為什么做完這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要做監(jiān)測(cè)，風(fēng)險(xiǎn)和監(jiān)測(cè)是孿生兄弟，必須同步進(jìn)行，才能確保CCUS百年大計(jì)沒(méi)有危險(xiǎn)性。