什么是CCUS？
碳捕集、利用與封存（CCUS）是指將工業和有關能源產業所生產的CO?分離、利用，輸送至封存地點并長期與大氣隔絕的過程。
碳捕集、利用與封存（CCUS）流程
國際能源署(IEA)、聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)、國際可再生能源機構(IRENA)等均指出CCUS是最具潛力、最具實效的碳處理技術。作為我國實現碳中和目標技術組合的重要組成部分，不僅是我國化石能源低碳利用的唯一技術選擇，保持電力系統靈活性的主要技術手段，而且是鋼鐵水泥等難減排行業的可行技術方案。
CO?捕集
CO?捕集技術是指將電力、化工等行業利用化石能源時產生的CO?進行收集和分離的過程，該環節是CCUS系統耗能和成本產生的主要環節。按照分離流程，捕集技術可劃分為3個方向:燃燒前捕集、富氧燃燒捕集、燃燒后捕集。
傳統碳捕集技術（來源：DeepTech）
燃燒前捕集技術包括整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）和工業分離兩大類。IGCC是將煤炭、生物質、石油焦等燃料進行氣化，凈化后的氣體用于燃氣—蒸汽聯合循環發電的技術；工業分離是指煤制油、煤制氣、天然氣處理、水泥、甲醇、化肥等產業中進行CO?分離。
燃燒后捕集技術主要是在燃煤發電廠采用物理化學方法對燃燒后煙道氣中的CO?進行捕集。該技術發展相對成熟，中國華能集團有限公司、國家能源集團在該領域處于領跑地位，已建成數套10×10?t級捕集裝置。煉化等企業已開展了中低濃度CO?的捕集研究和試驗，但因技術、經濟原因，捕集利用受限。目前大慶石化、吉林石化正在開展100×10?t低濃度、低成本（低于220元/t）CO?捕集技術攻關和工業裝置建設。
富氧燃燒捕集技術是利用高純度的O?代替空氣，與化石燃料以及燃燒后返回的部分高濃度CO?一起進入燃燒室燃燒，生成以水蒸氣、CO?、SO?、NOx和顆粒物為主的煙氣，顆粒物和SO?可分別通過傳統的靜電除塵器和煙氣脫硫方法去除，剩余煙氣中的CO?濃度很高，體積分數一般為80%～98%，易于捕集。富氧燃燒捕集技術具有相對成本低、易于現有機組改造、煙氣中沒有氮氧化合物等優勢，被認為是最有可能大規模推廣和商業應用的CO?捕集技術之一。然而，使用空氣分離設備制備O?的時候會消耗大量能量，造成成本上升，并且煙氣中的SO?會加劇系統腐蝕問題。國內的華中科技大學、神華國華電力研究院相繼開展了富氧燃燒煙氣壓縮凈化工藝探索。
相較而言，燃燒后捕集技術具有較高的選擇性和捕集率，且該技術中國與發達國家間差距不大，是目前應用較為廣泛且成熟的捕集技術。根據不同碳捕捉技術的特性可以看出，燃燒前捕集和富氧燃燒需要合適的材料和操作環境來滿足高溫要求，這兩種技術的研究與開發和示范性項目較少。
待碳捕集完成后還需進行CO?的分離，目前最先進且被廣泛采用的方法是化學吸收、物理分離、膜分離法等。
主流碳分離技術優劣勢分析（來源：DeepTech）
除了以上三種對化石燃料和工業過程產生的二氧化碳進行捕集的傳統CCUS捕集技術。近年來，生物質能-碳捕集（BECCS）技術和空氣碳捕集（DACCS）技術也取得了一定的發展。生態環境部環境規劃院按照可持續發展情景估計，到2070年，生物質能和空氣碳捕集途徑占比將進一步上升，從2050年的19.6%上升至36.2%。
生物質能-碳捕集與封存（BECCS）技術利用植物的光合作用，結合生物質能和CCUS來實現溫室氣體負排放，將大氣中的二氧化碳轉化為有機物，并以植物生物質的形式積累存儲下來，在長期緩解二氧化碳排放方面具有明顯優勢，在全球范圍內具有可觀的碳潛力。目前美國、英國等一些發達國家進行了BECCS相關的示范工程，預計接下來將有更多的國家投入到這一領域。
生物質能-碳捕集與封存（BECCS）示意圖
直接空氣碳捕捉（DACCS），指利用化學反應，將空氣中的碳提取出來，當空氣經過裝有液體溶劑或固體吸附劑（均為常見的化學品）的裝置時，二氧化碳會留在溶劑或吸附劑中，而其他成分則離開裝置回到空氣中。當溶劑或吸附劑“裝滿”了二氧化碳后，對充滿二氧化碳的溶劑或吸附劑進行加熱脫碳，溶劑或吸附劑得以循環利用，而脫出的二氧化碳被注入并封存在地層，或者被直接利用。至今技術最成熟的幾個公司分別是Climeworks, Carbon Engineering和Global Thermostat。這三家公司共有18個工廠，各工廠的產能從捕捉1噸二氧化碳/年到4000噸二氧化碳/年不等，18個工廠的產能合計每年捕捉8000噸二氧化碳，其中，約有4000噸二氧化碳是被永久封存的，另外4000噸，則被出售另作他用。年產能為捕捉1百萬噸二氧化碳每年的試驗工廠已在建設中，落于美國西南地區，預計2024年底投產。直接空氣碳捕捉這項技術被歸為“技術成熟度6級”，意味著這項技術仍然處于完全商用前的階段，提高技術效益和降成本是目前的突破點。
CO?捕集技術成熟度
CO?運輸
我國CO?運輸主要有公路罐車運輸和管道運輸。其中，公路罐車具有運輸靈活、可利用現有公路系統、前期投資少等優勢，但其運力低、單位成本高、擠占道路資源、易產生安全事故，主要適用于小規模、短距離、非連續性陸上運輸的CCUS示范項目。管道運輸具有運量大、運輸距離遠、可實現連續性運輸、運輸成本相對較低、受外界干擾影響小、擠占社會公共資源少等優勢，是目前國際陸上大規模CCUS項目最主要的運輸形式。但其前期投資高昂，受地形影響大，需要超前規劃。
我國現有CCUS試點示范項目基本都采用公路罐車運輸方式，現有商業化和示范項目中已建成CO?運輸管道3條，累計長度約80公里，分別是吉林油田EOR項目CO?運輸管道、華東油田EOR項目CO?運輸管道和勝利油田EOR項目CO?運輸管道。另有數條已完成預可研或設計，累計長度可超過300公里。根據北京理工大學能源與環境政策研究中心評估結果顯示，若CCUS技術要實現約6億噸CO?的最大年減排需求，需要對全國172個煤電集群進行改造，需要182個封存樞紐參與CO?封存或利用，所需的CO?運輸管道總里程約1.7萬公里，單條管道平均長度為57.7公里，最長長度達535公里。松遼盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地周邊區域可以形成較好的管道運輸網絡結構，具有集群優先發展潛力。
CO?利用
CO?的資源化利用方式主要有：化工利用、生物利用和礦化利用。
CO?的化工利用是指以CO?為原料，與其他物質發生化學轉化，產出附加值較高的化工產品，如甲醇、碳酸鹽、乙酸、乙醇等。但由于CO?是一種惰性氣體，需要大量能量才能使其發生化學反應，這意味著將其轉化為其他產品的成本可能會很昂貴，克服這個問題就需找到不需要消耗大量能量的產品，或者找到轉換CO?的低能耗方法。化學轉化產品涉及多個領域，可轉化二氧化碳量級在十萬噸/千萬噸級。
CO?生物利用技術是指，通過模擬自然界中植物和微生物等的自然光合作用過程，設計和構建出全新的人工光合體系與路徑，從而將CO?更加高效地轉化為合成化學品和農業產品。目前微藻固碳技術是被廣泛關注的方法，主要以微藻固定CO?轉化為液體燃料和化學品、生物肥料、食品和飼料添加劑等。
此外，受天然生物固碳的啟發，解析天然生物固碳酶的催化作用機理，融合各類技術創建了全新的人工固碳酶和固碳途徑。在眾多的碳利用技術中，融合合成生物學手段的人工生物轉化CO?技術扮演著尤其重要的角色:一方面實現高效的人工生物固碳，能夠有效減少溫室氣體的排放量，加快向碳中和轉化的推進步伐;另一方面還為解決糧食安全、太空探索等重大課題提供了關鍵思路。但該類技術距離商業化落地至少還需10年的時間。
浙江大學煙氣微藻減排示范項目
CO?礦化封存技術是指模仿自然界CO?礦物吸收過程，利用天然硅酸鹽礦石或固體廢渣中的堿性氧化物，如CaO、MgO等將CO?化學吸收轉化成穩定的無機碳酸鹽的過程。起初該方法并未得到重視，原因在于礦物封存過程過于緩慢，理論上需要成百上千年。而后，冰島的CarbFix項目改變了這個固有想法，CO?在玄武巖層中的礦化速度十分驚人，遠超過研究人員預期，不到兩年時間，該項目近95%的CO?被礦化，證明了其在工業規模上的可行性。盡管如此，但該方法仍存在局限性，每噸CO?的礦化過程需要消耗將近25m3的水，因此該技術并不是在地球上所有地方都適用，且極其消耗水資源，并非良策。
含有碳酸鹽的玄武巖巖石
隨著技術的發展，利用CO?礦化處理廢棄物成為新的研究思路。利用富含鈣、鎂的大宗固體廢棄物（如煉鋼廢渣、水泥窯灰、粉煤灰、磷石膏等）礦化CO?聯產化工產品，在實現CO?減排的同時得到具有一定價值的無機化工產物，以廢治廢、提高CO?和固體廢棄物資源化利用的經濟性，是一種非常有前景的大規模固定CO?利用路線。目前已開發出基于氯化物的CO?礦物碳酸化反應技術、濕法礦物碳酸法技術、干法碳酸法技術以及生物碳酸法技術等。我國在鋼渣、磷石膏礦化利用技術方面也取得重要進展 。
二氧化碳轉化與利用始終是CCUS技術創新突破難點，全球范圍都將研發力量集中在該環節。只有少數技術(如強化采油和浸采采礦技術)發展較快，已進入商業化應用階段，其余大部分技術仍屬于研發或工業示范階段，距離規模化落地仍有一定距離。從二氧化碳捕集量級及技術發展現狀來看，除CO?強化石油開采技術外，未來在短期內有望廣泛應用/發展的轉化方式為CO?礦化封存技術(強化水泥方向)及化工利用(重整制備天然氣等)方向。
CO?封存
碳封存技術是指通過工程技術手段將捕集的CO?注入深部地質儲層，實現與大氣長期隔絕的技術，封存方式分為陸上封存和海上封存。
油藏可以作為CO?封存的較為理想的場所，在油田開發過程中注入CO?，一部分氣體溶解或者擴散到原油和地層水當中，還有一部分與巖石反應沉積在油藏中。開始注入時，CO?氣體在液相密度差及浮力的作用下發生對流，使得CO?向儲層上方運移，直到被蓋層阻止。該過程中CO?與地下水接觸，發生部分溶解。剛開始溶解時，接觸面會首先形成飽和CO?的鹽水層，在不同鹽水層密度差的作用下，CO?將從高濃度向低濃度方向做重力擴散，該擴散以橫向鋪展為主，其動力以分子的自發擴散為主。在分子擴散主導的運移過程中，注入CO?將進一步在鹽水中溶解，其余的則繼續橫向遷移。對流、擴散、溶解和運移依次發生、相互促進。注入CO?驅油的過程中，約3/5的氣體留在油藏中，另外2/5隨原油一起被開采出來，經過分離后再次注入油藏循環利用，并最終被封存在油藏中。
CO?強化采油技術已進入商業應用，該技術在實現封存CO?的同時可以提高石油采收率，額外采出的原油所實現的經濟效益可以有效降低CCUS項目的成本，每注入1t CO?可產出0.1～0.6t原油。由于油氣藏具有完整的地質資料和基礎設施等有利條件，在油田開展CCUS是當下大規模推廣CCUS的主流方向。
齊魯石化-勝利油田項目——我國首個百萬噸CCUS項目
深部咸水層中CO?地質封存機理主要有四種：（1）由于地層的高溫高壓狀態，注入到儲層中的二氧化碳將以超臨界狀態存在。但超臨界的二氧化碳密度小于水，所以這些二氧化碳隨著浮力的作用不斷向上移動，直至遇到隔水層停止移動。此時的二氧化碳聚集于地下儲層的頂部。這種封存方式稱為構造封存；（2）二氧化碳在巖石孔隙中運移，受到重力、浮力等多種力作用下達到平衡狀態，穩定的存在于孔隙中。這種封存方式稱為殘余氣體封存；（3）部分注入到地下的CO?溶解于咸水中，溶解后的CO?進一步形成了H?CO?，溶解的總量由儲層條件控制。這種封存方式稱為溶解封存；（4）在經過長時間反應后，咸水中溶解CO?形成的碳酸根離子與咸水中原有的金屬離子相結合，從而形成穩定的礦化物沉淀。這種封存方式稱為礦化封存。其中溶解封存和礦化封存，特別是礦化封存，因為其封存的穩定性高，稱為了最為安全有效的碳封存方式。2015年在加拿大Quest咸水層開展CCUS項目，氣源來自20km外的煉油廠，碳捕集后經管道運輸至Quest封存點，注入地下2000m深的咸水層，現已形成3個注CO?井組，實現CO?年封存量1.0×106t/a，目前累計封存CO? 6.0×106t。2011年在中國鄂爾多斯盆地咸水層開展了封存能力為1.0×105t/a的CCUS項目，該項目氣源來自煤制氫裝置變換單元的尾氣，截流后經氣液分離、除油、脫硫、凈化、精餾等工藝，將純度為88.80％的CO?提純至99.99％以上，通過低溫罐車運輸至內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗東南約40 km處，注入至1700m深的咸水層。
國家能源集團鄂爾多斯煤制油分公司10萬噸/年二氧化碳捕集和封存全流程示范項目
其他封存技術如CO?開發地熱、CO?強化開發煤層氣和頁巖氣、CO?玄武巖礦化封存、CO?水合物封存等，均處于研究階段。
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