CO2捕捉及封存技术研究进展*钟栋梁1刘道平2邬志敏2（1.重庆大学动力工程学院，重庆 400030；2.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）摘要重点讨论了CO2捕捉与封存技术，包括针对火力发电厂的后燃烧处理、预燃烧处理和加氧燃烧处理技术，以及针对CO2固定的植树造林、海洋施肥、光合作用、矿物碳化和气体水合物等技术，期望为CO2捕捉与封存技术的研发提供重要参考。

关键词CO2大气环境煤烟气捕捉Progress in the development of carbon dioxide capture and sequestration technologies Zhong Dongliang1，Liu Daoping2，Wu Zhimin2.(1.School of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030；2.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093)Abstract：The huge amount of CO2 emitted into the atmosphere has been threatening the earth environment seriously. This paper emphatically discussed the technologies of CO2 capture and sequestration, including post-combustion process, pre-combustion process and Oxy-combustion process, which are mainly used in the fossil-fueled power plants. The process such as forestation, ocean fertilization, photosynthesis, mineral carbonation, and gas hydrate are widely used for carbon fixation. The introduction of these technologies is in the hope of making valuable references for the development of carbon dioxide capture and sequestration technologies.Keywords：carbon dioxide；atmospheric environment；coal；flue gas；capture20世纪世界人口和能源消耗迅速增长。

地球总人口翻了四番，超过了62亿。

能源消耗从0.9×109 t石油当量（TOE）上升到1.02×1010 t。

20世纪的煤炭消耗量占能源消耗总量的43％，石油消耗量占31％，天然气约占15%，而核能和水电的累积总量不超过10％，见图1，因此20世纪也被称作煤炭世纪[1]。

本世纪人类社会除了面临能源供应紧张问题，还面临环境保护的巨大压力，尤其是温室效应问题。

目前，世界能源消耗的85％来自化石燃料，火力发电厂的CO2排放占全球CO2总排量的40％，其中燃煤发电厂所占比重最大[2]。

国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，2100年全球平均气温上升1.9 ℃，海平面升高38 m，同时伴随多个物种的灭绝[3]。

因此，CO2作为最主要的温室气体，设法对其进行减排、捕捉和封存成为各国关注的焦点，同时也是世界各国科学研究人员急需解决的重大课题。

减少CO2排放量，目前主要有3种方式：（1）降低能源强度；（2）减少碳排放强度；（3）加强CO2隔离。

第1种方式要求高效利用现有能源；第2种方式要求使用非化石燃料，例如，使用氢气或可再生能源；第3种方式则要求高度发展CO2分离和捕捉技术。

CO2捕捉与封存技术被认为是缓解环境压力的中期解决方案，因为它允许人类继续使用化石能源直到可再生能源技术发展成熟。

RIAHI等[4]研究了包含经济、人口及能源需求等因素的CO21第一作者：钟栋梁，男，1980年生，博士，研究方向为能源利用及水合物技术研究。

* 国家自然科学基金资助项目（No.50276038）。

1捕捉及封存模型，研究结果表明CO2捕捉作为长期技术策略的优选方案，能帮助人类应对气候变化造成的环境危机。

因此，笔者主要讨论CO2捕捉与封存技术的研究与发展。

图1 20世纪的能源结构1 火力发电厂的CO2捕捉在所有工业中，火力发电厂的CO2排放量最大，占总排放量的33%～40%。

在封存CO2前必须对其实施分离与捕捉。

对发电厂而言，CO2的分离和捕捉有3种方案：后燃烧处理，预燃烧处理和加氧燃烧处理。

后燃烧处理技术同天然气分离CO2技术相似，预燃烧处理技术已大规模应用于生产氢气；加氧燃烧收集CO2技术还处于研究试验阶段。

1.1 后燃烧处理后燃烧处理是从含有NO X和SO2的烟气中分离CO2并作处理，如图2所示，煤粉燃烧发电厂属于典型的后燃烧处理[5]。

化学吸收是后燃烧处理CO2的常用方式，例如乙醇胺（MEA）吸收。

这种技术已大规模用于天然气工业，优点在于能分离出较纯的CO2。

尽管化学吸收剂在规模和投资上与SO2洗涤器相当，但吸收剂能除去发电厂烟气排放总量的1/4~1/3，可以大大减少电厂的发电量。

膜气体分离技术是后燃烧处理捕捉CO2的另一种方式。

图2 煤粉燃烧发电厂的CO2捕集1.2 预燃烧处理在预燃烧处理系统中，燃料首先通过重整（天然气）和气化（煤）转化为CO2和H2混合气体，然后参与反应，煤气化燃烧发电厂属于此类[5]。

CO2从混合气体中分离出来，H2则进入燃气轮机燃烧或直接用于燃料电池，图3给出了该处理过程的流程图。

煤在煤气化过程中被部分氧化，转化为以H2和CO为主的气体燃料。

当合成气燃料用于类似传统联合发电厂时，该过程被称作整体煤气化联合循环（IGCC）。

在预燃烧处理中捕捉CO 2的主要方法是吸收处理，溶剂可以是化学试剂，比如MEA 吸收处理，也可以是物理试剂，例如变压吸收处理（PSA ）。

物理吸收作为成熟技术，已在美国北达科他州的GPSP 合成燃料厂使用了20年。

合成燃料厂消耗褐煤，生产出合成天然气。

预燃烧捕捉CO 2比后燃烧捕捉成本低。

此外，使用预燃烧捕捉CO 2的IGCC 电厂的效率要比煤粉燃烧的电厂高得多，为将来的电厂建设提供了选择。

图3 煤气化发电厂的CO 2捕集1.3 加氧燃烧处理在氧化燃烧过程中，从空气中分离出的O 2被直接送入能量转化单元，与含有CO 2的循环烟气结合，保持炉内温度低于温度极限值。

燃烧发生在O 2/CO 2混合气体环境中，生成的烟气为高纯度的CO 2，流程见图4。

烟气中不含N 2，采用通用技术除去烟气中的颗粒和硫化物。

除去SO 2后，烟气中的CO 2占体积容量的90％，因此不再需要对CO 2进行分离，可直接压缩储存或输运。

这种技术的主要优点是省去了NO X 控制设备和CO 2分离程序。

由于燃烧时只需供入氧气，锅炉尺寸可以缩小，其他设备（SO 2洗涤器等）的尺寸也相应缩小。

缺点是随着废气中SO 2浓度的增加，设备会发生腐蚀。

目前该技术尚未发展成熟，其运行、保养和投资费用与后燃烧处理技术相当。

空气空气分离能量转化燃料发电O 2图4 加氧燃烧电厂的CO 2捕集1.4 化学循环燃烧处理化学循环燃烧（CLC ）是本身包含CO 2捕捉的一种新技术，因为避免了燃料和空气的直接接触，也被称作非混合燃烧。

载氧体将空气中的氧气带入燃料，金属氧化物小颗粒是理想的载氧体，例如Fe 2O 3、NiO 、CuO 或Mn 2O 3等。

基本的化学循环燃烧系统如图5所示[6]，系统有2个反应器，一个用于空气反应，另一个用于燃料反应。

载氧体在2个反应器之间循环，在空气反应器中，载氧体被氧气氧化，见式（1）。

在燃料反应器中，金属氧化物被还原，燃料被氧化为CO 2和H 2O ，见式（2）。

图5 化学循环燃烧O M 2M 2O e e 2→+ （1）M 212O H 21CO O M 212H C 22e m n ⎟⎠⎞⎜⎝⎛+++→⎟⎠⎞⎜⎝⎛++m n m n m n （2） 反应器中吸收或放出的能量与反应过程和反应温度有关。

通常式（1）为放热反应，式（2）为吸热反应，但燃料和载氧体结合时，可能转变为轻微的放热反应。

原则上，所有燃料均可用于化学循环燃烧。

与传统燃烧相比，化学循环燃烧的优点为：空气反应器排出以N 2为主的无害废气。

在精心设计的系统中，NO X 不会生成，因为氧载体的再生发生在无火焰的中温条件。

燃料反应器排出的废气为CO 2和H 2O 。

CO 2可通过冷凝器分离，与传统的胺洗涤捕捉CO 2相比，节约了能量，这也是化学循环燃烧的优点。

2 CO 2固定多种天然或人工方法均可实现碳捕捉和固定，从而避免CO 2直接排入大气。

比如，植树造林、海洋施肥、光合作用、矿物碳化和气体水合物等。

2.1 植树造林据估计，陆地系统的碳封存潜力大概为（5～10） Gt/a ，目前陆地系统通过光合作用已捕捉了（1.） Gt 的碳，将来可通过植树造林、恢复植被或者沙漠绿化继续增加碳捕捉的流量40.7±[7]。

研究发现，在开始阶段被植被吸收的碳流量是正向的，并且“碳储量”不断增加，但是当陆地系统发展成熟后，由于捕捉和释放的平衡，净捕捉量降低为零。

2.2 海洋施肥海洋比陆地植被能储存更多的CO 2。

据估计，海洋已吸收了约38 000 Gt 的碳，其中每年约有（1.） Gt 来自地球大气环境。

海洋浮藻植物的储碳能力约为50～100 Gt/a ，远远高于陆地植被。

海洋浮藻通过呼吸作用将一部分碳释放并返回大气，剩余的碳以颗粒有机物的形式沉入深海，比如浮藻死亡或者被海洋生物吞食。

CO 70.5±2的这种封存方式可以通过海洋施肥得到强化。

海洋施肥就是给海洋藻类增加营养，刺激它们的生长。

然而，海洋施肥干涉了海洋生态系统，可能对海洋环境造成致命冲击。

此外，下沉的有机物可能分解出更多的温室气体（CH 4、NO 等）。

因此，在实施该方法之前必须作进一步研究。

2.3 光合作用大多数碳捕捉和封存技术提供的只是短期或中期解决方案，而且或多或少存在弊端。

例如，海洋封存仅仅延缓了CO 2向大气排放。

只有将CO 2转化为可再生能源，才能彻底解决CO 2的排放问题。