碳达峰与碳中和（二）——碳捕集与封存是手段

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 什么是碳捕集与封存？

自然状态下的碳循环处于平衡状态，大自然能够实现对碳循环的自我调节。但面对亿万年来固定的碳（煤、石油天然气等）的突然大规模释放，大自然的调节能力就显得捉襟见肘。

CO2的捕集与封存技术是解决当前碳排放问题的有力手段，对于二氧化碳减排、碳达峰与碳中和具有重要意义。碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS）是指将化石燃料燃烧产生的的CO2用各种技术储存起来避免释放到大气中的技术，被认为是解决温室效应最经济可行的办法[1] 。

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碳捕集

根据CO2捕集和燃烧过程的时间先后关系，CCS技术被划分为三种，即燃烧前CO2捕集技术、燃烧中CO2捕集技术（主要是富氧燃烧技术）和燃烧后CO2捕集技术[1] 。 

1）燃烧前CO2捕集。在燃料燃烧前就对其进行脱碳处理的技术叫做燃烧前捕集技术，主要包括制取合成气，水煤气变换和分离脱除三个步骤。首先，在高温高压的条件下，向反应器中通入空气或氧气及蒸汽等，将燃料转变为合成气，即以一氧化碳（CO）和氢气（H2）为主要成分的混合气体，同时合成气中还会含有 CO2、粉尘、二氧化硫（SO2）等成分。其次，对合成气进行除尘和脱硫处理后，通入催化反应器与水蒸气进行反应，在水蒸气作用下，CO将转化为CO2，同时得到H2。最后，通过CO2分离技术将CO2从上步得到的富含CO2和H2的混合气体中分离出来就完成了CO2的捕集[2] [3] 。

图 1 燃烧前CO2捕集技术步骤

燃烧前捕集技术包含整体煤气化联合循环发电（IGCC）和工业分离两大类。国内IGCC项目有华能天津IGCC项目以及连云港清洁能源动力系统研究设施。华能天津IGCC项目于2012年11月投产，二氧化碳捕集设施2018年投产，捕集量为6万吨/年。国内典型的工业分离项目包括煤制油、煤制气、天然气处理、水泥生产、甲醇生产、化肥生产等[4] 。

2）富氧燃烧技术。顾名思义，此项技术是期望通过增加燃料燃烧过程中的氧气含量来进行CO2的捕集。在燃煤锅炉中，使用分离了空气中的氮气（N2）后得到的高浓度氧气（O2）代替空气作为煤的氧化剂通入到锅炉中反应。

在高浓度氧的影响下，燃料基本完全燃烧，生成主要包含CO2和水（H2O）的烟气，冷凝分离出液态水后即可得到高浓度CO2，由于CO2浓度高，甚至可以不经过提纯就可以直接液化输送。虽然最终烟气中的CO2浓度大、分压高使其易于脱除，但目前由于空气分离能耗大、设备漏风及腐蚀等问题，富氧燃烧技术在国际上主要还处于研发阶段。国内在湖北应城已建成10万吨/年的捕集装置，但直到2019年还未能示范运行[1] [5] 。

3）燃烧后CO2捕集。燃烧后捕集是将CO2从燃料燃烧后排放的烟气中分离出CO2的技术，也是目前最为成熟应用最为广泛的技术。由于燃烧后CO2捕集技术是对烟气进行处理，对现有工厂结构的影响最小，不需要过多变动原有生产系统。但由于烟气CO2分压低、烟气成分复杂等使得燃烧后捕集系统的设备庞大复杂、能耗较大等问题亟待解决[1] [6] 。

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碳分离

根据分离方法和分离机理的不同，当前的CO2分离方法主要有吸附法、吸收法、膜分离法和低温分离法等，其中化学吸收法是最主要的捕集技术，全球已投产的CO2捕集项目基本都采用此方法[1] 。

1）吸附法。吸附剂在一定温度、压力等条件下选择性吸附CO2，吸附结束后再降低压力或升高温度使吸附剂再生，完成吸附分离CO2的过程。吸附剂吸附能力随CO2分压升高而变强。根据吸附-脱附过程的条件，吸附分离法分为变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）两种，由于压力调控吸附速率更快，更加常用的是变压吸附法。

在变压吸附法中，吸附塔中的吸附剂在较高压力下选择性吸附通入塔中的CO2，并在塔顶排出分离后的气体；之后，吸附塔在真空泵作用下压力降低，CO2从吸附剂上脱附，从而得到浓度更高、更纯净的CO2，实现CO2的分离。常见的CO2吸附剂有活性炭、γ-Al2O3等，此外有一些高温吸附剂正在被广泛研究。但是目前吸附剂易中毒、用量大、吸附效率低等问题限制了吸附法的发展[1] [2] [3] 。

2）膜分离法。不同的膜材料对不同的气体分子有不同的渗透率。当含有CO2的混合气体通过分离膜时，CO2分离膜能使CO2优先透过膜材料从入口高压侧进入低压侧，其他气体则被隔离在入口侧，这样就实现了CO2的分离。膜分离法的操作简单、能耗小、设备简单小巧、场地占用小、投资小，但面临分离膜不耐高温、不耐酸碱、制作成本高等问题，这限制了膜分离技术的应用。因此，为实现对CO2的连续高效分离，能否制备出对CO2气体分子有良好选择性和渗透率并能适应苛刻环境的膜材料是膜分离法研究的重点[2] [7] 。

3）低温分离法。不同的气体具有不同的液化温度，同一气体在不同条件下液化温度也不相等。将混合气体经过多级压缩冷却可以实现对CO2的分离，得到液化的CO2，并且分离出的CO2纯度很高。但该方法存在设备要求高、投资大、能耗高的问题，适用范围不广，对原本就含高浓度CO2的混合气体才具有价值，对低浓度CO2的分离成本高，效果不佳[2] [3] 。

4）吸收法。根据在吸收过程中，吸收液和CO2是否发生反应生成新物质，吸收法被分为物理吸收法和化学吸收法，其中化学吸收法是捕集CO2最成熟常用的方法[1] 。

物理吸收法在吸收过程中吸收剂与CO2不发生反应，主要是通过吸收剂对 CO2的溶解吸收实现对CO2的捕集。CO2 在吸收剂中的溶解度随溶剂温度升高而降低，随混合气体中CO2分压升高而增大。因此，物理吸收法通常在高压低温条件下进行CO2的吸收分离，在低压高温条件下进行CO2的解吸及吸收剂的再生。主要的物理吸收法有低温甲醇洗法（甲醇为吸收溶剂），Selexol 法（聚乙二醇为吸收溶剂），加压水洗法（水为吸收溶剂），碳酸丙烯酯法（碳酸丙烯酯为吸收溶剂）等。物理吸收法吸收效率较低、吸收量小，并且对低浓度CO2的分离不太适用[3] [7] 。

化学吸收法在吸收CO2过程中，吸收剂和CO2会反应生成不稳定的中间产物，从而实现对CO2的捕集分离。化学吸收法使用的碱性吸收液会与酸性的 CO2反应生成不稳定的盐类，吸收完毕后，再通过高温等条件进行可逆反应释放出CO2并使吸收液得到再生。化学吸收法一般采用板式塔或填料塔进行碳捕集，从吸收塔上部进入的吸收液与从下部进入的CO2逆流接触反应；之后，吸收CO2后的吸收液被泵入解吸塔进行解吸操作；随后，再生后的吸收液继续进行吸收-解吸的循环[2] 。化学吸收法不仅具有吸收效率高、吸收量大等优点，而且对CO2浓度适用范围广，低浓度的CO2也能被有效捕集分离；但仍然存在腐蚀严重、再生能耗高的缺点[1] [6] 。热钾碱法（高浓度碳酸钾溶液为吸收剂）、氨水吸收法、有机胺法、离子液体法等是当前常见的化学吸收法[3] 。

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碳利用与碳封存

二氧化碳经捕集分离后，进行进一步的利用或封存。碳元素是构成众多化合物的基础元素，利用CO2可以生产许多种类的化学燃料及化学品。

工业上很早就应用氨和CO2在高温高压条件下合成尿素。当前已经可以工业化生产的费托合成技术中，CO2是重要的合成成分之一。利用CO2通过催化加氢或催化重整技术可以合成甲烷，甲醇，乙醇，甲酸，二甲醚等重要的基础化学品。

最近的一些研究，如二氧化碳合成淀粉等同样具有重要意义。另外，生活中二氧化碳也有广泛应用，如制成干冰模仿烟雾效果、作为食品添加剂、人工降雨作为制冷剂、干冰灭火器等[9] 。

碳封存是减少二氧化碳排放到空气中的有效手段。如之前所说，海洋通过溶解CO2，生物固定CO2和形成碳酸盐三种方式储存碳；人为地，可通过向海洋中注入CO2来封存CO2，若注入深度不足500 m，CO2简单溶解在海水中；若深度超过3000 m则会以液态形式沉入海底。通过海洋储存CO2的潜力巨大，但存在海洋酸化，影响海洋生态系统的问题[7] [8] 。

当前更广泛地是通过地质利用与储存的方式封存二氧化碳。通过将CO2注入到油田、煤层或深部咸水层，既可以增强资源开采效果，又能利用地下的密闭条件将CO2封存起来减少排放量。CO2的地质利用有驱油开采技术、驱替煤层气技术和强化天然气开采技术等，其中在石油开采方面应用较多，2018年，世界上正在运行的18个大规模CCS项目中有13个将捕集到的CO2用于驱油开采。

国内地质储存CO2项目蓬勃发展，吉林油田、中原油田等油田使用CO2驱油开采效果明显[1] [10] ，胜利油百万吨级碳捕集与封存项目于今年启动，预计未来15年，油田将累计注入二氧化碳1068万吨，可实现增油227万吨[11] 。

另外可通过深部咸水层储存二氧化碳。深部咸水层分布广泛，储存潜力大，是比较理想的CO2储存场所，我国的深部咸水层储存潜力占地质储存的98.1%，远超油田、煤层气田等地质储存方式的储存潜力[1] 。国家能源投资集团煤制油分公司的深部咸水层CO2封存项目是是中国首个全流程煤基二氧化碳捕集和深部咸水层地质封存示范项目，示范工程于2011年5月9日实施注入实验，2015年停止注入，截至2015年底，完成30万吨注入目标[12] 。