2020年，中国向世界承诺：二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。如何才能实现二氧化碳“净零排放”目标？国际公认有效促进碳减排的措施——碳捕集、利用与封存（CCUS）颇受关注。
近日，中国石化宣布将开启我国首个百万吨级CCUS项目建设——齐鲁石化-胜利油田CCUS项目，预计年底投产，建成后将成为国内最大CCUS全产业链示范基地。什么是CCUS技术？其对实现碳中和来说意味着什么？《科技周刊》记者采访到相关专家，揭秘此技术如何变碳为宝。
不让资源放错位置
化石能源燃烧后往往会产生大量二氧化碳，大气中二氧化碳的浓度上升，导致温室效应加剧，可能带来一系列气候异常事件和全球生态系统失衡。那么，能否将燃烧后产生的二氧化碳“捉住”，并将其“转移”到其他的应用场景中，从而实现“物以致用”呢？“搭建人工碳循环，这实际上正是CCUS技术所做的事。”江苏省能源研究会理事长、东南大学能源与环境学院院长肖睿告诉《科技周刊》记者，CCUS是指把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存的一种技术。其中，第一个步骤碳捕集是指将大型发电厂、钢铁厂、水泥厂等排放源产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存，以避免其排放到大气中。
那么，我们“千辛万苦”收集到的二氧化碳应该“何去何从”？“我们可以将收集到的二氧化碳进行资源化利用，如转化为化学品等；同时，还可以将二氧化碳压缩后深埋地下或者海底。”南京工业大学材料化学工程国家重点实验室教授周瑜介绍，实际上，人类活动（如化石燃料燃烧等）排放的大量碳一部分最终会进入海洋，因此将捕集后的碳深埋海底其实也是人类效仿自然碳循环中的一项。“因为压缩后的液体二氧化碳密度比水大，因此将其放置海底后一般不会浮起。当然，这也并非是万无一失的，一旦遇到海啸等地壳强烈运动，二氧化碳则很可能重新被释放到空气中。”
除此之外，年底即将投产的齐鲁石化-胜利油田CCUS项目中，“把碳封地下，把油驱出来”技术也是实现二氧化碳捕集、驱油与封存一体化应用示范。肖睿告诉记者，以前我们想要采到地下的油主要使用“水驱”的方式，即将水注入地下，将油“赶”出来。而“封碳驱油”是指将二氧化碳压缩成液体后，代替原先驱油用的水。“我们将压缩后的液体二氧化碳注入地下，既实现了二氧化碳的封存，同时也实现了采油。”肖睿表示，把齐鲁石化捕集的二氧化碳，运送至胜利油田进行驱油封存，这种一举两得的方式大大降低了采油和碳封存的成本。
新技术降低捕集成本
全球气候变暖问题加剧，CCUS技术被看作是最具发展前景的解决方案之一。然而，这一技术目前最大困境在于成本太高。“在碳捕集、利用与封存全流程中，捕集分离的成本占约70%。”肖睿介绍，根据燃烧状态不同，碳捕集目前主要有三种方式，分别是燃烧前脱碳、燃烧中脱碳和燃烧后脱碳。燃烧前脱碳（即前端脱碳）是指将煤气化后将二氧化碳和氢分离，即煤制氢的过程。这种脱碳方式实际上最后我们燃烧的不是碳，而是氢；燃烧中脱碳则主要是利用氧和碳生成二氧化碳的原理进行碳捕，但前提要求使用富氧而非空气进行燃烧。“这两种方式成本较高，能耗也较高，所以目前大部分采用的是燃烧后脱碳技术。”
据了解，燃烧后脱碳技术的常规方式是醇胺法，即用醇胺溶液先吸收烟气中的二氧化碳，随后再通过加热再生的方式将捕集到的二氧化碳脱附收集。“尽管这种方式吸附容量大，分离比高，但是脱附再生能耗大，从经济成本上来说不太划算。”周瑜告诉《科技周刊》记者，相比于化学吸收法，利用固体材料进行二氧化碳物理吸附近年来在碳捕集领域备受青睐。
7月中旬，南工大材料化学工程国家重点实验室、化工学院王军教授课题组合成自成型含铁丝光沸石吸附剂，其突破性成果被《科学》（Science）杂志刊发。“和化学吸收不同，我们这项成果的捕集是物理作用，含铁丝光沸石吸附剂在吸收二氧化碳后，很容易脱附解吸二氧化碳。相比于醇氨溶剂的逆反应，成本更低。”作为此论文的第一作者，周瑜解释，这项成果所用到的沸石材料成本非常低，并且在合成后无需再成型，因此非常环保；此外，通常在分离过程中，实际气体中都有水汽，有的吸附剂遇水不稳定，大部分吸附剂的亲水性导致分离二氧化碳时受水汽干扰严重。因此，常常需要先干燥再吸附，而含铁丝光沸石吸附剂分离性能不受水汽干扰，且可以反复循环使用。
实验显示，团队合成的含铁丝光沸石吸附剂在室温298 K、1个大气压条件下，其吸附量为219立方厘米每立方厘米，是迄今报道的最高值。更重要的是，所得材料对氩气、氮气、甲烷等表现出良好的筛分能力，其分离效率比工业基准13X沸石吸附剂高出多个数量级。就能耗而言，当下的工业基准13X沸石吸附剂在分离二氧化碳/甲烷(50/50)混合气时，回收一公斤二氧化碳需要消耗0.97兆焦能量，而这种新型吸附剂每吸附一公斤二氧化碳仅需消耗0.7兆焦能量。“在纯度相同的情况下，我们的吸附剂对二氧化碳的回收率大于95%，甲烷的回收率能从61.9%提升到96.9%。”王军说。
“相较于气液系统，气固系统的优势在于能耗低，降低碳捕集成本。”肖睿介绍，今年6月，东南大学能源与环境学院参与的国内规模最大燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程成功投运，此项目中所用到的千吨级燃煤烟气二氧化碳固体吸附工业验证系统也正是利用碳酸钠颗粒对二氧化碳进行吸附。“在还原二氧化碳时，溶液气化反应时需要将溶剂加热，因此能耗大，而颗粒加热能耗则要低很多，成本也相应下降。”肖睿说。
碳中和下催生新风口
炎热的夏天，人们喜欢喝些汽水解暑，但可能很多人都不知道，碳酸饮料中充入的二氧化碳也许就源自碳捕集。“对捕集后的碳进行纯化，当达到人体能够接收的范围后便可以用作食品级二氧化碳，并将其充入啤酒、饮料等中。”肖睿介绍，二氧化碳的资源化利用方式有很多，例如有科研人员用捕集到的二氧化碳进行藻类养殖。“植物光合作用需要二氧化碳，并且藻类繁殖快，光合作用效率高，因此二氧化碳的需求量也比较大。”此外，在化工领域，二氧化碳还可以与氢发生化学反应，从而生成甲醇，甲烷等燃料或化学品。
将温室气体二氧化碳转化为可以利用的“宝贝”——发展CCUS技术已成为多个国家碳中和行动计划的“必行之路”。 数据显示，目前全球正在运行的大型CCUS示范项目有26个，每年可捕集封存二氧化碳约4000万吨。国际能源署预测，本世纪末要实现全球气温升幅控制在2℃以内的目标，9%的碳减排需要依靠CCUS；实现1.5℃以内的目标，32%的碳减排任务需要依靠CCUS。预计到2050年，CCUS将贡献约14%的二氧化碳减排量，市场应用前景广阔。
“碳中和涉及的面非常广，而CCUS无疑是碳中和领域的关键环节之一。”周瑜认为，想要实现“净零排放”目标，就需要将二氧化碳捕集利用效率提升上去。“效率提上去，成本自然降下来。”
“高能耗导致的高成本是目前CCUS发展的瓶颈之一。能否利用可再生能源进行加热，从而降低其能耗，也是许多业内人士正探索的方向。”肖睿表示，相信技术成熟后，规模化应用会使其成本大大降低。
