二氧化碳 燃料捕集技术的思路与方法 　　 摘要： 全球变暖的日益加剧引起了人们对二氧化碳 燃料减排的关注对于燃用化石燃料所释放出的二氧化碳 燃料气体，二氧化碳 燃料的捕集与封存技术是一种有效的减排手段本文对于目前二氧化碳 燃料捕集技术常用的燃烧前捕集、燃烧后捕集、氧燃料燃烧三种主鋶技术思路进行了论述。同时介绍了吸收法、吸附法、膜分离法等具体的捕集方法 　　关键词： 二氧化碳 燃料捕集；吸收法；吸附法；膜分离法 　　《京都议定书》第一期承诺将于2012年到期，然而在哥本哈根会议至今的历次世界气候大会上各国在责任划分上尚未达成有效嘚共识。这场发展中国家与发达国家之间的博弈也许仍要继续但是温室效应带来的全球变暖及其引发的一系列环境问题，无时无刻不提醒着世界各国高度关注二氧化碳 燃料减排问题根据《京都议定书》中的规定，温室气体包含二氧化碳 燃料(CO2)甲烷(CH4)，氧化亚氮(N2O)氟氯碳化粅(CFCs)，全氟碳化物(PFCs),六氟化硫(SF6)等6种在所有温室气体中，CO2对全球变暖应负主要责任占60%以上，甲烷占20%N2O、氯氟烃等工业气体和臭氧占剩下的20%。洇此控制温室效应和全球气候变化，关键是控制CO2的排放[1] 　　因此，随着《京都议定书》第二承诺期的到来中国承诺到2020年单位国内生產总值二氧化碳 燃料排放比2005年下降40%~45%，这显然要承受巨大的国际压力同时也意味着开发减排CO2的新技术和新方法已成为中国必须面对的课题。CO2的排放主要来自工业生产与汽车、飞机、轮船的废气排放和煤炭、石油、天然气等化石燃料的燃烧排放。其中化石燃料燃烧是最主要嘚排放来源占到70%。我国的能源结构以煤炭为主燃煤所排放的CO2成为减排的重点。 　　常规燃气、燃油、燃煤烟道气的组成(体积分数)如下:N2 82 %~89 % ,CO2 8 %~15 % ,O2 3 %~5 % ,尐量SO2和NOX[2]从排烟中分离CO2 将使电厂热效率降低7%~29% ,大幅度增加发电成本,造成这种损失的主要原因是:在较低的压力下,从以氮气为主要成分的混合气體中分离较低浓度的CO2气体的难度很大[3]。 　　另一方面CO2又是重要的化工原料，市场对CO2的需求量很大,如可用于生产干冰、食品CO2气、焊接保护氣、烟丝膨胀剂在化学工业中,CO2已大量用于生产甲醇、尿素、纯碱等产品[4]。在石油开采领域CO2气驱强化采油（EOR）也已经成为一项比较成熟嘚技术，既提高了原油的开采量又可以在油井中部分贮存CO2，基于同样原理的强化煤层气开采技术（ECBM）也已处在工程实验阶段[5] 　　综上所述，从环保和碳源利用的角度考虑开发经济、实用的CO2捕集分离技术有着十分重要的意义和广阔的市场前景。 　　2. CO2减排技术思路 　　2.1. 主偠技术思路 　　CCS(Carbon Capture and Storage)碳捕集与封存技术是目前公认的减排CO2的

从混凝土到燃料空气中的二氧囮碳 燃料可以替代地面的二氧化碳 燃料。在这一点上众所周知二氧化碳 燃料是一种致命的污染物，正在加热大气人们不太了解的是，CO2吔是一种有用的原料是各种工业过程的输入。从塑料到混凝土CO2是一种基本的工业构件-一种有价值的商品。

对于许多气候活动家来说這表明也许我们应该更多地使用它。也许如果可以激励使用二氧化碳 燃料的行业增加其使用量，那么我们可以使用足够的方法来大幅减尐排放到大气中的排放量使用更多；少排放。这就是碳捕集与利用（CCU）背后的基本思想而CCU是当今清洁能源中最热门的话题之一。

在本系列的第一篇文章中我介绍了CCU的概念及其基本形式。在第二篇中我仔细研究了CO2当前最常见的工业用途，即提高采油率（EOR）将CO2注入废囲中以挤出更多的石油和天然气。（情况很复杂）在本文中，我们将研究二氧化碳 燃料的其他工业用途以试图了解它们的可行性，潜茬的总潜力以及它们是否可能在与二氧化碳 燃料的斗争中发挥重要作用气候变化娱乐时间！

重要提示：就本文而言，我正在研究工业流程它们涉及通过传统的碳捕集将二氧化碳 燃料从空气中抽出—要么从工业设施的烟气中抽出，要么通过直接空气捕集（DAC）从环境空气中抽出—浓缩并用作工业原料从种植更多的森林到将更多的碳固存到土壤中，还有许多收集更多二氧化碳 燃料的自然方法他们很有趣，規模可能很大但是他们应该当自己的职位。这篇文章是关于机器的

 二氧化碳 燃料的直接空气捕获（DAC）一台巨大的机器，将空气中的二氧化碳 燃料排出 碳工程评估CCU技术的三种重要方法在介绍各种形式的CCU之前，让我们记住三个重要的问题在我们采取所有措施时都需要提絀这些问题。这些问题来自最近在《自然》杂志上发表的有关CCU 的大型文献评论该评论对11,000篇论文进行了评估，并附有专家意见调查它有助于明确评估这些技术所涉及的关键指标。

第一个问题是CCU技术会产生气候效益吗？它会减少碳排放吗如果能减少多少？它会隔离碳吗如果可以，可以隔离多长时间这里有一些重叠的概念通常会在流行对话中混为一谈，因此有必要加以区别这是《自然》杂志的做法：

 二氧化碳 燃料的用途使用二氧化碳 燃料的方式。 皇家社会不同的CCU技术涉及这些的不同组合确定CCU技术的净碳影响涉及生命周期分析（LCA），该分析考虑了CO2的来源生产中使用了多少能源，能源来自何处生产过程中释放了多少CO2，以及捕获释放出的任何二氧化碳 燃料最终处置产品的方式以及在没有生产时会发生的情况。（LCA非常复杂目前尚无广泛共享的标准来控制其工作方式。）

二氧化碳 燃料的某些用途（唎如制造液体燃料替代汽油和柴油燃料）只能锁定碳，直到燃料燃烧然后再释放到大气中。他们没有从大气中除去二氧化碳 燃料而昰循环一次然后放回去。《自然》杂志将其称为“循环”过程但是通过用碳中和过程代替碳密集过程，相对于其他情况它们减少了净排放量（CO2ρ）。

二氧化碳 燃料的其他用途（例如，作为水泥生产过程的一部分）可以将碳锁定更长的时间混凝土不会将CO2永久地排除在大氣中，但可以合理地将其存储一个世纪或更长时间因此从所有意图和目的来说，它都可以算作碳存储（CO2）《自然》杂志将这些过程称為“封闭”过程。

LFA很复杂而且细节很重要，但是从文献中得出的一个广泛结论是“净减排量的潜力远大于净清除量，这显得非常小”总体而言，CCU可能不会带来很多二氧化碳 燃料但它可以产生可观的二氧化碳 燃料。评估不同CCU选项的气候效益至关重要政策制定者应始終牢记，CCU本身并不是一件好事只有在产生有意义的气候变化的情况下才值得追求。

第二个问题是CCU技术的潜在规模是多少？如果是专用產品或小批量产品可能不值得进行研发工作以弄清楚如何使其与捕获的二氧化碳 燃料商业化地进行。理所当然的是决策者和投资者应基于具有最大总潜力的技术来优先关注他们的注意力和资源。（我们稍后将按潜力对技术进行排名）

第三个问题是，CCU技术在学习曲线上赱了多远 它是主要在实验室和一些试点项目中存在的投机技术，例如合成液体燃料还是像水泥中的CO2这样的具有近期市场增长潜力的成熟技术？所有这些问题对于评估CCU技术提供实际气候解决方案的潜力都很重要

那么这些技术是什么？让我们来看一些（有很多不同的划分方法；我的清单是上面引用的《自然》论文的一部分以及Lux Research为全球CO2倡议而进行的这份详尽的2016年路线图。）

1.混凝土建筑材料这里有三种主要技术全部与混凝土有关，是水泥水和骨料的混合物。水泥是一种细粉当被水活化时，它将骨料粘合成刚性混合物首先，可以通过將气态的CO2转化为固体碳酸钙（如CaCO3）的过程来制造集料（掺入混凝土沥青和建筑填料中），这一过程称为“ CO2矿化”（请参阅CO2混凝土或蓝銫星球））

其次，在混凝土搅拌过程中可以用CO2代替水，从而产生类似的矿化作用事实证明，除了节省大量的水之外这实际上使制成嘚混凝土更坚固。（例如参见Solidia和CarbonCure。）

第三也是最具投机性的是欧盟低排放强度石灰与水泥（LEILAC）项目推动的一项有前途的技术。水泥和石灰的生产过程涉及不可避免地释放二氧化碳 燃料的化学反应（不是化石燃料燃烧）LEILAC试图对其进行调整，以使其产生可轻松捕获并封存戓再利用的纯净二氧化碳 燃料废物流

至少从理论上讲，可以想象到水泥与基于CO2的骨料混合时水泥生产过程中捕获的纯净CO2排放量然后被偅新注入该过程中。如果所有这些零件都可以排成一列（并且要明确地说这还没有在世界上任何地方完成），那么最终的建筑材料可能會声称在生命周期内真正是碳负离子它们不仅会减少净排放量（CO2ρ），还将半永久性地存储碳（CO2s）。

但除此之外即使水泥仅实现CO2ρ，而不是CO2，这里的机会也是巨大而直接的这些技术（至少是前两项技术）已经建立并且能耗相对较低；它们可能会导致数十亿吨的碳固存。

2.液体燃料如今液体燃料（汽油，柴油和更罕见的变体例如喷气燃料）是通过提炼从地下开采的碳氢化合物制成的。它们可以由空气Φ的碳制成可以通过许多不同的方法和化学方法，以多种不同的方式来制造“ 合成燃料 ”从而产生多种燃料。有合成燃料可以替代任哬液体燃料

考虑它们的最简单方法是将三件事混合在一起：碳基分子（通常为CO2），氢和能量该能量用于将氧气从碳中撬出并将碳粘在氫上。因此就是“碳氢化合物”生成的燃料的碳强度取决于所有三个成分的来源：CO2，电和氢如果二氧化碳 燃料来自地下沉积物，电力來自化石燃料氢气来自天然气的蒸汽重整（今天大约有95％的氢气），则产生的燃料将非常耗碳

如果二氧化碳 燃料来自周围的空气，电仂来自可再生能源而氢气则来自太阳能电解（将电解氢直接从水中抽出），则产生的燃料中碳含量极低碳中性液体燃料几乎可以肯定昰最大的二氧化碳 燃料潜在市场。世界上有许多液体燃料并且存在更清洁替代品的现有市场，包括加利福尼亚州和俄勒冈州等具有低碳燃料标准（LCFS）的州

氢存储。 HyTech电源降低碳捕获的成本将有助于使用合成燃料但是氢气和能源是另外两种成分，占了成本的很大一部分電解氢需要大量能量，而撬开CO2则需要更多能量（二氧化碳 燃料紧密地结合在一起；它不想散开。）所有的能源都要花钱

极其便宜的可洅生能源是使碳中和合成燃料起作用的关键，因为它是廉价氢的关键而大规模生产合成燃料将需要大量氢。在关于工业和航空旅行等难鉯脱碳行业的特别报告中能源转换委员会强调了对合成燃料的需求，因此对氢气的需求：“实现二氧化碳 燃料净零排放经济将需要增加铨球氢气产量从今天的每年60兆吨增加到本世纪中叶的425-650吨”

即使氢在运输中没有扮演直接的重要角色（它可能不会），但合成燃料仍将需偠氢而合成燃料本身就需要使工业等难以触及的部门脱碳。为了使“绿色氢”的电解成为可能可再生能源必须真正便宜。有很多分析師认为在合适的地点使用公用事业规模的太阳能将很快产生世界上最便宜的电力，降至每兆瓦时20美元甚至10美元而且会有一段时间的多餘太阳能需要吸收，否则本来就浪费掉了

《自然》杂志说：“尽管更复杂的碳氢化合物的生产在能源上是昂贵的，因此在经济上是昂贵嘚但如果可再生能源（占总成本的很大一部分）继续变得更便宜，并且如果采取了政策则有可能迅速降低成本。刺激其他成本的降低”如今，在任何类型的市场规模上合成燃料实际上都不存在（如《自然》杂志所述，“电流几乎为零” ）但是如果将所有因素综合起来来支持它们，那么可以想象它们可以占领全球很大一部分市场。燃料市场这不是一件小事。不是二氧化碳 燃料而是大量的二氧囮碳 燃料。

要明确：未来就是电气化在脱碳方面，总是要使能源的最终用途电气化-直接使用电力而不是将大部分电力转换成电能-但即使在乐观的情况下，也会出现一些困难的行业电气化用于难以脱碳的领域的碳中性液体燃料既是一个庞大的市场也是脱碳难题的关键部汾。

3.化学品和塑料使用各种催化剂可以将CO2制成各种化学中间产物，然后将它们用作其他工业过程的原料例如甲醇，合成气和甲酸

CO2也鈳以通过催化剂转化为聚合物，塑料粘合剂和药物的前体。目前CO2衍生的聚合物非常昂贵，但塑料是另一个潜在的巨大市场-它们代表了對液态化石燃料需求的不断增长的一部分它们的使用寿命长达数十年到数百年，因此它们具有一定的二氧化碳 燃料排放潜力当前，只囿少量的化学应用被大规模商业化包括尿素和聚碳酸酯多元醇的生产。

4.藻类捕获的二氧化碳 燃料可用于加速藻类的生长藻类的吸收能仂比其他任何生物质来源都快得多。藻类非常有用它可以用作食品，生物燃料塑料甚至碳纤维的原料（见第5号）。值得注意的是大約在五年前，藻类被视为一种神奇的植物但该领域并未真正起步，许多早期公司都倒闭了

5.新颖的材料在这里，我们找到了更多投机性前沿性但潜在的重大市场。可以将CO2制成高性能材料-碳复合材料碳纤维，石墨烯-可以替代所有材料从金属到混凝土。

例如C2CNT的团队正茬使用“熔融电解”将CO2直接转化为碳纳米管，该碳纳米管比钢更坚固且具有高导电性它们已经用于诸如波音梦想飞机和某些跑车的高端應用中。但是随着它们变得更便宜市场几乎没有上限。仅举一个例子考虑用碳纳米管代替电线中的铜。（感谢亚当·西格尔（Adam Siegel）指出叻这个想法）实际上，从空间站到电动汽车再到家用电器每一种电力应用都将受益于重量更轻，导电性能更好的电线

然后是钢铁，這是世界上最常用的金属占化石燃料全球二氧化碳 燃料排放量的7％至9％。如果可以用碳基材料以任何实际规模代替钢这可能意味着减尐数十亿吨的排放，更不用说永久性的碳固存了当然，这种材料研究仍处于早期阶段它将取得一些技术突破，以降低成本从而开始夶规模替代其他材料。目前碳材料已在精品市场立足。

比较CCU技术的成本和潜力《自然》杂志比较了10种不同的CCU途径包括我在此处排除的洎然途径以及我在上一篇文章中介绍的EOR。因此以下图表包含一些无关的信息供我们参考。尽管如此还是值得仔细研究，因为它显示了荿本潜在的CO2使用量和技术准备程度（TRL）的途径。有两种情况分别反映了预测的低端和高端。

性质纵轴为零是当今的“收支平衡成本”（按2015年美元计算）在这一点上，一项技术可与现有企业竞争那些线以下的人已经具有竞争力。超过限额的人需要某种相应的补贴才能競争条形图的宽度表示该技术到2050年每年可使用的二氧化碳 燃料量（基于预测和专家意见）。条形的颜色表示其TRL

基于乐观的高情景，一些化学途径（多元醇尿素和甲醇）已经具有成本竞争力，尽管它们使用二氧化碳 燃料的潜力相对较小累计接近千亿吨。具体的途径（集料和养护）非常接近于具有成本竞争力的途径尤其是养护潜力很大，尤其是当您考虑到其二氧化碳 燃料的数量是两次时一次是减排量，一次是永久性存储令人困扰的是，相对于现有企业而言具有最大总使用二氧化碳 燃料潜力的工业CCU技术途径最昂贵。

到2050年合成液體燃料（甲醇，甲烷二甲醚和费托燃料）每年总共可以使用超过4吉吨的二氧化碳 燃料。（相比之下2018年全球二氧化碳 燃料的排放量约为37吉吨。）目前需要每吨500美元的二氧化碳 燃料补贴才能竞争但是，正如《自然》杂志所说“许多技术都处于开发的早期阶段，通过研发進行成本优化可能会大大改变这些估算”如果有一个明显的协调研发目标，那就是合成燃料

如果您是这样的话，以下是表格形式的相哃信息：性质该表清楚表明的一件事是其中一些预测的范围非常宽（0美元至670美元？）反映出所涉及的巨大不确定性。这些CCU技术的发展方式将取决于可再生能源的价格曲线绿色氢的价格曲线，一系列市场的发展以及他们从立法者那里获得的研发水平和政策支持所有这些都是很难预测的。讨论到2050年他们可能如何互动是一种有根据的猜测游戏

如果有支持的策略，CCU可以做更多《自然》杂志的结论反映了大量研究和专家的平均值试图确定当前成本以及将会发生的事情。但是值得一看的至少是对支持政策可能发生的情况的一些更乐观的估計。2016年全球二氧化碳 燃料行动计划委托Lux Research为CCU 制定了全面路线图。它不仅预测了CCU技术在正常情况下如何扩展而且还预测了如果遵循路线图Φ的政策建议，它们将如何扩展

该路线图评估了各种CCU技术的CO减排潜力：如您所见，遵循报告中建议的“战略措施”可以从根本上扩大集料和合成燃料的CO2吸收潜力该路线图估计，在上限处“这些产品可以捕获超过每年[全球] CO2排放量的10％。”以下是CCU市场的总收入潜力：同样燃料和集料显示出巨大的潜力，在良好的政策下增长了十倍或二十倍该路线图估计，到2030年合并市场的整体年收入可能达到8000亿美元至1.1萬亿美元。

正如我所说所有这些都是不准确的估计，但是如果CCU技术有可能发展成为一个超过1万亿美元的业务，从而将全球排放量减少10％那么它们似乎值得对注意力和资源进行认真的投资。我们可以使用的越多我们排放的越少。决策者应如何使用CCU技术支持他们的正確方法是什么，更广泛地说是在更大范围的气候斗争的背景下思考它们的正确方法是什么？我将在下一篇文章中解决这些问题