王长真：浅谈二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）技术路线与发展前景

近年来，随着全球气候变化对人类生产生活不利影响的加剧，温室气体减排已经成为人类社会共同面临的严峻挑战之一。二氧化碳捕集、利用和封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，简称CCUS）一直被认为是减少化石能源发电和工业过程中CO2排放的关键技术。根据国际能源署（IEA）2017年的预测，2040年要实现全球陆地地表气温增加量控制在2℃以内，CCUS技术可贡献14%的碳减排量。我国二氧化碳排放量位居世界前列，为展现负责任大国的担当，我国提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺。因此，发展CCUS技术是缓解我国减碳压力的重要途径之一，将有效助力我国实现“碳达峰、碳中和”的宏伟目标。

CCUS技术是指把生产过程中排放的CO2进行提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存的技术（如图1所示）。近十余年来，CCUS技术的进步主要体现在从捕集到封存再到利用各个产业链条的新技术不断涌现，技术种类亦不断增多并日趋完善。基于此，本文就目前现有的CCUS技术进行简单介绍。

图1 二氧化碳捕集、利用与封存技术汇总

一、二氧化碳捕集技术

二氧化碳的捕集方式主要有三种：燃烧后捕集、燃烧前捕集以及富氧燃烧技术。燃烧前捕集主要运用于IGCC（整体煤气化联合循环）系统中，将煤高压富氧气化变成煤气，再经过水煤气变换后将CO转化为CO2和H2，气体压力和CO2浓度都很高，很容易对CO2进行捕集，剩下的H2可当燃料使用。燃烧后捕集是在燃烧排放的烟气中捕集CO2。富氧燃烧则是采用传统燃煤电站的技术流程，但通过制氧技术，将空气中大比例的氮气（N2）脱除，直接采用高浓度的氧气（O2）与抽回的部分烟气（烟道气）的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。二氧化碳捕集技术的发展方向是降低该技术的投资费用和运行能耗。

图2 二氧化碳捕集技术

二、二氧化碳封存技术

图3 二氧化碳封存技术

二氧化碳封存是CO2深度减排的重要途径，封存方式主要包括地质封存与海洋封存。地质封存是将二氧化碳加压灌注到合适的地层中，然后通过物理和化学俘获机理实现永久封存。海洋封存是指通过管道或船舶将CO2运输到海洋封存的地点，将CO2注入海洋的水柱体或海底。此种技术作为CO2减排的重要途径，正得到越来越多的关注与研究，然而地质储存有泄露的风险，如果CO2从封存的地点泄漏到地层深处或大气中，那么就可能给人类、生态系统和地下水造成灾害。海洋封存的方式也存在许多问题：一是海洋处置费用昂贵；二是CO2进入海洋会对海洋生态系统产生危害。三是贮藏在海洋中的CO2会缓慢地逸出水面，回归大气，绝非一劳永逸之举。

三、二氧化碳利用技术

图4 二氧化碳物理利用技术

图5 二氧化碳矿化利用技术

面对碳封存的种种局限，对CO2进行资源转化利用可以从根本上解决问题，且能获得巨大的经济效益，更具有现实操作性，因此近年来成为了人们的研究热点。二氧化碳利用技术主要分为物理利用、矿化利用、生物利用、化学利用等。其中物理利用主要是将CO2用于灭火剂、碳酸性饮料的添加剂以及驱替天然气或强化采油技术，或者通过加压、降温将CO2转化为干冰，进而用于人工降雨或保存食物（如图4所示）。矿化利用则是通过利用存在于天然硅酸盐矿石中的碱性氧化物如氧化镁和氧化钙等，将CO2固化成稳定的无机碳酸盐，进而使其长期稳定存在并加以利用（如图5所示）。生物利用则是利用光合作用将大气中的CO2转入生物圈中形成固态的有机碳化合物，从而获得大气碳资源、实现大气CO2负增长，是目前最有社会效益的碳利用方式之一（如图6所示）。化学利用则是通过化学途径实现CO2的资源化利用，近年来成为了学者们努力的方向和研究重点，截至目前，此种利用方式除了成熟的化工利用（例如合成尿素、生产碳酸盐、制取水杨酸等）之外，近年来又新增了诸如CO2与CH4的干重整（如图7所示）、加氢合成甲醇、合成环状碳酸酯、合成乙烯、丙烯等低碳烃、以及芳烃的烷基化（如图8所示）等新的工艺方法。在这些研究技术中，CO2与CH4干重整、CO2加氢及合成环状碳酸酯是最具前景的化学利用途径。

图6 二氧化碳生物利用技术

图7 二氧化碳与甲烷干重整技术

图8 二氧化碳加氢技术

四、二氧化碳捕集、利用和封存技术前景展望

在实现碳中和的进程中，CCUS技术将起到至关重要的作用。虽然目前CCUS技术仍存在一些障碍，比如CO2捕获、分离、纯化以及运输费用，CO2化学转化的能源需求，市场规模的限制以及社会经济驱动力不足等问题，但前景是良好的。加强CCUS技术的研究，使CO2实现资源转化利用，不仅能生成有机燃料，合成其他有机化工原料、中间体或有机化工产品，同时还可减少由其他化工原料反应而带来的环境污染问题，对解决环境问题和能源问题都具有重大意义。因此，在不久的将来，CO2有望成为煤、石油和天然气的代用品，为人类造福。

撰稿人：王长真  山西大学精细化学品教育部工程研究中心副教授