碳捕集与封存是什么？二氧化碳的捕集方式主要有那几种？

　　碳捕集与封存(Carbon Capture and Sequestration，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等)是指将大型发电厂所产生的二氧化碳(CO2)收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。2012年8月6日，中国首个二氧化碳封存至咸水层项目获重要突破。

　　二氧化碳的捕集方式主要有三种：燃烧前捕集(Pre-combustion)、富氧燃烧(Oxy-fuel combustion)和燃烧后捕集(Post-combustion)。

　　燃烧前捕集

　　燃烧前捕集主要运用于IGCC(整体煤气化联合循环)系统中，将煤高压富氧气化变成煤气，再经过水煤气变换后将产生CO2和氢气(H2)，气体压力和CO2浓度都很高，将很容易对CO2进行捕集。剩下的H2可以被当作燃料使用。

　　该技术的捕集系统小，能耗低，在效率以及对污染物的控制方面有很大的潜力，因此受到广泛关注。然而，IGCC发电技术仍面临着投资成本太高，可靠性还有待提高等问题。

　　富氧燃烧

　　富氧燃烧采用传统燃煤电站的技术流程，但通过制氧技术，将空气中大比例的氮气(N2)脱除，直接采用高浓度的氧气(O2)与抽回的部分烟气(烟道气)的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。

　　欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧项目。该技术路线面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗太高，还没找到一种廉价低耗的能动技术。

　　燃烧后捕集

　　燃烧后捕集即在燃烧排放的烟气中捕集CO2，如今常用的CO2分离技术主要有化学吸收法(利用酸碱性吸收)和物理吸收法(变温或变压吸附)，此外还有膜分离法技术，正处于发展阶段，但却是公认的在能耗和设备紧凑性方面具有非常大潜力的技术。

　　从理论上说，燃烧后捕集技术适用于任何一种火力发电厂。然而，普通烟气的压力小体积大，CO2浓度低，而且含有大量的N2，因此捕集系统庞大，耗费大量的能源。

　　二氧化碳运输编辑播报

　　捕集到的二氧化碳必须运输到合适的地点进行封存，可以使用汽车、火车、轮船以及管道来进行运输。一般说来，管道是最经济的运输方式。2008年，美国约有5800千米的CO2管道，这些管道大都用以将CO2运输到油田，注入地下油层以提高石油采收率(Enhanced Oil Recovery，EOR)

　　二氧化碳封存编辑播报

　　二氧化碳封存的方法有许多种，一般说来可分为地质封存(Geological Storage)和海洋封存(Ocean Storage)两类。

　　地质封存

　　地质封存一般是将超临界状态(气态及液态的混合体)的CO2注入地质结构中，这些地质结构可以是油田、气田、咸水层、无法开采的煤矿等。IPCC的研究表明，CO2性质稳定，可以在相当长的时间内被封存。若地质封存点经过谨慎的选择、设计与管理，注入其中的CO2的99%都可封存1000年以上。

　　把CO2注入油田或气田用以驱油或驱气可以提高采收率(使用EOR技术可提高30%~60%的石油产量);注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气驱出来，即所谓的提高煤层气采收率(Enhanced Coal Bed Methane Recovery，ECBM)。

　　然而，若要封存大量的CO2，最适合的地点是咸水层。咸水层一般在地下深处，富含不适合农业或饮用的咸水，这类地质结构较为常见，同时拥有巨大的封存潜力。不过与油田相比，人们对这类地质结构的认识还较为有限。

　　海洋封存

　　海洋封存是指将CO2通过轮船或管道运输到深海海底进行封存。然而，这种封存办法也许会对环境造成负面的影响，比如过高的CO2含量将杀死深海的生物、使海水酸化等，此外，封存在海底的二氧化碳也有可能会逃逸到大气当中(有研究发现，海底的海水流动到海面需要1600年的时间)。

　　总的来说，人们对海洋封存的了解还是太少。

　　中国郑重宣布在2030年前达到碳排放峰值，2060年实现碳中和，非常鼓舞人心。为了履行这艰巨的承诺，能源密集型行业，包括钢铁行业，都需要低碳解决方案。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术将不断发展，在中国的能源转型中发挥至关重要的作用，与其它清洁能源既竞争又相互依存。在能源转型期，中国可能不得不依靠多种能源组合才能实现低碳或无碳排放，包括以脱碳化石燃料为基础的清洁能源。

　　钢铁行业需要碳捕集、利用与封存

　　由于钢铁制造过程高能耗且高排放，全球范围内的钢铁行业减少碳足迹的压力与日俱增。钢铁行业目前是化石燃料(主要是煤炭)最大的消费者，煤炭既是制造焦炭的原料，又是产热的能源，是铁矿石炼钢过程中必不可少的成分。钢铁行业的CO2排放量占全球每年CO2直接排放量的7%(26亿吨)，能源消耗占全球能源需求总量的8%。预计到2050年，全球钢铁需求预计持续增长三分之一以上，尤其在亚洲等新兴经济体，那里人口众多，需要更多基础设施。1为满足这一不断增长的需求，钢铁行业面临艰巨的挑战，需要寻求一条可持续并且有竞争力的发展道路。

　　国际能源署(IEA)最新预测表明，到2050年，碳捕集、利用与封存技术累计直接减排量将占全球钢铁生产减排量的16%，需要具备年捕集4亿吨CO2的能力。2经过示范的CO2捕集是一项成熟且经过验证的技术，适用于多个行业。现有的高炉和氧气顶吹转炉(BF-BOF)等钢铁生产设施可以进行改造，帮助减少排放。欲实现能源与气候的诸项目标，碳捕集、利用与封存改造应着重于相对较新的高炉-氧气顶吹转炉炼钢设施。

　　2016年，阿拉伯联合酋长国(UAE)开发了世界上第一个钢铁厂的大型商业规模碳捕集、利用与封存项目。阿布扎比碳捕集、利用与封存项目每年可捕集80万吨CO2。3碳捕集、利用与封存技术应用在直接还原铁法(DRI)炼钢中有先天优势，因为该工艺燃烧重整天然气还原气体燃料，产生的烟气流中CO2浓度非常高(高达90%，利于有效捕集)。然后再将捕集到的CO2输送到油田，用于提高石油采收率(EOR)并封存。这虽未能为高炉-氧吹转炉法提供方便的应用途径，却提供了一种商业运行模式。2018年全球钢铁的产量约为13亿吨，其中只有8%是使用直接还原铁法生产的，其中70%位于天然气资源丰富的中东和印度。

　　中国钢铁行业实现碳捕集、利用与封存的潜力

　　中国目前在运营钢铁厂有281家。每个圆圈内显示该地区的钢铁厂数量。

　　在减少碳足迹的各种选项中，包括考虑未来以低排放的短流程电炉取代长流程冶炼工艺在内，碳捕集、利用与封存仍然不失为中国实现大幅减排的最有效方法之一。

　　据世界钢铁协会(World Steel Association)的数据，70%的粗钢是通过长程的高炉-转炉法生产的。2018年全球粗钢总产量超过18亿吨，其中9.97亿吨产自中国。5中国88%的粗钢是通过高炉-转炉法生产的，只有12%为碳足迹较低的短程电炉法生产(远低于30%的世界平均水平)。6长流程的高炉-转炉法每生产1吨钢，直接或间接排放CO2 2.3吨。7

　　据中国工业和信息化部(MIIT)的《钢铁工业调整与升级规划(2016-2020年)》，2017年中国钢铁行业“供给侧结构改革”的首要目标是到2020年将钢铁产能限制在10亿吨以下。

　　2020年中国钢铁生产排放量

　　如果达到目标，预计2020年炼钢排放的CO2量将接近13亿吨。然而，实际排放的CO2接近15亿吨，占中国工业排放总量的15%。

　　将碳捕集、利用与封存的应用转向以高炉-转炉法为主的冶炼方法，是中国减排温室气体的重大机遇，同时也是对中国钢铁行业基础设施的严峻挑战。石油、煤化工和发电等行业已经通过碳捕集、利用与封存试点形成可转移的专业知识，钢铁行业可以跨过行业壁垒，与这些行业合作，应对挑战，并使碳捕集、利用与封存技术成为向可持续未来过渡的机遇。将碳捕集、利用与封存与其它行业的创新、政策手段与商业模式相协调，将降低其发展利用难度。

　　加速碳捕集、利用与封存需要合作与政策对等

　　2015年，距北京不远的首钢-曹妃甸钢铁厂以典型的转炉流程为试点，对燃煤电厂燃烧后碳捕集系统开展了试点规模示范的可行性研究。常规的转炉法往往具有多个烟气排放源，排放不同浓度的CO2，其化学成份有所差异。因此，该可行性研究应用该CO2捕集系统对多个排放源的混合烟气进行了捕集实验。石灰窑、加热炉排放的烟道气与水泥厂、燃煤发电厂的排放气体类似，但CO2浓度较高;而热电联产电厂和焦炉排放的烟气中的CO2浓度类似，但排放量很高。该项目证明，碳捕集系统可以进一步应用于有多点排放源的高炉-转炉长程炼铁工艺。