CO2捕集与资源化利用技术现状及发展方向*

齐 啸

（成都高新技术产业开发区管理委员会，四川 成都 610041）

CO2资源化利用技术被誉为21世纪有望解决全球气候变暖问题的重要战略性技术之一[1]。经过多年的发展，我国CO2资源化利用体系已初步形成，“双碳”目标的提出为其发展提供了新动力的同时，也提出了新的挑战，明确在新的目标下CO2资源化利用的发展方向成为当前和未来业界关注的焦点[2]。

1 工业排放CO2捕集关键技术

1.1 吸附法

吸附法是利用固体吸附剂的载荷能力，实现CO2与其它组分气体的分离，影响其捕集量的主要因素是温差或压差[3]。其吸附分离的机理包含3大类：立体、动力和平衡效应，根据机制的不同，CO2吸附剂可分为2种：物理与化学吸附剂，其中物理吸附剂通常有活性炭、沸石等，而化学吸附剂目前研究最多的包括碳纳米管、聚酯类材料等[4]。

1.2 吸收分离法

吸收分离法因其分离效果好、成本低及运行平衡等特点，已成为目前应用最广泛的碳捕集技术之一[5]。自1950年碳酸丙烯酯法问世以来，经数十年发展，吸收分离法已衍生出许多分支，例如醇胺法、氨水法等[6]。基于CO2与混溶剂的反应机制，该类捕集法主要分为物理、化学及物理化学法，已成功应用于工业CO2捕集行业中[7]，3种工艺的技术特点见表1。

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1.3 膜分离法

膜分离技术因具有操作方便、占地面积小、能耗低等优势，已被大规模应用于生物气、油田气等诸多废气中CO2的捕集。近年来，膜技术在CO2捕集领域取得了迅速发展，其中的无机膜、聚合物膜及其组合工艺等技术在废气的预处理、深度处理等领域的应用数不胜数[8]。膜分离技术虽然在工业排放CO2捕集方面体现出一定的优势，但由于相关的技术局限性，在应用过程中势必会有不少实际问题存在，如膜材料的选择、膜污染等[9]。

1.4 其他方法

除常规CO2分离法外，低温液化法可通过降温、液化、精馏等多重工艺流程实现CO2的分离[10]。近10年来，CCUS技术蓬勃发展，诸多新型CO2捕集技术层出不穷，典型代表有水合物法、等离子辅助分离法及相变吸收剂法等[11]。

2 CO2资源化利用技术研究进展

CO2资源化利用是CCUS和CCS技术的一项重要举措，主要包括生物转化、化学转化、能源开发及矿化利用等。

2.1 化学转化

CO2是化工行业中的一种重要原料，在一定条件下可转化为稳定的无机态，例如Na2CO3、MgCO3、K2CO3等。同时在有机合成领域，CO2同样扮演着重要的角色，多种高附加值有机化工产品，如酸、醚、醇等物质的制备过程中都有CO2的身影[12]。伴随这些化工产品的生产，一方面可直接减少CO2气体的排放，另一方面可替代传统的碳基化石能源，从而减少传统化石燃料的使用量，间接缓解来自常规化石能源开采的压力。

碳资源化学转化技术涵盖CO2催化加氢、CO2与CH4反应、CO2裂解及CO2降解高分子材料等多种类型[13]。其中CO2催化加氢是最常用的技术之一，如表2所示，根据C-C偶联、C-H成键方式与不同数量H+结合量的差异，CO2与H2可反应合成甲醇、乙烯及甲苯等各种不同类别的有机产品[14]。

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2.2 生物转化

CO2生物转化是通过光合作用，采用生物固碳技术将CO2转化为绿色植物和微藻生物赖以生存的碳源，进而实现CO2减排的目的。在生物固碳领域，微藻是高效实现CO2生物转化的典型代表，其繁殖速度快、光合效率高及环境适应性强，可将吸收的CO2在叶绿体内合成自身所需的单糖等碳水化合物[15]，如图1所示。单糖在微藻细胞内可继续转化为中性甘油三脂（TAG）、羧酸、不饱和脂肪酸等有机生物肥料供人类养殖饲料、生物医药等行业使用，其固碳的反应方程式为：

图1 微藻光合作用固定CO2机理Fig.1 Mechanism of CO2 fixation by microalgae photos ynthesis

当前关于微藻固碳法的研究仍处于起步阶段，由于受微藻生物的采集优选难度大、转化率低、复配生存条件要求高，加之部分微藻生物光合作用后会释放有害毒素等因素的影响，CO2生物转化法举步维艰[16]，有待于后期更多的技术研发和理论创新。

2.3 能源开发

由于CO2在超临界状态下的特殊物化性质，自20世纪以来，CO2在能源开发领域大放异彩。首先是常规能源的开发和利用，主要体现在CO2驱油、CO2采气、CO2射孔、CO2压裂、CO2开采地下水等方面[17]。近年来，非常规能源的发展进入“黄金期”，随着CO2驱相关技术的不断成熟，加之对页岩气、地热能及海域可燃冰等非常规能源的研究不断深化，相继出现了CO2-CH4、CO2-ESGR及CO2-EGS等技术[18]。

多类型油气CO2增产技术是一项日渐成熟且具有经济效益的碳资源利用技术，其不仅可以实现CO2的资源化利用，降低大气中CO2浓度，缓解温室效应，同时通过CO2驱实现油气增产提采，变废为宝。未来随着相关行业技术的不断革新，相信CO2驱的应用范畴会逐步延伸。

2.4 矿化利用

CO2矿化利用技术是模拟自然环境下碳矿化过程，利用工业固废，通过碳酸化反应形成稳定的碳酸盐。实现碳减排的同时，将钢渣等工业固体废渣转化为高值化产品。常用的碳矿化方法主要包括4种：（1）钢渣矿化利用CO2技术；（2）磷石膏矿化利用CO2技术；（3）钾长石加工联合CO2矿化技术；（4）CO2矿化混凝土养护技术[19]。

我国钢渣矿化利用CO2技术已进入工程示范阶段，中国科学院在四川达州建成了5万t·a-1规模的钢渣矿化CO2生产装置，目前已投入运行[20]。2013年中国石化于普光气田建立的“100m3·h-1标准状态CO2矿化磷石膏联产碳酸钙和碳酸铵”装置、四川大学在西昌建成的“5000t·a-1的钾长石活化矿化CO2联产钾肥”装置和2020年浙江大学开展的“CO2深度矿化养护制建材关键技术与万吨级工业试验”工程，都是国内企业和科研院所为验证CO2矿化利用途径可行性的现场试用研究[21]。

2.5 地质封存

在开发能源的同时，CO2地质封存是实现碳减排的关键步骤，衰竭油气藏、深部煤层及深部咸水层等都是适合CO2长久封存的有利场所[22]。CO2封存机理包括多个方面，（1）CO2进入目标储层驱替油气后，由于毛管力滞留在油水孔隙中；（2）CO2和矿物表面的黏附性强，以吸附态埋存于地层矿物表面；（3）在地层高温高压条件下，CO2溶解系数增大，以溶解态被捕获；（4）CO2会引起储层岩石中可溶性矿物沉淀，如CaCO3、MgCO3等，以矿物态被永久封存于地下[23]。

CO2开发能源-地质封存一体化是CCUS技术的有益补充，理论上可最大化实现CO2的资源化利用，但并不是十全十美的，封存的经济性、安全性及环境风险都是实施封存前必须考虑的关键因素[24]。

3 发展方向

3.1 碳工业体系

碳中和目标下的碳资源转化技术涉及制造、交通、材料等多个领域，随着CCUS技术和产业的高质量快速发展，将会涌现出诸多新的颠覆性技术，促进碳资源转化向多联产减排模式发展。在此背景下，以CCUS/CCS为核心的碳工业体系应运而生，作为实现碳减排举措的新型产业和关键产业，涵盖碳捕集、运输、利用、埋存、加工、金融等多项业务[25]，其体系构成见表3。

表3 碳工业技术体系构成Tab.3 Carbon Industrial Technology System

由碳工业体系构成可以看出，如何高效提升“灰碳”利用率，彻底根除“黑碳”是该革命性技术的核心。如图2所示，碳工业体系能够利用生态系统碳汇、海洋碳汇、化工合成及驱油采气等技术，显著提升“灰碳”利用率。同时通过建立相应的碳排放限额制度、碳税制度及碳交易制度等政策标杆，从源头上有效把控碳的排放量[26]。

3.2 产业化政策

目前，我国针对CO2资源化利用产业化发展，已经制定了一系列激励政策，但从总体来看，仍存在一定的不足[27]。主要体现在：（1）缺乏可以指导中长期产业部署的整体规划；（2）未将CO2资源化利用技术研发、CO2源汇匹配、CO2输送管网、跨行业工程应用等产业发展关键因素统筹兼备；（3）缺少类似美国45Q法案、英国和加拿大的投资补贴激励政策。未来做好CCUS产业发展顶层设计，建立一套完善的产业支持政策链，是引领CO2资源化利用产业走上快速发展轨道的重心，分为以下几个方面：（1）建立CCUS财税激励政策；（2）建立CCUS标准规范体系及管理制度；（3）建立多产业协作机制；（4）将CO2资源化利用纳入碳排放交易体系；（5）建立良好的CCUS金融生态。

图2 以CCUS/CCS为核心的碳工业体系构成示意图Fig.2 Schematic diagram of a carbon industrial system based on CCUS/CCSas a core

3.3 安全和环境监测评估

CO2安全和环境监测是衡量CCUS技术成败的关键，主要针对CO2地质封存过程。整个CO2地质封存涵盖注入前、注入中、注入后和闭场4个环节，在每个环节都存在CO2泄露的风险[28]。因此，对于不同的封存阶段，需要建立有效的评估手段实施针对性监测。在注入前阶段，实施背景值监测，即基于获取的地质特征确定主要的环境风险；在注入阶段，实施泄漏量评估监测，以确保无泄漏事件的发生；在注入后至完址阶段，实施安全性评估监测，保证闭场后的安全；在闭场后阶段，实施风险和预警持续监测，以保障封存的长期稳定性。

完善的安全和环境监测可实现对CCUS有效性、持续性、安全性、环境影响及减排效果的全方位评估，由于CCUS涉及多过程、多空间及长时间的复杂流程，加之常规的监测手段往往时效性差、成本高[29]，基于理化特征的实时监测和基于全流程的长寿面监测是今后CO2安全和环境监测评估技术的发展方向。

3.4 全生命周期评价

CCUS体系中包含捕集、输送、利用及封存各个环节，单环节技术种类繁多，且各环节间紧密联系，存在多种复杂制约和影响关系，传统的产业链组合模式很难将CCUS各单元、各时期统一起来进行整体综合评价[30]，详见图3。

图3 典型CCUS封存固碳全生命周期评价模型Fig.3 Typical CCUSsealing solid carbon full lifecycle evaluation model

由图3可见，CCUS全生命周期评价（图3）从建设期、运营期、关闭前各时期角度出发，涵盖CO2捕集、输送、驱油封存等多个环节，综合考虑经济、环境、社会等多项经济指标，即可以客观全面体现总体碳减排量和减排贡献度、碳减排经济性等关键技术经济指标及内在关联，指导技术和模式优化，又有利于打破行业壁垒，为不同时期固碳技术的合理选择和决策评价提供量化依据，建立系统最优理念，从而以较低代价实现固碳目标，推动CCUS技术长期向好发展。

4 展望

中国作为世界范围内最大的碳排放国，积极着手应对碳减排和环境保护问题势在必行。面对低碳转型浪潮，国内石油化工、热力电力等企业需要做好自身能力建设，开展碳核算，制定科学有效的减排目标，工艺、技术两手抓推动转型升级，实施节能减排行动，实现高质量发展。与此同时，国家重点院校、科研机构应与企业进行深度合作，采用理论、路径、实践三管齐下的教育方式，迅速培养出一批兼具碳中和管理思维和能力的专业技术人员，打造围绕碳中和目标的核心技术团队，为推动双碳目标的实现提供有力支撑。此外，我国可以效仿美英等国，因地制宜地出台相应的碳中和管理和帮扶政策，有效的内外协同推进目标实施。通过国家、企业、高校、科研院所等多方面的分工协作和相互配合，相信我国一定能够如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的宏伟目标。