碳捕集（carbon capture）是收集發(fā)電廠、鋼鐵廠、水泥廠等排放源產生的二氧化碳，并用各種方法儲存以免排放到大氣的技術。
碳捕集主要由煙氣預處理系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、再生系統(tǒng)、壓縮干燥系統(tǒng)、制冷液化系統(tǒng)等組成。按CO2捕集在工藝系統(tǒng)中的位置可將其分為燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。
化石能源的利用是大氣二氧化碳濃度升高的主要原因之一，而通常情況下化石燃料燃燒形成的二氧化碳是以一定比例混合在煙氣之中，如何將煙氣中的二氧化碳與大氣環(huán)境分離并富集起來是碳捕集要解決的問題。二氧化碳通過碳捕集技術可與大氣環(huán)境隔離，同時二氧化碳富集后可以顯著降低溫室氣體儲存、運輸、利用以及處置的成本以及能耗。富集以后的二氧化碳可以用于碳再利用或者碳封存。
歷史沿革
從20世紀60年代起，美國和加拿大就一直開展CO2驅油提高石油采收率（CO2-EOR）的研究。世界上第一個大規(guī)模CO2-EOR項目SACROC（Scurry 面積 Canyon Reef Operating Committee），從1972年1月26日起，由雪佛龍股份有限公司（Chevron）在得克薩斯州Scurry縣的油田開展。該項目的CO2來自科羅拉多州的天然CO2氣田，并通過管道將其運輸?shù)接吞矧層汀Ｔ?972—2009年，SACROC項目就累積注入超過1.75億噸天然CO2。然而，現(xiàn)代意義的CO2捕集、運輸與封存作為減少人為排放CO2的概念，最早是由意大利學者Marchetti提出。1996年開始的挪威Sleipner CCS項目和2000年開始的IEA溫室氣體研究與開發(fā)計劃機構（IEAGHG）Weyburn-Midale CO2監(jiān)測與封存項目（簡稱Weyburn項目），則是國際上最早開展的對人為排放CO2進行大規(guī)模捕集、利用與封存的示范項目。
Sleipner CCS項目是科學研究及大規(guī)模商業(yè)化示范項目。受挪威碳稅政策影響，原挪威石油公司Equinor（現(xiàn)稱Equinor）對從天然氣凈化過程中分離出的CO2進行捕集，并注入海底咸水層進行封存。該項目從1996年至今，累計封存超過2000萬噸CO2。該項目持續(xù)開展了20年的監(jiān)測，取得了一定的科學研究成果。
Weyburn項目在加拿大自然資源部、美國能源部、薩斯喀徹溫省省政府及企業(yè)聯(lián)合支持下，在加拿大薩斯喀徹溫省南部的Weyburn油田建立最大的地球科學試驗場，開展了歷時12年的180萬噸/年規(guī)模、多學科、全球最完整的CO2地質封存科學研究。該項目從2000年10月開始注入CO2，至今僅Weyburn油田就累積封存超過3500萬噸CO2；科學研究完成后轉為商業(yè)化項目。
Weyburn項目的成功確定了CCS技術在溫室氣體減排中的不可替代作用。首先，這是世界上第一個將來自煤使用（美國北達科他州煤氣化廠）過程中產生的低成本、高濃度CO2，進行大規(guī)模捕集、長距離運輸，然后進行驅油與封存的項目。從而證明了可以通過CCS技術，將煤產生的CO2進行大規(guī)模、快速和低成本減排，進而清潔利用煤炭。其次，該項目依靠CO2-EOR獲得收益，在沒有政府補貼的情況下，良性運行超過20年，建立了最成功的CCS商業(yè)化模式。再次，在解決高濃度煤化工CO2排放源的捕集與封存之后，Weyburn項目的組織者瞄準低濃度CO2排放的燃煤電廠捕集與封存，在SaskPower Boundary Dam Power Station Unit 3（簡稱BD3）機組建成世界上第一個100萬噸/年規(guī)模燃燒后CO2捕集裝置，將捕集的CO2輸送到Weyburn油田進行驅油與封存。當油田對CO2的需求較低時，SaskPower Boundary Dam電廠就會將捕集的多余的CO2就近封存到咸水層中，基于此，該電廠與位于加拿大薩斯喀徹溫省的石油技術研究中心（Petroleum Technology Research Centre，PTRC）合作，建設了Aquistore深部咸水層CO2地質封存科學研究設施。
技術原理
碳捕集是指將CO2從工業(yè)和能源相關的生產活動中分離出來，實現(xiàn)富集提純的過程。CO2分離技術主要有化學吸收分離、物理吸收分離、吸附分離、膜分離、化學鏈燃燒分離、O2/CO2分離等。按CO2分離位置的不同，電廠捕集CO2的技術路線主要有燃燒后分離、燃燒前分離和富氧燃燒。燃燒后捕集已經在加拿大實現(xiàn)了100萬噸/年的大規(guī)模捕集示范，而燃燒前和富氧燃燒也開展了中小規(guī)模的示范。中國也有若干中小規(guī)模的捕集示范，如華能上海石洞口的10萬噸/年的燃燒后捕集示范，華中科技大學30MW的富氧燃燒示范，華能天津IGCC的燃燒前示范等。另外，在陜西省，中國正在開展全鏈條的大規(guī)模CCUS示范項目建設。
環(huán)節(jié)
二氧化碳捕集
碳捕獲方式
二氧化碳的排放主要來自于發(fā)電和工業(yè)過程中化石燃料的使用。對于電力行業(yè)，根據碳捕集與燃燒過程的先后順序，傳統(tǒng)碳捕獲方式主要包括燃燒前捕獲、富氧燃燒和燃燒后捕獲等。煤化工、天然氣處理、鋼鐵、水泥等行業(yè)中二氧化碳的工業(yè)分離過程屬于燃燒前捕獲方式。各種碳捕獲方式的技術路線如圖1所示。
燃燒前捕獲是利用煤氣化和重整反應，在燃燒前將燃料中的含碳組分分離出來，轉化為以H2、CO和二氧化碳為主的水煤氣，然后利用相應的分離技術將二氧化碳從中分離，剩余H2作為清潔燃料使用。該技術捕獲的二氧化碳濃度較高，分離難度低，相應能耗和成本也會降低，但投資成本高，可靠性有待提高。此技術只局限于以煤氣化為核心的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）。富氧燃燒則是指通過分離空氣制取純氧，以純氧作為氧化劑進入燃燒系統(tǒng)，同時輔以煙氣循環(huán)的燃燒技術，可視為燃燒中捕獲技術。該技術捕獲的二氧化碳濃度可達90%以上，只需簡單冷凝便可實現(xiàn)二氧化碳的完全分離，因此二氧化碳捕獲能耗和成本相對較低，但額外增加制氧系統(tǒng)的能耗，提高了系統(tǒng)的總投資。燃燒后捕獲是指直接從燃燒后煙氣中分離二氧化碳，雖然投資較少，但煙氣中二氧化碳分壓較低，使得二氧化碳捕獲能耗和成本較高。由于燃燒后捕獲技術不改變原有燃燒方式，僅需要在現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)后增設二氧化碳捕集裝置，對原有系統(tǒng)變動較少，是當前應用較為廣泛且成熟的技術。在傳統(tǒng)碳捕獲技術的基礎上，也發(fā)展出一些仍處于研究和完善當中的捕集二氧化碳的系統(tǒng)。如煤氣化過程直接影響后續(xù)流程中二氧化碳富集程度與捕集能耗，有研究開發(fā)了煤炭碳氫組分分級轉化的碳捕集動力系統(tǒng)，分離前二氧化碳濃度能到達50%左右，為實現(xiàn)二氧化碳低能耗捕集提供了可能。化學鏈技術借助載氧體將傳統(tǒng)的化學轉化過程解耦為兩個或多個反應過程，可作為富氧燃燒和煤氣化的供氧單元技術，實現(xiàn)二氧化碳低耗捕集的同時抑制NOx產生。
捕獲后分離技術
物理法
如前所述，采用燃燒前和燃燒后捕獲技術，后續(xù)需進行二氧化碳的分離。混合氣體中的二氧化碳分離技術包括物理法和化學法。根據二氧化碳分離原理的不同，物理法可分為溶劑吸收法、吸附法、膜分離法以及低溫精餾法等，各方法的基本特點如下表所示。其中溶劑吸收法和變壓吸附法已實現(xiàn)工業(yè)化應用，也應用于中國CCUS示范項目中。
化學法
根據二氧化碳分離原理的不同，化學法可分為溶劑吸收法、吸附法、膜吸收法、電化學法以及水合物法等，各方法的基本特點如下表所示。其中化學吸收法技術成熟，是應用最為廣泛的二氧化碳捕集技術，已成功應用于化肥、水泥以及發(fā)電等行業(yè)。較為成熟的化學吸收法工藝多基于乙醇胺類水溶液，如乙醇胺（MEA）法、二乙醇胺（DEA）法、N-甲基二乙醇胺（MDEA）法等，近幾年新發(fā)展的化學吸收法包括離子液體、相變溶液、酶吸收法以及高溫熔鹽碳捕集法等。
直接空氣碳捕集技術（DAC）
根據美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的最新報告稱，2021年5月份夏威夷莫納羅亞監(jiān)測站的主要人為二氧化碳測量值平均為419ppm，超過了人類有監(jiān)測以來空氣中二氧化碳含量的最大值。即使全世界在2060年達到了碳中和，大氣中的二氧化碳濃度仍然處于臨界狀態(tài)，原因在于工業(yè)革命以來已經排放到大氣中的二氧化碳超過萬億噸，如果僅僅經過自然過程，大氣中的二氧化碳需要幾百年，甚至上千年的時間才能返回工業(yè)革命前的水平。為了減緩氣候變化不利影響，需要大氣中二氧化碳的濃度從419ppm盡快降到350ppm，回到1990年之前的濃度。按照大氣中二氧化碳濃度的水平，人類需要從大氣中去除5000多億噸二氧化碳，才能降到350ppm。那就必須從現(xiàn)在開始開發(fā)從空氣和海洋中去除二氧化碳，并永久轉化、固化和封存的突破性清潔技術。
1999年，Lackner教授第一次提出了從空氣中去除二氧化碳技術（Direct Air CaptureDAC）。最近20年來，DAC技術已經從不可能到了經濟上已經初具實際應用的可能。由于大氣二氧化碳濃度稀薄，DAC捕獲、濃縮二氧化碳的能耗要高得多，DAC一般采用物理吸附或化學吸附的形式，關鍵是高效低成本的吸附材料的開發(fā)和利用。吸附劑包括液態(tài)和固態(tài)兩種形式，由于固體吸附劑具有較好的動力學性能，避免溶劑損失，能夠減少熱耗，因此比較普遍使用的是固體吸附劑。各吸附劑的基本特點如下表所示。對于液體吸附劑，雖然傳統(tǒng)堿溶液對二氧化碳的吸附量大、吸附速率快，但吸附劑再生過程能耗過大，近來有研究開發(fā)了一種水相胍溶液，捕集空氣中的二氧化碳，反應生成微小的碳酸根晶體，易于從溶液中分離；當該晶體加熱到80~120℃時，即可釋放出二氧化碳，同時再生胍吸附劑，可重復利用。該技術吸附劑再生過程耗能較低，可顯著降低碳捕集過程的成本。對于固體吸附劑，根據二氧化碳吸附原理的不同，可分為物理吸附劑、化學吸附劑和濕法再生吸附劑等，美國哥倫比亞大學陳曦教授團隊采用世界領先的濕法再生吸附劑，一種包含離子交換或納米孔材料和碳酸根離子的節(jié)能系統(tǒng)，僅需濕度循環(huán)即可從空氣中大規(guī)模高效低成本捕集二氧化碳，不需要升溫進行解吸，能耗成本為復合胺溶液法的50%。這可能成為碳捕集技術的重大突破。
除上述吸附劑以外，有研究開發(fā)出電振蕩吸附劑，由于醌分子的荷電狀態(tài)對二氧化碳的化學親和力完全不同，以醌作為固體電極，通過電壓的小變化來改變電極本身的電荷來激活和停用醌，實現(xiàn)二氧化碳的吸附和解吸。不同于CCUS技術針對工業(yè)固定源排放的二氧化碳進行捕集處置，DAC可對小型化石燃料燃燒裝置以及交通工具等分布源排放的二氧化碳進行捕集處理，并有效降低大氣中二氧化碳濃度。有研究測算1000次循環(huán)條件下，DAC吸附劑成本僅為1美元/kg，商業(yè)化MOFs成本高昂，考慮100000次循環(huán)條件下，高達90美元/kg，隨著吸附劑和技術工藝的發(fā)展完善，DAC成本會不斷下降，將在助力碳減排和實現(xiàn)碳中和方面具有巨大的應用潛力。多孔氫鍵有機骨架材料（氫bonded Organic Frameworks，HOFs）的研究取得了較大的進展，具有超高穩(wěn)定性的HOFs相繼被開發(fā)出來，在二氧化碳吸附方面顯示出極大地優(yōu)勢，與H2、N2吸附相比，具有較好的二氧化碳選擇性，如圖2所示。
中國的進展是山西清潔碳研究院正在進行固體吸附HOF材料的產業(yè)化開發(fā)。它是一種有機框架晶體材料，其最大特點是，在常壓25oC下，能夠從空氣中直接捕集二氧化碳，它具有永久的孔隙，孔道尺寸為6.8?×4.5?，對二氧化碳吸附的選擇性高，噸吸附劑能夠吸附113kg二氧化碳。當前最大的問題在于成本過于昂貴，未來大幅度降低吸附劑的成本是工業(yè)化生產的關鍵。
二氧化碳運輸
二氧化碳運輸是CCUS技術系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，可選的運輸方式有管道運輸和各種交通工具運輸，如罐車和船舶運輸，適用于不同場景。如管道運輸適用于大規(guī)模、長距離運輸二氧化碳；公路罐車適用于小容量、短距離運輸，鐵路罐車適用于大容量、長距離運輸；船舶運輸運量大，運輸距離超遠，適合于近海碳封存運輸。各種運輸方式的基本特點如下表所示。鑒于不同運輸方式的優(yōu)缺點，需從運輸容量、運輸距離、運輸成本、市場因素以及運輸沿線交通布局等方面綜合考慮，以確定CCUS運輸方案。
二氧化碳利用
二氧化碳利用途徑主要有生產化工產品、工業(yè)利用、提高石油采收率、強化煤層氣開采等，提高石油采收率和強化煤層氣開采是大規(guī)模利用二氧化碳的有效途徑。以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)等各種形式存在的二氧化碳在工業(yè)和國民經濟各部門中具有廣泛的用途：①利用二氧化碳的物理性能，用于制造碳酸飲料、煙絲膨化處理、金屬保護焊接、滅火、制冷、干冰清洗等，屬于物理利用。②利用二氧化碳分子的化學特性，生產含碳化學產品，如合成無機化合物及有機精細化學產品、高分子材料等，同時實現(xiàn)二氧化碳的固化和資源化利用，屬于化學利用。③二氧化碳封存與提高油田采收率（EOR）或提高煤層氣采收率（ECBM）相結合，能夠產生來自石油或煤層氣開采的額外收益，是實現(xiàn)二氧化碳減排社會和經濟效益的重要途徑之一。
①CO2-EOR技術。通過向油藏注入二氧化碳來提高油田采收率的技術。其原理是把超臨界狀態(tài)的二氧化碳直接注入已開采過的儲油層中，在高壓條件下，二氧化碳推動原油向生產井流動，從而提高石油的采出率。注入油井的部分二氧化碳溶解于未能被開采的原油中或儲存于地層孔隙中，可以降低原油的黏度；部分二氧化碳隨原油、水和天然氣從生產井排出，通過分離和壓縮，由注氣井循環(huán)注入儲油層。CO2-EOR技術既可提高原油開采量，又可減少二氧化碳向大氣的排放量。每增產1噸原油，二氧化碳的消耗量高達2.2～6.7噸。據估計，全世界80%以上的油田都適合注入二氧化碳增產原油，所需二氧化碳的估計量是63×109噸。據測算，中國低滲油藏中約有32億噸適合使用CO2-EOR技術，占全部低滲油藏的50.6%。
②CO2-ECBM技術。通過注入二氧化碳提高煤層氣采收率的技術。其原理是將二氧化碳注入暫不能夠商業(yè)開采的深層煤層中，置換出以CH4為主要成分的煤層氣，被視為一種有廣闊商業(yè)前景的新興技術。煤層氣的發(fā)熱值達33496千焦/立方米以上，而且不含硫化氫，是一種無毒的清潔燃料。煤層氣同時也是一種溫室氣體，CH4的溫室效應是二氧化碳的20倍以上，對臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍。積極開發(fā)利用煤層氣，可大大減少采煤過程中的CH4排放量，也可提高煤炭開采過程的安全性。有研究認為，全球煤層可儲存接近225×109噸二氧化碳。中國的煤層氣資源非常豐富，煤層氣資源量約為11618×1012立方米，埋深2000～4000米范圍的煤層氣資源量約為50×1012立方米。這部分埋藏較深的資源由于開發(fā)成本較高，雖然在短期內很難加以利用，但碳封存技術的出現(xiàn)為開發(fā)和利用深部煤層氣資源提供了可能的技術條件。
二氧化碳封存
主要有生態(tài)封存、地質封存、廢棄油氣田封存、深海封存、工業(yè)固化等。其中：①森林和陸地的生態(tài)封存是最理想的廉價封存方式，但一個功率為500兆瓦的燃煤電廠約需2000平方千米的森林來捕集其所排放的二氧化碳，故該方式不能作為主要封存方式。②地質封存包括不可采煤層封存、采空的油氣層封存、強化采油回注封存、深部鹽水層封存等多種方式，是可實現(xiàn)的封存方式。③深海封存是有可能實現(xiàn)大規(guī)模長期儲存二氧化碳的方式之一，但涉及對海洋生物的影響和技術可靠性等一系列復雜問題，尚處于探索階段。二氧化碳的地質封存具有的優(yōu)點包括：①自然界中二氧化碳氣藏的存在證實了二氧化碳可以在地下長時間存儲。②油氣田開發(fā)中已經積累了二氧化碳封存的專業(yè)技術經驗。③利用二氧化碳提高石油采收率和提高煤層氣的采收率已經通過試驗獲得了經濟效益。④只要選址得當，可以在地下存儲大量的二氧化碳。⑤可以利用天然氣勘探的成熟理論、經驗、技術和設備。
常見技術分類
燃燒后捕集技術
在電力和熱力生產中進行二氧化碳捕集的技術主要有三類：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒技術。燃燒后分離在能源系統(tǒng)的尾氣中分離和回收二氧化碳，是能源系統(tǒng)中最簡單的二氧化碳回收方式之一。燃燒后捕集技術可采用的氣體分離技術有物理吸收、化學吸收以及膜分離等，由于燃燒后煙氣處理量大而且二氧化碳濃度低，化學吸收法被認為是最適用于大規(guī)模燃燒后捕集二氧化碳的分離技術。燃燒后捕集的優(yōu)勢在于可操作性較好，無需對動力發(fā)電系統(tǒng)本身作過多改造。采用燃燒后捕集二氧化碳，由于被N2稀釋，能源系統(tǒng)尾氣中二氧化碳濃度通常很低，一般燃煤電廠尾氣中二氧化碳的濃度10%～15%，天然氣電廠的尾氣中二氧化碳的濃度更低，約為3%～5%，而且尾氣處理量大。國際能源總署IEA的研究結果表明，采用化學吸收法分離燃煤電廠尾氣中的二氧化碳時，能耗約為0.37～0.51MWh/t二氧化碳，大約相當于電廠輸出電力的40%～55%，意味著分離90%的二氧化碳會使能源系統(tǒng)的效率下降8～14個百分點，系統(tǒng)單位投資上升50%～80%，二氧化碳捕集成本高達40～60美元/噸。燃燒后分離的研究熱點為尋找高效的吸收劑和優(yōu)化分離流程，降低二氧化碳分離能耗，但燃燒后分離能耗高的根本原因在于尾氣中的二氧化碳濃度低，僅通過吸收劑改進和流程優(yōu)化難以達到大幅降低分離能耗的目的。可見，采用燃燒后分離二氧化碳技術將使能源動力系統(tǒng)的效率退后到十多年前，這顯然是無法接受的能耗代價。
燃燒前捕集技術
燃燒前分離二氧化碳的方式是先將化石燃料轉化為合成氣（主要成分為CO和H2），進一步將合成氣中的CO氣體轉化為二氧化碳和氫氣，再通過分離工藝將二氧化碳分離出來。由于二氧化碳分離是在燃燒過程前進行的，燃料氣尚未被氮氣稀釋，待分離合成氣中的二氧化碳濃度約為30%。IEA的研究結果表明，IGCC燃燒前捕獲85%的二氧化碳會使能源系統(tǒng)的效率下降6～8.5個百分點，二氧化碳捕集成本約為30～40美元/噸，無論二氧化碳分離能耗和成本相對于燃燒后分離均有所下降。由于分離前二氧化碳的濃度較高，且分壓較大，燃燒前分離二氧化碳通常和以下分離工藝相結合：變壓吸附、物理吸收（常用于具有高的二氧化碳分壓或高的總壓的混合氣的分離）、膜分離等。燃燒前分離的優(yōu)點是：①相對燃燒后分離，待分離氣體中二氧化碳濃度更高，單位二氧化碳捕集能耗和成本相對更低；②燃氣透平經過較小的改動后即可以用于燃燒前分離二氧化碳系統(tǒng)。燃燒前分離也存在著它自身的缺陷：①合成氣的產生過程與水煤氣變換反應均會造成較大的燃料化學能損失；②僅通過水煤氣變換反應使二氧化碳富集，二氧化碳分離前濃度僅可達30%，二氧化碳分離能耗相對于燃燒后分離的下降程度有限。
富氧燃燒技術
富氧燃燒是針對常規(guī)空氣燃燒會稀釋CO2的缺陷提出的一種捕集CO2的方式。該方式采用燃料在氧氣和CO2環(huán)境中燃燒的方式，并將一部分尾氣回到系統(tǒng)內循環(huán)，排放出含有高濃度（95%以上）CO2的煙氣。所需氧氣的生產主要通過空氣分離方法，包括使用聚合膜、變壓吸附和深冷技術等。富氧燃燒的優(yōu)點是燃燒尾氣為CO2和水蒸氣，通過降溫即可分離出CO2，因此不需要尾氣分離CO2裝置，也不用脫硫和脫氮裝置，降低了投資成本。雖然富氧燃燒的CO2分離能耗接近為零，但由于需要制氧，空分裝置的耗功較大，系統(tǒng)出功降低程度仍比較大（約10%～25%），同時空分也大幅增加了系統(tǒng)的額外投資。采用富氧燃燒捕集CO2，捕獲90%的CO2同樣會使系統(tǒng)效率下降約10個百分點，CO2捕集成本約為30～50美元/噸。以采用富氧燃燒捕集CO2的IGCC系統(tǒng)為例，其效率比同等規(guī)模的常規(guī)IGCC要低約7個百分點。限制富氧燃燒系統(tǒng)效率提升的瓶頸是空分制氧技術。深冷制氧技術是一項比較可行的大規(guī)模制氧技術，而且是十分成熟的技術，其能耗下降空間有限。由于高性能膜的采用，空分制氧能耗預計會進一步降低，如采用離子輸運膜技術預計可使空分制氧能耗下降約25%～30%，但高性能的輸運膜技術剛處在研發(fā)初期，在近中期內難以實現(xiàn)商業(yè)示范，而且，由于處理氣量大，需要膜的面積就大，系統(tǒng)投資很可能比深冷裝置大得多。另外，由于CO2分子量比空氣大，其循環(huán)最佳壓比值將比常規(guī)循環(huán)大一倍以上，因而使燃氣輪機的選型與改造都變得更困難。最具代表性的采用富氧燃燒的O2/CO2系統(tǒng)主要有MATIANT循環(huán)、Graz循環(huán)和CES循環(huán)（H?OCycle）。
新型CO2捕集技術的主要代表為化學鏈燃燒，IPCC和IEA均認為其是具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦虲O2捕獲技術。控制CO2排放的化學鏈燃燒系統(tǒng)由日本學者Ishida和中國學者金紅光在1994年率先提出，該研究于1995年獲得美國專利。典型的化學鏈燃燒動力系統(tǒng)如圖所示。化學鏈燃燒將傳統(tǒng)燃料直接燃燒反應分解為兩個氣固反應，燃料和金屬氧化物（MeO）在還原反應器中反應，在其頂部產生CO2和水，底部生成金屬Me。空氣經預熱后進入氧化反應器與金屬Me發(fā)生氧化反應，生成高溫氣體進入透平做功。金屬氧化物（MeO）與金屬（Me）在兩個反應之間循環(huán)使用，一方面起到分離空氣中的氧，另一方面起到傳遞氧的作用。
由于燃料與空氣不直接接觸，燃料燃燒后的氣體生成物為高濃度的CO2和H2O，CO2并未被氮氣稀釋，CO2和H2O經過簡單的物理冷凝方法即可分離，不消耗額外的能量。與分離CO2的聯(lián)合循環(huán)相比，該系統(tǒng)效率比通常的動力系統(tǒng)效率高出8個百分點。
主要特點
系統(tǒng)典型結構
煙氣預處理系統(tǒng)
碳捕集主要由煙氣預處理系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、再生系統(tǒng)、壓縮干燥系統(tǒng)、制冷液化系統(tǒng)等組成。煙氣預處理系統(tǒng)。對電廠的鍋爐排煙進行脫硝、除塵、脫硫等預處理，脫除煙氣中對后續(xù)工藝有害的物質。脫硝是通過降床溫，減少熱力型的氮氧化物（NOx）產生；選擇性非催化還原（SNCR）是通過噴氨水，采用氨水作為脫硝劑來實現(xiàn)NOx減排。除塵是將燃料及其他物質燃燒過程產生的煙塵，以及對固體物料破碎、篩分和輸送等機械過程產生的煙塵，分離出來并加以捕集、回收的過程。煙氣除塵的技術包括袋式除塵器技術、電除塵器技術和電袋結合除塵器技術。脫硫是將煤中的硫元素用鈣基等方法固定成為固體防止燃燒時生成二氧化硫（SO2），脫硫方法一般有燃燒前、燃燒中、燃燒后脫硫等3類。
吸收系統(tǒng)
吸收系統(tǒng)是指將二氧化碳（CO2）與煙氣分離的過程。包括物理吸收法、膜吸收法、化學吸收法等。物理吸收法是根據吸附量隨壓力/溫度的改變而改變的原理來實現(xiàn)。膜吸收法利用氣體在膜中溶解和擴散來實現(xiàn)，動力是膜兩側氣體的壓差，主要采用的膜材料有聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、F4、pes、聚砜等，其中使用最多的是聚丙烯膜材料。膜吸收法由于其在傳質性能、操作、能耗等方面具有的優(yōu)點，吸收液、接觸膜和膜材料的選擇面較廣，從而使該技術具有很好的應用前景。化學吸收法是利用二氧化碳和吸收液之間的化學反應將二氧化碳從排氣中分離出來。化學吸收是傳質與反應同時進行的過程，在吸收過程中，吸收質與吸收劑之間發(fā)生明顯化學反應。常見吸收劑包括氨水、熱鉀堿溶液、有機胺溶液等。
其他系統(tǒng)
再生系統(tǒng)、壓縮干燥系統(tǒng)、制冷液化系統(tǒng)。這些過程將吸收的二氧化碳重新富集再生，除去水分后壓縮冷卻干燥后形成液態(tài)二氧化碳便于儲存和運輸。
應用領域
碳捕集主要用在化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠、煤化工廠等較大量排放CO2的工業(yè)行業(yè)。二氧化碳捕集利用封存技術是在繼續(xù)利用煤、石油、天然氣等化石能源的同時減少CO2排放的有效途徑，是實現(xiàn)溫室氣體減排、應對氣候變化的新技術。
標準規(guī)范
2024年12月24日，地方標準《二氧化碳捕集、驅油與封存項目碳減排量核算技術規(guī)范》發(fā)布，2025年2月20日實施。該標準由新疆維吾爾自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳歸口上報，主管部門為新疆維吾爾自治區(qū)市場監(jiān)督管理局。
2024年12月31日，國家標準《火力發(fā)電廠煙氣二氧化碳捕集系統(tǒng)能耗測定技術規(guī)范》發(fā)布，2025年7月1日實施。該標準由524（中國電力企業(yè)聯(lián)合會）歸口，主管部門為中國電力企業(yè)聯(lián)合會。
相關政策
2024年7月14日，國家發(fā)展改革委、國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布《生態(tài)環(huán)境部關于進一步強化碳達峰碳中和標準計量體系建設行動方案（2024—2025年）的通知》。按照系統(tǒng)推進、急用先行、開放協(xié)同的原則，圍繞重點領域研制一批國家標準、采信一批團體標準、突破一批國際標準、啟動一批標準化試點。2024年，發(fā)布70項碳核算、碳足跡、碳減排、能效能耗、碳捕集利用與封存等國家標準，基本實現(xiàn)重點行業(yè)企業(yè)碳排放核算標準全覆蓋。2025年，面向企業(yè)、項目、產品的三位一體碳排放核算和評價標準體系基本形成，重點行業(yè)和產品能耗能效技術指標基本達到國際先進水平，建設100家企業(yè)和園區(qū)碳排放管理標準化試點。2025年底前，研制20項計量標準和標準物質，開展25項關鍵計量技術研究，制定50項“雙碳”領域國家計量技術規(guī)范，關鍵領域碳計量技術取得重要突破，重點用能和碳排放單位碳計量能力基本具備，碳排放計量器具配備和相關儀器設備檢定校準工作穩(wěn)步推進。
發(fā)展趨勢
CCS中心（hub）可以實現(xiàn)成本的降低和區(qū)域內不同類型排放源的大規(guī)模減排，是未來商業(yè)化CCS項目發(fā)展的方向。但是CCS hub對封存地點的地質封存能力要求更高，詳細準確的地質封存選址顯得尤為重要。封存地點的二氧化碳封存潛力、注入能力，決定了捕集、輸送管道的規(guī)模和CCS hub的建設規(guī)模。二氧化碳地質封存未來重點的發(fā)展方向是咸水層封存，其次是油層和廢棄氣田封存。咸水層封存可以使更多類型的高碳排放源就近被封存，減少了長距離二氧化碳輸送管道建設的成本，以及鋼管生產、鋪設中的碳足跡。咸水層封存不需要將排放的二氧化碳捕集成高純度的二氧化碳，從而降低了捕集成本。在CCS部署過程中，需要從全流程的每個環(huán)節(jié)提高能源利用效率、減少碳足跡，從全流程角度計算，并實現(xiàn)最低成本的凈減排量。
從一些國家成功的大規(guī)模CCS項目建設周期看，從選址到建成運行，需要5~10年的時間。要達到IEA和CSLF預計的2030年CCS減排量，需要現(xiàn)在就開始行動，不然無法實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的溫控目標。當然，先進國家如美國、挪威、加拿大等成功發(fā)展CCS的最重要因素是國家的激勵政策（如45Q）、碳稅和對企業(yè)碳排放的約束政策。歐盟、中國的碳市場對于CCS技術有積極的推動作用，隨著碳價的提高，有助于CCS加快走向盈利和商業(yè)化。
參考資料 >
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關于進一步強化碳達峰碳中和標準計量體系建設行動方案（2024—2025年）的通知.中國政府網.2025-04-16