摘要： 随着全球气候变化问题日益严峻，碳捕集、利用与封存（CCUS）作为一项重要的减排技术应运而生。本文详细阐述了 CCUS 的技术原理、主要环节及其在应对气候变化中的重要意义。同时，深入探讨了当前 CCUS 技术面临的挑战以及未来的发展趋势，旨在全面展示 CCUS 技术对于推动全球低碳经济转型的关键作用。
在全球气候变暖的大背景下，减少二氧化碳（CO₂）等温室气体排放已成为国际社会的共识。尽管可再生能源开发和能源效率提升取得了显著进展，但对于一些难以脱碳的行业，如钢铁、水泥、化工等，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是实现深度减排的关键手段之一。CCUS 技术通过捕集工业生产过程或能源利用环节产生的 CO₂，将其运输到合适的地点进行利用或封存，从而有效减少 CO₂向大气中的排放，为全球应对气候变化提供了一条具有潜力的技术路径。
碳捕集是CCUS 技术的首要环节，其目的是从工业废气或其他含碳气源中分离出高纯度的 CO₂。目前，主要的碳捕集技术包括燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。
1.燃烧后捕集：适用于传统的燃烧化石燃料的发电厂、水泥厂等工业设施。在燃烧过程产生的废气中，CO₂浓度相对较低（通常在 10% - 15% 左右）。采用化学吸收法（如使用胺类溶剂）、物理吸附法（如活性炭、分子筛等吸附剂）或膜分离法等技术，将 CO₂从废气混合物中分离出来。其中，化学吸收法是目前应用较为广泛的燃烧后捕集技术，其原理是利用胺类溶剂与 CO₂发生化学反应，形成不稳定的化合物，然后通过加热或减压等方式使 CO₂解吸出来，从而实现 CO₂的捕集与回收。
2.燃烧前捕集：主要应用于整体煤气化联合循环（IGCC）发电等先进的发电技术以及一些煤气化制氢、煤化工等工业过程。在这些过程中，燃料首先经过气化处理，生成主要由一氧化碳（CO）和氢气（H₂）组成的合成气。通过水煤气变换反应（CO + H₂O → CO₂ + H₂），将合成气中的 CO 转化为 CO₂，然后利用物理或化学方法将高浓度的 CO₂（一般可达 30% - 60%）从合成气中分离出来。这种捕集方式的优势在于捕集前的气体压力较高，有利于降低捕集成本，且分离出的 CO₂纯度较高。
3.富氧燃烧捕集：该技术是在燃烧过程中使用纯氧或富氧空气替代普通空气进行燃料燃烧。由于燃烧过程中氮气（N₂）含量大幅减少，生成的废气中 CO₂浓度可高达 80% - 90%，从而大大简化了后续的 CO₂捕集过程。富氧燃烧捕集技术需要配备专门的制氧设备，这增加了系统的初始投资和运行成本，但随着制氧技术的不断发展，其成本也在逐渐降低，在一些特定的应用场景中具有一定的优势。
捕集到的CO₂需要通过合适的运输方式输送到利用或封存地点。常见的运输方式主要有管道运输、船舶运输和罐车运输。
1. 管道运输：是大规模运输CO₂最为经济有效的方式。适用于运输量大、距离较远且有稳定运输需求的场景，如从大型发电厂或工业集群到 CO₂封存地或利用设施之间的运输。管道运输系统通常包括压缩机站、管道线路和监测控制系统等部分。CO₂在一定压力下以气态或超临界态在管道中输送，管道材质需具备良好的耐腐蚀性和抗压性能，以确保运输过程的安全可靠。
2. 船舶运输：对于跨洋或长距离海上运输以及一些陆地上运输条件受限的地区，船舶运输是一种可行的选择。CO₂一般以液态形式存储在专门设计的低温储罐中进行运输。船舶运输具有灵活性高、运输能力较大的特点，但需要配套建设专门的装卸码头和储存设施，且运输成本相对较高，同时还面临着海上运输安全和环境风险等问题。
3. 罐车运输：主要用于短距离、小批量的CO₂运输，如从一些小型工业源到附近的利用场所或临时储存点之间的运输。罐车运输灵活性较强，但运输成本较高，且运输量有限，一般适用于对 CO₂需求较为分散或运输规模较小的情况。
碳利用是将捕集到的CO₂转化为有价值的产品或用于其他有益用途的过程，这不仅可以减少 CO₂的排放，还能创造一定的经济效益，提高 CCUS 技术的整体竞争力。
1. 强化石油开采（EOR）：将 CO₂注入到油藏中，通过增加油藏压力、降低原油粘度等作用，提高原油采收率。这是目前 CO₂利用最为成熟且大规模应用的领域之一。在 EOR 过程中，部分注入的 CO₂会永久性地封存在地下油藏中，实现了一定程度的减排效果。据统计，全球每年通过 EOR 利用的 CO₂量达到数千万吨。
2. 化工利用：利用CO₂作为原料合成一系列化工产品，如尿素、甲醇、碳酸酯等。例如，CO₂与氨气（NH₃）反应可合成尿素，这是一种重要的氮肥产品；通过加氢反应，CO₂可以转化为甲醇，甲醇又是合成众多有机化学品和燃料的重要中间体。化工利用途径为 CO₂的高附加值转化提供了可能，但目前受到化学反应条件苛刻、催化剂成本较高等因素的限制，总体规模相对较小。
3. 生物利用：利用微生物或植物等生物体将CO₂转化为生物质或其他生物产品。例如，一些微藻可以在光照条件下吸收 CO₂进行光合作用，生长繁殖后可用于生产生物燃料（如生物柴油、生物乙醇等）、饲料、食品添加剂等。生物利用方式具有绿色环保、可持续性强等优点，但生物转化效率较低，大规模产业化仍面临诸多技术和经济挑战。
碳封存是将捕集到的CO₂注入到地下深部地质构造（如咸水层、枯竭油气藏、不可开采的煤层等）或海洋中，使其与大气长期隔离的过程。
1. 地质封存：是目前研究和应用最为广泛的碳封存方式。咸水层具有巨大的储存潜力，其分布广泛且通常具有良好的盖层条件，能够有效防止CO₂向上泄漏。枯竭油气藏由于其地质构造已经经过长期的油气开采实践验证，对 CO₂的储存安全性有一定的保障，并且在注入 CO₂的过程中还可能进一步提高油气采收率。不可开采的煤层在注入 CO₂后，CO₂会吸附在煤的孔隙表面，置换出煤层中的甲烷（CH₄），实现 CO₂的封存和煤层气的增产，具有一定的协同效益。在地质封存过程中，需要对封存场地进行详细的地质勘察和评估，包括地层结构、岩石渗透率、流体饱和度等参数的测定，以确保 CO₂能够安全、稳定地封存在地下。同时，还需要建立完善的监测系统，实时监测 CO₂在地下的运移情况，防止可能出现的泄漏事故。
2. 海洋封存：将CO₂注入到海洋深层水体或海底沉积物中。海洋具有巨大的碳储存容量，理论上可以储存大量的 CO₂。然而，海洋封存面临着诸多技术和环境风险挑战。CO₂注入海洋后可能会引起局部海域的化学环境变化，如海水酸化等问题，对海洋生态系统造成潜在影响。此外，海洋封存的长期安全性和稳定性仍需要进一步深入研究，目前其应用规模相对较小，主要处于研究和示范阶段。
对于一些难以通过其他减排手段实现脱碳的行业，如钢铁、水泥、化工等，CCUS 技术提供了一种可行的减排解决方案。这些行业在全球经济中占据重要地位，但由于其生产工艺的特点，直接减少 CO₂排放面临着巨大的技术和经济挑战。通过应用 CCUS 技术，可以在保持现有产业规模和生产工艺基本不变的情况下，大幅降低 CO₂排放量，为实现全球温室气体深度减排目标提供有力支持。据国际能源署（IEA）预测，如果要将全球温升控制在 2℃以内，到 2050 年全球 CCUS 技术的减排贡献量将达到约 14%。
在能源领域，CCUS 技术与碳捕获型发电厂（如采用燃烧前捕集或富氧燃烧捕集技术的发电厂）相结合，可以实现化石能源的清洁利用，减少发电过程中的 CO₂排放。同时，CCUS 技术还可以应用于氢气生产过程中的碳捕集，促进低碳氢能源的发展。随着可再生能源发电成本的不断降低，将可再生能源与 CCUS 技术集成的创新模式也在不断涌现，如利用可再生能源电力驱动碳捕集装置，或者将捕集到的 CO₂与可再生能源产生的氢气合成低碳燃料等，这些都有助于推动全球能源系统向低碳、零碳方向转型。
CCUS 技术中的碳利用环节将 CO₂转化为有价值的产品或资源，实现了碳元素在经济系统中的循环利用，符合循环经济的理念。例如，CO₂在化工、建材等行业的利用，可以替代部分传统的化石原料，减少对新开采资源的依赖，同时降低产品生产过程中的碳排放。此外，通过碳利用还可以带动相关产业的发展，创造新的就业机会和经济增长点，促进区域经济的可持续发展。
目前，CCUS 技术的总体成本仍然较高，这是制约其大规模推广应用的主要因素之一。碳捕集环节需要大量的能源和化学试剂投入，导致捕集成本居高不下；碳运输环节需要建设专门的运输基础设施，投资较大；碳利用环节除了少数应用领域（如 EOR）外，大部分产品的市场规模较小或附加值有限，难以覆盖成本；碳封存环节的场地评估、监测和安全保障等方面也需要投入大量资金。据估算，目前全球范围内 CCUS 项目的成本普遍在每吨 CO₂ 50 - 100 美元甚至更高，远高于许多国家或地区的碳市场价格，这使得企业缺乏投资 CCUS 项目的经济动力。
尽管CCUS 技术在各个环节都有了一定的发展，但部分技术仍处于研发或示范阶段，尚未达到大规模商业化应用的成熟度。例如，一些新型的碳捕集技术（如新型吸附剂、膜材料等）虽然在实验室或小试规模取得了较好的性能表现，但在工业规模应用时面临着稳定性、耐久性和放大效应等问题；碳利用技术中的一些高附加值产品合成路线仍需要进一步优化催化剂性能、降低反应条件要求，以提高转化效率和经济性；碳封存技术在长期监测和泄漏风险评估方面还需要更先进的技术手段和方法，以确保封存的安全性和可靠性。
CCUS 技术涉及到 CO₂的大规模捕集、运输和地下或海洋封存等过程，这些过程可能会引发公众对环境风险和安全问题的担忧。例如，公众可能担心 CO₂运输管道的泄漏会对周边环境和居民健康造成影响，或者对碳封存场地的长期稳定性和潜在地质灾害风险存在疑虑。此外，由于 CCUS 项目往往需要占用一定的土地资源，可能会引发当地居民对土地利用和社区发展的关注。因此，提高公众对 CCUS 技术的认知和接受度，加强公众参与和沟通，是 CCUS 项目顺利实施的重要前提。
CCUS 技术的大规模发展需要完善的政策和法规体系支持。目前，许多国家或地区在碳定价机制、财政补贴、税收优惠、技术研发支持等方面的政策还不够完善或力度不够。例如，碳市场价格波动较大且普遍较低，难以有效激励企业投资 CCUS 项目；财政补贴资金有限，难以覆盖 CCUS 项目的高额成本；相关技术研发支持政策缺乏系统性和长期性，不利于持续推动 CCUS 技术的创新和发展。此外，在碳封存的法律责任界定、监管框架构建等方面也存在一些空白或不完善之处，需要进一步加强政策法规研究和制定工作。
未来，CCUS 技术将继续朝着高效、低成本、低能耗的方向发展，通过技术创新不断突破现有技术瓶颈。在碳捕集方面，研发新型的吸附剂、吸收剂和膜材料，提高捕集效率和选择性，降低能耗和成本；在碳运输方面，开发更安全、高效、经济的运输技术和设备，如新型管道材料和运输船舶设计等；在碳利用方面，探索更多的高附加值产品合成路线和应用领域，加强与其他产业的耦合集成，提高碳利用效率和经济效益；在碳封存方面，完善长期监测技术和泄漏预警机制，提高封存安全性和可靠性。同时，注重 CCUS 技术各环节之间的集成优化，形成完整的产业链条，提高整体技术性能和经济可行性。
CCUS 技术将与可再生能源、能源存储、能源效率提升等其他减排技术协同发展，共同构建低碳能源体系和绿色经济模式。例如，将可再生能源电力与碳捕集装置相结合，利用可再生能源的间歇性过剩电力驱动碳捕集过程，降低碳捕集的能耗和成本；将 CCUS 技术与能源存储技术（如电池储能、抽水蓄能等）集成，实现电力系统的灵活调节和 CO₂减排的协同优化；在工业领域，将 CCUS 技术与先进的生产工艺改进和能源管理措施相结合，进一步提高工业过程的整体减排效果。通过多种减排技术的协同作用，可以充分发挥各自的优势，弥补单一技术的不足，实现更大规模的温室气体减排目标。
随着CCUS 技术的应用范围不断扩大，跨行业、跨领域的合作与示范项目将越来越多。不同行业之间可以通过资源共享、技术互补等方式，共同推进 CCUS 技术的发展和应用。例如，电力行业与化工行业可以合作开展碳捕集与化工利用一体化项目，实现 CO₂的高效转化和利用；钢铁行业与建筑行业可以探索将钢铁生产过程中捕集的 CO₂用于建筑材料的生产，提高碳利用效率和产品附加值。同时，加强国际间的合作与交流，共同开展跨国界的 CCUS 示范项目，分享技术经验和最佳实践，促进全球 CCUS 技术的协同发展。
为了推动CCUS 技术的大规模发展，各国政府将进一步加强政策支持力度，完善相关政策法规体系和市场机制。在政策方面，加大对 CCUS 技术研发、示范和产业化项目的财政补贴和税收优惠力度，制定长期稳定的技术研发支持计划；建立健全碳定价机制，通过合理设定碳市场价格或实施碳税等政策手段，提高企业投资 CCUS 项目的经济回报预期；加强碳封存的法律监管框架建设，明确各方的法律责任和义务，保障碳封存的长期安全性。在市场机制方面，鼓励金融机构创新金融产品和服务，为 CCUS 项目提供多元化的融资渠道；培育和发展 CCUS 相关产业的市场主体，建立完善的产业链上下游合作机制，促进 CCUS 技术的商业化应用和市场推广。
碳捕集、利用与封存（CCUS）技术作为应对气候变化的重要手段之一，在实现全球温室气体深度减排、助力低碳能源转型和促进循环经济发展等方面具有不可替代的重要意义。尽管目前 CCUS 技术面临着成本高昂、技术成熟度有待提高、公众认知与接受度以及政策法规支持不足等诸多挑战，但随着技术创新的不断推进、与其他减排技术的协同发展、跨行业跨领域合作与示范的加强以及政策支持和市场机制的逐步完善，CCUS 技术有望在未来实现大规模商业化应用，为全球应对气候变化和可持续发展做出更大的贡献。国际社会应高度重视 CCUS 技术的发展，加大研发投入和政策支持力度，共同推动 CCUS 技术在全球范围内的推广应用，携手应对气候变化这一全球性挑战。