碳捕集封存技术

碳减排不仅关乎国家政策的规划承诺，更与我们赖以生存的地球环境息息相关。早在20世纪70年代，国外就已经开始对碳捕集进行相关研究。CCUS (Carbon Capture Utilization and Storage，二氧化碳捕集封存)技术可有效改善全球气候的变化，该技术技术对于实现2050年碳零排放意义重大。

1碳捕集技术

CO2捕集的方法按照对燃料、氧化剂和燃烧产物采用的措施，可以分为燃烧前捕集、纯氧燃烧和燃烧后捕集3种，如图1所示。

燃烧前捕集是相对成本较低、效率较高的一种方法。此方法将化石燃料气化成合成气(主要成分为H2和CO)，然后通过变换反应将CO转化为CO2，再通过溶剂吸收等方法将H2和CO2分离开对CO2进行收集。但此技术局限于基于煤气化联合发电装置(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)，因此以此技术投产的项目较少，燃烧前捕集CO2的成本大约为20美元/t CO2，尚需要更多的项目来进行验证。

富氧燃烧技术采用纯氧或者富氧将化石燃料进行燃烧，燃烧后的主要产物为CO2、水和一些惰性组分。水蒸气冷凝后，通过低温闪蒸提纯CO2，提纯后的CO2浓度可达80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。 

图1 不同方法碳捕集技术路线图

由于燃烧前捕集和富氧燃烧需要合适的材料和操作环境来满足高温要求，因此这两种技术的研究与开发和示范性项目较少。相比较而言，燃烧后捕集技术是当前炼厂应用较为广泛且成熟的技术，该技术具有较高的选择性和捕集率。常用的方法如化学吸收法、膜分离法、物理吸附法等。化学吸附法被认为是当前最有市场前景的吸附方法，在化学吸附中，胺类溶液以其吸收效果好的特点被广泛应用。以当前的技术，燃烧后捕集CO2的成本大约是40美元/t CO2。

2碳利用和封存技术

从国内外项目经验看，地下封存、驱油和食品级利用，是当前较主流的方向。图2展示了主要的碳利用和封存技术。

 图2 碳利用和封存技术示意图

2.1碳利用

 图3 二氧化碳驱油技术示意图

CCUS-EOR (Enhanced oil recovery，强化采油)技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来，有较好的收益，如图3所示，该技术通过把捕集来的CO2注入到油田中，使即将枯竭的油田再次采出石油的同时，也将CO2永久地贮存在地下。CO2驱油的主要原理是降低原油粘度、增加原油内能，从而提高原油流动性并增加油层压力。CO2制化肥和食品级CO2商业利用也是目前较成熟的碳利用项目。

国外近年来碳利用有很多新兴的利用方向，如荷兰和日本均有较大规模的将工业产生的CO2送到园林，作为温室气体来强化植物生长的项目。包括温室气体利用技术在内，国外处于示范项目阶段碳利用技术有CO2制化肥、油田驱油、食品级应用等;正处于发展阶段的有CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2加氢制甲醇、海藻培育、动力循环等;尚处于理论研究阶段的方向有CO2制碳纤维和乙酸等。

国内新兴的碳利用方向主要有CO2加氢制甲醇、CO2加氢制异构烷烃、CO2加氢制芳烃、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大连化物所、中科院上海研究院、大连理工大学等，对这些技术进行了研究，但大多都处在催化剂研究的理论研究阶段或中试阶段。

2碳封存

CO2捕集后，可以通过泵送到地下、海底长期储存，或直接通过强化自然生物学作用把CO2储存在植物、土地和地下沉积物中。当前的碳封存技术主要分为以下2种:

第一种是将CO2高压液化注入海洋底。基于CO2的理化性质，在海平面2.5 km以下，CO2主要以液态的形式存在。由于密度大于海水密度，将这一区域作为海洋碳封存的安全区域。

图3  高压碳封存技术

第二种是将CO2进行地质封存。在地下0.8～1.0 km这一高度区域内，超临界状态的CO2具有流体性质。基于CO2的理化性质改变，可实现地质碳封存。

图4 地质碳封存技术