碳中和：捕集與封存

“積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和，加強煤炭清潔高效利用?！比驓夂蜃兓瘑栴}已成為世界各國共同面臨的挑戰(zhàn)，碳中和（Carbon Neutrality）目標的提出正是為了面對并解決這一嚴峻的挑戰(zhàn)。通過減少溫室氣體排放量并增加碳匯，最終實現(xiàn)溫室氣體凈排放量為零。而在溫室氣體排放的眾多來源中，燃煤發(fā)電被認為是“罪魁禍首”之一。燃煤發(fā)電因其高碳排放特性，直接產(chǎn)生了全球范圍內(nèi)近40%的二氧化碳排放量，對氣候變暖和空氣質(zhì)量的負面影響尤為顯著。然而對我國而言，煤電確卻是長期以來電力供應的核心支柱，在保障國家能源安全方面發(fā)揮著基礎作用。例如，2021年，煤電裝機容量占全國電力裝機總量的47%，發(fā)電量占比超過60%，在穩(wěn)定電力供應和應對峰值需求方面，煤電依然具有不可替代的地位。

雖然近年來風能和太陽能等非化石能源的裝機容量增長迅速，截至2022年底，非化石能源裝機容量已占全國電力總裝機容量的49.6%。但可再生能源存在間歇性和波動性，這種問題會影響到電網(wǎng)安全。所以在儲能技術尚未大規(guī)模部署的情況下，逐步減少煤電比例必須先確保足夠的清潔替代能源能夠滿足電力需求，否則將對電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。由此可見，煤電作為電力系統(tǒng)的壓艙石，在能源轉(zhuǎn)型中的角色仍然十分重要。那么如何在保障電力供應安全的前提下推進煤電的減碳，是當前研究和政策的重要課題。

而碳捕集與封存技術（Carbon Capture and Storage，CCS）為煤電行業(yè)提供了一種切實可行的減碳路徑。CCS技術通過從電廠排放源捕集二氧化碳，并將其永久封存，能夠在保障煤電行業(yè)穩(wěn)定供電的基礎上大幅減少碳排放。CCS被視為一種關鍵的負排放技術，能夠有效平衡煤電的碳排放與減排需求，幫助煤電行業(yè)實現(xiàn)“近零碳排放”。

那么CCS是如何做到捕集與封存這兩項工作的呢？首先來了解碳捕集技術。其目的是將二氧化碳從工業(yè)排放中分離，以減少其進入大氣的量，常見的技術方案包括燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒。這些方法適用于不同的工業(yè)場景，捕集原理和過程各具特點。

圖1 三種不同CO2捕集技術的工藝流程

燃燒前捕集是一種在燃料燃燒之前就將二氧化碳分離出來的技術。其核心是通過整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）系統(tǒng)將化石燃料轉(zhuǎn)化為合成氣，再從中提取二氧化碳。它的原理是在燃燒前先將煤或天然氣轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫氣的混合氣體，然后通過化學反應把一氧化碳變成二氧化碳和氫氣。這一方法因為分離的是較高濃度的二氧化碳，效率較高，適合應用在新建的燃氣化工廠或大型發(fā)電廠中。不過，由于技術過程復雜，實現(xiàn)設備的簡化和系統(tǒng)的穩(wěn)定性仍然是需要解決的技術難題。

燃燒后捕集則是當前應用最廣泛的捕集方式之一，與燃燒前捕集不同，這種技術是在燃燒產(chǎn)生煙氣后，再從煙氣中提取二氧化碳。燃燒后捕集的一個重要優(yōu)勢是因它可以直接在燃煤電廠、鋼鐵廠等傳統(tǒng)設施上加裝，只需在排放煙道的末端增加一個捕集裝置。這種方法使用多種分離手段，如化學吸收、膜分離和吸附技術，能夠有效地降低二氧化碳的排放量，不需要對燃燒工藝本身做大規(guī)模調(diào)整，因此對現(xiàn)有工業(yè)設施的適應性更強。不過，由于燃燒后煙氣中的二氧化碳濃度較低，因此需要增加能耗以提升分離效率，這也讓捕集成本相對較高。

而富氧燃燒捕集的思路則不同，與傳統(tǒng)空氣助燃不同，它通過給燃燒過程提供純氧或富氧氣體，取代了傳統(tǒng)空氣中的氮氣，使得燃燒后的煙氣成分變得更加簡單，煙氣中的二氧化碳含量可以達到80%到98%，這就極大地簡化了二氧化碳的提純過程。然而，富氧燃燒的一個挑戰(zhàn)是其制造純氧本身帶來的高成本需求，而且富氧燃燒溫度較高，對設備材料有較高的耐熱要求。因而這一方法不太適合傳統(tǒng)的發(fā)電廠。

根據(jù)前面對三種方式的介紹我們可以感知到，燃燒后捕集方法具有高度的靈活性和適應性，所以在工業(yè)界，它也是最常用的選擇。而且燃燒后捕集的技術方案更加多樣化，能夠根據(jù)不同設施和排放需求選擇合適的捕集方式，例如化學吸收、膜分離和物理吸附等技術。而其中采用的化學吸收法是最常用的方式，尤其是基于單乙醇胺（MEA）的醇胺法。

醇胺法是現(xiàn)階段最具規(guī)?；瘧玫奶疾都夹g，它捕集二氧化碳的效率高，可實現(xiàn)超過90%的捕集率，且二氧化碳純度可達99%以上。這些特性都奠定了其在燃煤電廠和大型工業(yè)設施中的關鍵地位。

圖2 醇胺法捕集 CO2 流程

醇胺法的原理是一種吸收—釋放循環(huán)。二氧化碳先與MEA溶液接觸，溶解在溶液中并發(fā)生化學反應被捕獲。隨后再通過加熱的方式將二氧化碳從溶液中分離，使溶液恢復到貧液狀態(tài)。這一過程循環(huán)進行，溶液不斷地吸收和釋放CO?，實現(xiàn)二氧化碳的捕集和再生利用。這種系統(tǒng)通常由吸收塔、解吸塔和輔助設備組成，主要步驟包括吸收、預熱、再生和預冷四個環(huán)節(jié)。

在碳捕集技術的幫助下，我們捕獲了大量二氧化碳，但接下來的關鍵問題是：這些捕獲的二氧化碳應該如何處理？目前有兩條主要路徑：碳封存，以及碳利用。

地質(zhì)封存：深埋地下的二氧化碳保險庫

地質(zhì)封存是一種將二氧化碳深埋于地層的方案，通過注入深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)如廢棄油氣田、深層鹽水層等地質(zhì)儲層，讓二氧化碳在地下穩(wěn)定存在。這些地層不僅具有足夠的空間，而且在壓力和溫度的作用下能夠鎖住二氧化碳，使其難以逃逸。

為確保封存的安全性，科學家們會通過監(jiān)測技術追蹤二氧化碳在地層中的分布情況。利用地震波檢測、二氧化碳濃度監(jiān)控等手段，確保封存層的穩(wěn)定，防止發(fā)生泄漏。

海底封存：深海中的二氧化碳

在廣袤的海底，深層高壓和低溫環(huán)境為二氧化碳的長期封存提供了獨特的條件。海底封存通過將二氧化碳注入深海底部的地層中，使其以液態(tài)或固態(tài)形式存在。較高的壓力使二氧化碳穩(wěn)定，并與大氣隔絕。理想情況下，深海封存可讓二氧化碳在海洋中存在數(shù)百年。但溶解在海水中的二氧化碳會導致酸化，海底封存仍面臨環(huán)境影響的考量。

碳利用：二氧化碳變廢為寶

相較于封存，碳利用是一種更加積極的處理方式。將捕集到的二氧化碳轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品或建筑材料，實現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)利用。這不僅減排，還在為工業(yè)生產(chǎn)提供了資源，可謂是一舉兩得，列舉幾個應用如下：

1.化工合成：二氧化碳可以用于制造聚碳酸酯、甲醇等。比如甲醇可用于生產(chǎn)燃料或化肥，而聚碳酸酯則用于制造塑料、涂料。通過化工合成，二氧化碳被鎖定在產(chǎn)品中，減少大氣中的碳排放。

2.混凝土加固：二氧化碳注入混凝土時，會發(fā)生化學反應生成碳酸鈣，提高了混凝土的硬度同時還讓二氧化碳永久封存在建筑材料中。這種碳封存方式被稱為碳封存混凝土。

3.農(nóng)業(yè)增產(chǎn)：在溫室農(nóng)業(yè)中，二氧化碳能夠促進植物光合作用，提高作物產(chǎn)量。一些溫室大棚已開始使用二氧化碳加注技術，為植物生長提供額外的碳營養(yǎng)，實現(xiàn)二氧化碳的短期循環(huán)利用。

國際能源署（IEA）已經(jīng)表示過認為，碳封存與利用技術將成為未來應對氣候變化的重要工具。雖然目前技術成本較高，但隨著技術的成熟與推廣，碳捕集與封存將成為實現(xiàn)碳中和的重要一環(huán)。

參考文獻

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[13]魏青,張振濤,王瑞祥,等.醇胺法碳捕集技術的研究進展[J/OL].環(huán)境工程技術學報,1-13[2024-11-05].

作者：蔡文垂 科普創(chuàng)作者

審核：梁忠偉廣州大學機電學院 副院長

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。