碳中和：捕集与封存

“积极稳妥推进碳达峰碳中和，加强煤炭清洁高效利用。”全球气候变化问题已成为世界各国共同面临的挑战，碳中和（Carbon Neutrality）目标的提出正是为了面对并解决这一严峻的挑战。通过减少温室气体排放量并增加碳汇，最终实现温室气体净排放量为零。而在温室气体排放的众多来源中，燃煤发电被认为是“罪魁祸首”之一。燃煤发电因其高碳排放特性，直接产生了全球范围内近40%的二氧化碳排放量，对气候变暖和空气质量的负面影响尤为显著。然而对我国而言，煤电确却是长期以来电力供应的核心支柱，在保障国家能源安全方面发挥着基础作用。例如，2021年，煤电装机容量占全国电力装机总量的47%，发电量占比超过60%，在稳定电力供应和应对峰值需求方面，煤电依然具有不可替代的地位。

虽然近年来风能和太阳能等非化石能源的装机容量增长迅速，截至2022年底，非化石能源装机容量已占全国电力总装机容量的49.6%。但可再生能源存在间歇性和波动性，这种问题会影响到电网安全。所以在储能技术尚未大规模部署的情况下，逐步减少煤电比例必须先确保足够的清洁替代能源能够满足电力需求，否则将对电力系统的安全性和稳定性产生重大影响。由此可见，煤电作为电力系统的压舱石，在能源转型中的角色仍然十分重要。那么如何在保障电力供应安全的前提下推进煤电的减碳，是当前研究和政策的重要课题。

而碳捕集与封存技术（Carbon Capture and Storage，CCS）为煤电行业提供了一种切实可行的减碳路径。CCS技术通过从电厂排放源捕集二氧化碳，并将其永久封存，能够在保障煤电行业稳定供电的基础上大幅减少碳排放。CCS被视为一种关键的负排放技术，能够有效平衡煤电的碳排放与减排需求，帮助煤电行业实现“近零碳排放”。

那么CCS是如何做到捕集与封存这两项工作的呢？首先来了解碳捕集技术。其目的是将二氧化碳从工业排放中分离，以减少其进入大气的量，常见的技术方案包括燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧。这些方法适用于不同的工业场景，捕集原理和过程各具特点。

图1 三种不同CO2捕集技术的工艺流程

燃烧前捕集是一种在燃料燃烧之前就将二氧化碳分离出来的技术。其核心是通过整体煤气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）系统将化石燃料转化为合成气，再从中提取二氧化碳。它的原理是在燃烧前先将煤或天然气转化成一氧化碳和氢气的混合气体，然后通过化学反应把一氧化碳变成二氧化碳和氢气。这一方法因为分离的是较高浓度的二氧化碳，效率较高，适合应用在新建的燃气化工厂或大型发电厂中。不过，由于技术过程复杂，实现设备的简化和系统的稳定性仍然是需要解决的技术难题。

燃烧后捕集则是当前应用最广泛的捕集方式之一，与燃烧前捕集不同，这种技术是在燃烧产生烟气后，再从烟气中提取二氧化碳。燃烧后捕集的一个重要优势是因它可以直接在燃煤电厂、钢铁厂等传统设施上加装，只需在排放烟道的末端增加一个捕集装置。这种方法使用多种分离手段，如化学吸收、膜分离和吸附技术，能够有效地降低二氧化碳的排放量，不需要对燃烧工艺本身做大规模调整，因此对现有工业设施的适应性更强。不过，由于燃烧后烟气中的二氧化碳浓度较低，因此需要增加能耗以提升分离效率，这也让捕集成本相对较高。

而富氧燃烧捕集的思路则不同，与传统空气助燃不同，它通过给燃烧过程提供纯氧或富氧气体，取代了传统空气中的氮气，使得燃烧后的烟气成分变得更加简单，烟气中的二氧化碳含量可以达到80%到98%，这就极大地简化了二氧化碳的提纯过程。然而，富氧燃烧的一个挑战是其制造纯氧本身带来的高成本需求，而且富氧燃烧温度较高，对设备材料有较高的耐热要求。因而这一方法不太适合传统的发电厂。

根据前面对三种方式的介绍我们可以感知到，燃烧后捕集方法具有高度的灵活性和适应性，所以在工业界，它也是最常用的选择。而且燃烧后捕集的技术方案更加多样化，能够根据不同设施和排放需求选择合适的捕集方式，例如化学吸收、膜分离和物理吸附等技术。而其中采用的化学吸收法是最常用的方式，尤其是基于单乙醇胺（MEA）的醇胺法。

醇胺法是现阶段最具规模化应用的碳捕集技术，它捕集二氧化碳的效率高，可实现超过90%的捕集率，且二氧化碳纯度可达99%以上。这些特性都奠定了其在燃煤电厂和大型工业设施中的关键地位。

图2 醇胺法捕集 CO2 流程

醇胺法的原理是一种吸收—释放循环。二氧化碳先与MEA溶液接触，溶解在溶液中并发生化学反应被捕获。随后再通过加热的方式将二氧化碳从溶液中分离，使溶液恢复到贫液状态。这一过程循环进行，溶液不断地吸收和释放CO₂，实现二氧化碳的捕集和再生利用。这种系统通常由吸收塔、解吸塔和辅助设备组成，主要步骤包括吸收、预热、再生和预冷四个环节。

在碳捕集技术的帮助下，我们捕获了大量二氧化碳，但接下来的关键问题是：这些捕获的二氧化碳应该如何处理？目前有两条主要路径：碳封存，以及碳利用。

地质封存：深埋地下的二氧化碳保险库

地质封存是一种将二氧化碳深埋于地层的方案，通过注入深层地质结构如废弃油气田、深层盐水层等地质储层，让二氧化碳在地下稳定存在。这些地层不仅具有足够的空间，而且在压力和温度的作用下能够锁住二氧化碳，使其难以逃逸。

为确保封存的安全性，科学家们会通过监测技术追踪二氧化碳在地层中的分布情况。利用地震波检测、二氧化碳浓度监控等手段，确保封存层的稳定，防止发生泄漏。

海底封存：深海中的二氧化碳

在广袤的海底，深层高压和低温环境为二氧化碳的长期封存提供了独特的条件。海底封存通过将二氧化碳注入深海底部的地层中，使其以液态或固态形式存在。较高的压力使二氧化碳稳定，并与大气隔绝。理想情况下，深海封存可让二氧化碳在海洋中存在数百年。但溶解在海水中的二氧化碳会导致酸化，海底封存仍面临环境影响的考量。

碳利用：二氧化碳变废为宝

相较于封存，碳利用是一种更加积极的处理方式。将捕集到的二氧化碳转化为化工产品或建筑材料，实现二氧化碳的循环利用。这不仅减排，还在为工业生产提供了资源，可谓是一举两得，列举几个应用如下：

1.化工合成：二氧化碳可以用于制造聚碳酸酯、甲醇等。比如甲醇可用于生产燃料或化肥，而聚碳酸酯则用于制造塑料、涂料。通过化工合成，二氧化碳被锁定在产品中，减少大气中的碳排放。

2.混凝土加固：二氧化碳注入混凝土时，会发生化学反应生成碳酸钙，提高了混凝土的硬度同时还让二氧化碳永久封存在建筑材料中。这种碳封存方式被称为碳封存混凝土。

3.农业增产：在温室农业中，二氧化碳能够促进植物光合作用，提高作物产量。一些温室大棚已开始使用二氧化碳加注技术，为植物生长提供额外的碳营养，实现二氧化碳的短期循环利用。

国际能源署（IEA）已经表示过认为，碳封存与利用技术将成为未来应对气候变化的重要工具。虽然目前技术成本较高，但随着技术的成熟与推广，碳捕集与封存将成为实现碳中和的重要一环。

参考文献

[1]张兴伟.生物炭混凝土碳封存技术及生态功能研究[D].贵州大学,2018.

[2]景玉博,邹璐垚,蒋佳月,等.碳捕集燃煤机组耦合储能技术的研究进展[J].综合智慧能源,2024,46(09):20-27.

[13]魏青,张振涛,王瑞祥,等.醇胺法碳捕集技术的研究进展[J/OL].环境工程技术学报,1-13[2024-11-05].

作者：蔡文垂 科普创作者

审核：梁忠伟广州大学机电学院 副院长

文章由科普中国-创作培育计划出品，转载请注明来源。