保证人类零碳未来的托底技术 ——碳捕集利用与封存（CCUS）技术路线利弊分析

撰文 | 张书铭

编辑 | 郭郭

前言

减碳不仅是国家政策规划承诺的问题，也是关系到我们人类赖以生存的环境问题。IPCC（政府间气候变化专门委员会）关于全球变暖1.5℃的特别报告指出，CCUS（碳捕集利用与封存）技术可以有效改善全球气候变化，并明确指出CCUS技术对于在2050年实现零碳排放具有重要意义。

根据2015的巴黎气候大会披露的减碳图表，可以看出CCUS技术主要是在2030年之后全球将逐渐发力于二氧化碳的移除，而这与中国2030碳达峰的目标不谋而合。

来源：Rhodes CJ. The 2015 Paris Climate Change Conference: Cop21. Science Progress 2016;99(1):97-104.

主流减碳技术总结

碳减排首先第一步是将二氧化碳捕集，后续可将捕集的二氧化碳直接封存也就是CCS，或是把二氧化碳能源化或资源化也就是CCU。在这些步骤中，二氧化碳捕获是最关键的技术，因为它占整个CCS运营成本的70%以上。CO2捕集的方法可按照对燃料、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大类，如下图所示。

来源：北极星大气网

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。

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，但是目前核心技术被国外垄断。以当前的技术，燃烧后捕集CO2的成本大约是40美元/t CO2。物理吸附主要是用固体吸附剂来实现对CO2的捕集，如CaO/MgO基吸附剂，biochar，MOF等，目前处于实验室研发阶段。

CaO 基固体吸附剂

最近，使用固体吸附剂的二氧化碳捕集技术吸引了极大的关注，因为它可以在广泛的温度窗口（从环境温度到700℃）下运行。此外，废弃的固体吸附剂可以以较少的环境预防措施进行处理。根据反应温度的范围，固体二氧化碳吸附剂可以分为三种类型：低温（<200℃），中温（200-400℃），以及高温（>400℃）吸附剂。高温CaO基材料在很大程度上被应用于二氧化碳捕集，因为它与二氧化碳的反应性很高（CaO的理论捕集能力为17.8 mmol g-1）。最近的研究表明，使用氧化钙基吸附剂进行碳捕集的成本为每吨二氧化碳16-44美元，这比目前每吨二氧化碳约32-80美元的胺类洗涤技术非常有竞争力。

高温CaO基材料进行二氧化碳捕集的核心机理：CaO在600-800℃的温度范围内与CO2反应，并在高于800℃的温度下再生。与CO2发生的碳化和煅烧反应如下图所示。

来源：H. Sun, C. Wu, B. Shen, X. Zhang, Y. Zhang, J. Huang, Progress in the development and application of CaO-based adsorbents for CO2 capture—a review, Materials Today Sustainability 1-2 (2018) 1-27.

Biochar

生物炭（biochar）是一种生态友好型吸附剂，由天然生物质或农业废弃物生产。由于生物质的广泛使用，生物炭比其他二氧化碳吸附剂便宜近10倍。原始生物炭对二氧化碳表现出较低的吸附能力，但在许多研究中，改性生物炭显示出对二氧化碳的吸附能力增强。有几种改性方法已被测试和应用，并取得了不同程度的成功。

生物炭的二氧化碳吸附能力，即每单位重量的生物炭所吸附的二氧化碳量，主要取决于生物炭的理化性质，如表面积、孔径、孔体积、生物炭表面的碱性、表面功能团的存在、碱金属和碱土金属的存在、疏水性、极性和芳香性等。

许多研究表明，引入碱性氮功能团会增强生物炭上的碱性位点，增加对酸性CO2的吸收。生物炭的胺处理很重要，因为它增加了含氮官能团的数量和碱性，从而提高了对二氧化碳的整体吸附量。

生物炭基吸附剂在二氧化碳去除方面的实际大规模应用目前主要受三点阻碍：首先，尽管高吸附能力和长期循环运行对确保该技术的经济性和实用性至关重要，但生物炭基吸附剂的稳健性和稳定性还没有得到充分证明；其次，对于存在多种气体介质的情况，重要的是要知道除CO2以外的气体是否会影响CO2的吸附能力（即竞争性吸附），以及生物炭如何影响这些其他气体的浓度。例如，二氧化碳的吸附能力可能会被最初吸附在碳上的H2O所降低；最后，和CaO基固体吸附剂一样，经过多次吸附再生循环后二氧化碳吸附能力下降。而循环吸附后二氧化碳捕获能力的大量损失可能会增加再生的成本，并限制生物炭作为碳封存材料的使用。

目前，在欧美国家，生物炭被广泛用作动物健康的饲料添加剂，如净化空气和水。它在当地利用残余材料生产，可限制运输费用和排放，并在改进最终产品质量的同时取代稀少的资源。生物炭的广泛应用使大规模负排放成为可能。可被世界各地成千上万的农民，公共服务机构，建筑材料供应商所应用。生物炭是一个分散的行业，有各种各样的制造商，其中大多数是小型私营公司。前五大生产商仅占市场的38.34％。生物炭生产商绩效的一个关键变量是原材料成本，而木材现在是生物炭的主要原料，但其价格将高于其他衍生产品。生物炭消耗面积最大的是土壤改良剂，占2017年美国生物炭消费量的82.94％。2017年生物炭市场规模为30052.10吨，预测到2023年有望达到135524.38吨，2017年至2023年的增长率为24.01％。

来源：海外网

结论

工业是现代社会的基础，也是经济发展的源泉，在带来了经济效益和工作机会的同时，也带来了许多问题。工业消耗了全球1/3的能源，也产生了全球1/3的温室气体。在实现近零排放目标和实现全球温控1.5℃路线图的进程中，CCUS技术将起到至关重要的作用。IEA预估利用CCUS技术，从2017年到2060年可以减少280亿吨的CO2排放。

下一代碳捕集技术将会在材料的创新、工艺或设备的改进上取得突破，这些新进展将使得投资运营成本降低的同时提高捕集效率。如Ion Engineering公司的非水溶液、MTR公司的膜分离体系、三菱重工的KS-21溶剂、Lind-BASF的贫富溶液吸收再生循环技术等，都已经在FEED(Front and End Engineering Design，前端工程设计)工程设计项目中进行了实践。随着工业的进步，下一代捕集技术将助推CCUS技术的进步和发展。