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捕获二氧化碳!低碳生活的“点石成金术”

添加时间:2021-09-02 作者:之遥科普 来源:科普中国 点击:390 收藏 打印 字体:
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2021年8月23日,第31个全国节能宣传周正式拉开了帷幕。在本届节能宣传周上,“碳”这一概念稳居C位,不仅“节能降碳,绿色发展”被选作宣传主题,“碳达峰”、“碳中和”、“碳交易”、“碳固定”等概念也被多次提及。

当前,我国不断完善绿色低碳政策和市场体系,力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。实现碳中和目标,一方面需要人们践行绿色低碳的生活方式,减少碳排放;另一方面,还需要运用工程技术手段,合理处置已排放的碳。

2021年6月17日,国家发改委发布了《国家发展改革委办公厅关于请报送二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)项目有关情况的通知》,点名CCUS技术为“碳回收”这一环节的关键技术。此文件一出,在学界与工业界内都掀起了不小的波澜。

那么,究竟什么是CCUS技术?怎么利用CCUS技术?它对于“碳中和”又有哪些帮助呢?

被循环的碳的“一生”

CCUS,全称Carbon Capture, Utilization and Storage,意为碳捕集、利用与封存技术,为了理解这一技术的意义,我们不妨先来看看碳的“一生”是如何度过的。

如同地球上的水以气态、液态和固态的形式,在陆地、海洋和大气间不断循环一样,地球上的碳元素也不断地在生物圈、岩石圈、水圈及大气圈中交换,并随地球的运动循环不止。

碳是一种常见却奇妙的元素,它们通过彼此链接,可以构成各种有机物,进而演化出丰富的生命体。生物活动与繁衍生息的过程,也时刻伴随着碳的代谢循环过程。

由于地球上很少发生元素的转变,因此地球上的碳基本上是守恒的。任何涉及碳的物理及化学过程都必须从一处取得碳,并在过程后转移到另一处。

上古时期,伴随着未开化的人类首次在木头上点燃文明的火种,二氧化碳排出。随后的某个时刻,这些二氧化碳被一片森林吸收,变成了森林木材的一部分。这些木材中的碳,或被燃烧重新进入大气,继续参与流动过程,成为“流动碳”;或被埋葬在地底逐渐碳化为化石燃料,进入岩石圈,成为“休眠碳”。这就形成一个简单“碳循环”过程。

碳元素在地球中的循环路径和量级(红色部分为人类影响下的排放部分,黄色为自然界的碳循环通量,白色数字表示储存的碳,单位十亿吨碳元素)(图片来源:参考文献1)

在以万年为单位的地球演变中,99.9%以上的碳元素变成了碳酸盐、煤炭、石油、天然气等物质,深埋地下或海中,进入了“休眠”状态,不再参与循环。

然而,随着社会的不断发展,人类对化石燃料的需求与日俱增,深眠在岩石圈的“休眠碳”被大量采掘和利用,重新进入了大气循环,变成了“流动碳”。自1965年以来,全球GDP的增长与二氧化碳的排放趋势高度一致,可以看出,化石能源的消耗推动了人类社会的发展。

二氧化碳排放量与GDP增长曲线(图片来源:参考文献2)

然而,随着化石燃料的加速开采,大气温室气体浓度持续上升,从1985年至2020年,大气内二氧化碳的浓度从345ppm增加到了412ppm(注:ppm,百万分之一),增加了20%,年复合增长率高达0.51%。

温室气体浓度升高促使温度显著上升。根据世界气象组织的数据,2020年的全球平均温度比1850~1900年年均温度基准高1.2±0.1°C,全球平均海平面上升率达到3.3±0.3mm/year。

温度上升提高了海洋的蒸发量,大量水被输入大气,导致陆地局部地区短时间内降雨量突然升高,绵延不绝的郑州暴雨即是典例。温室效应的加剧降低了环境的稳定性,极端天气的出现更加频繁,“百年、千年难遇”的天气逐渐增多。

全球工业革命均温差,以1850~1900年均温为基础(单位℃)(图片来源:参考文献2)

要避免情况继续恶化,人类必须同心协力降低“流动碳”的含量。目前主要有两种路径:第一,降低碳排放,从源头上减少“流动碳”;第二,捕获、利用和储存更多的“流动碳”,使其被消耗回收。而后者即是指CCUS技术。

什么是CCUS:碳捕集、利用与封存技术

碳捕集、利用与封存技术(CCUS)的整个环节可以简单总结为四个字:收,运,储,用。

“收”是指二氧化碳捕集,是将二氧化碳从工业生产、能源利用或大气中分离出来,以备后续处理的过程。主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧、化学链捕集和直接从大气中捕集(DACCS)。

“运”是指二氧化碳输送,是将捕集的二氧化碳通过管道、压缩运输等方式,运送到可利用或可封存场地的过程。

“储”是指二氧化碳封存,是将捕集的二氧化碳注入深部地质储层,使二氧化碳与大气长期隔绝,从而进入“休眠态”。主要的封存方式有陆地封存、海洋封存和碳酸盐化固体封存三种。

“用”是指二氧化碳利用,是通过工程技术手段,对捕集的二氧化碳实现资源化利用的过程。这也是“化碳为宝”的关键一步。

此外,直接利用树木等生物对二氧化碳进行一步到位的固定处理,也被纳入CCUS技术的框架下,单列为生物质利用过程(BECCS),区别于其他人工技术。

总体上来说,CCUS技术能够将二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来,直接加以利用或注入地层,将碳“资源化”或“休眠化”,从而实现永久减排。

CCUS技术环节流程示意(图片来源:参考文献3)

“化碳为宝”:二氧化碳能怎么用?

通过CCUS技术捕集的二氧化碳,如果全部填埋到地下、深海,可能造成资源的浪费,能不能想想办法把它用起来?又要怎么做呢?

根据工程技术手段的不同,“用”这一步可以分为地质利用、化工利用和生物利用。

地质利用方面,中国的二氧化碳地质利用和封存项目以提高石油采收率(二氧化碳强化采油,CO2-EOR)为主,主要围绕几个油气盆地开展,包括东北松辽盆地、华北渤海湾盆地、西北鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地;与此同时,还有二氧化碳驱替煤层气(CO2-ECBM)技术,用于提高煤层气采收。

二氧化碳强化采油,CO2-EOR(图片来源:参考文献4)

化工利用方面,应用场景则十分多样化,比如:注入啤酒、碳酸饮料;制成干冰用于食品等的冷藏运输;二氧化碳超临界萃取;合成有机小分子等精细化学品或尿素、碳酸盐等常用化学品;二氧化碳合成制塑料;催化制甲醇、烯烃、合成气;钢渣、磷石膏矿化利用等许多用途。

生物利用方面,就地球的整体碳循环过程而言,通过生物的方法固定并转化二氧化碳是地球上最符合自然规律的利用方式,二氧化碳可以用来养殖生长周期短的植物或藻类以生产生物燃料。目前主要是利用微藻等生物进行二氧化碳固定,转化为生物燃料和化学品,可进一步处理为生物肥料、食品添加剂等。

与此同时,由于微藻能够利用生活及工农业废水作为氮、磷和其它营养物的来源,因此可以实现废水处理、二氧化碳固定和生物燃料合成三种过程的耦合,从而使过程的经济效益和环境效益最大。

中国的CCUS技术全景图(图片来源:参考文献3)

CCUS技术助力低碳生活

在我国的“碳中和”之路中,CCUS技术能起到什么样的作用呢?或者说,通过CCUS技术的应用,期望达到什么样的目标?

国际能源署数据显示,预计到2050年,CCUS将贡献全世界约14%的二氧化碳减排量。这是什么概念呢,我们来看几个数字:

全球碳排放总量:2020年为322.8亿吨;

中国碳排放总量:2020年为98.94亿吨。

按照CCUS技术贡献14%的减排量来看,全球一年可以减排45亿吨,约等于中国的一半排放量;中国一年可以减排14亿吨,接近中国整个钢铁行业的总排放量。

2025-2060年各行业CCUS二氧化碳减排需求潜力(图片来源:参考文献3)

也许某一天,我们将用CO2-ECBM技术供给的天然气将天然气炉点燃,用CCUS技术供给的干冰冷藏食品,喝着DACCS技术制作的罐装啤酒可乐,真正将低碳融入日常生活。到那时,你会发现CCUS其实离你我并不远。

参考文献:

(1)Wikipedia-ZH,碳循环.

(2)王荆杰. 全球碳排放权交易市场的发展之路[N]. 期货日报,2021-07-21(003).

(3)中华人民共和国生态环境部,2021年中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告.

(4)National Research Council,Division on Earth and Life Studies,Board on Earth Sciences and Resources,Committee on Seismology and Geodynamics,Committee on Geological and Geotechnical Engineering,Committee on Earth Resources,Committee on Induced Seismicity Potential in Energy Technologies. Induced Seismicity Potential in Energy Technologies[M].National Academies Press:2013-09-14.


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