1. 引言：    随着全球气候变化的加剧，二氧化碳（CO₂）的排放成为全球范围内的严重问题。为了应对这一挑战，科学家们不断努力探索解决方案。其中之一就是二氧化碳封存技术，这一创新技术旨在减少大气中的二氧化碳含量。本文将介绍二氧化碳封存技术的优点和缺点，以及其在应对气候变化中的作用。二氧化碳（CO₂）封存技术，捕集与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等，是一种应对气候变化的方法，旨在减少二氧化碳的排放并将其安全地储存起来，以防止其进入大气层。

      二氧化碳在正常的大气条件下是一种无色、无味的气体。它由动物、真菌和微生物的呼吸产生，并被大多数光合生物用于产生氧气。它也由燃烧煤炭和天然气等化石燃料产生。CO₂是水蒸气之后地球大气层中最丰富的温室气体。它具有捕获热量的能力，有助于调节温度，使地球可居住。然而，人类的活动，如燃烧化石燃料，释放了过多的温室气体。过量的CO₂是全球变暖的主要驱动因素。国际能源机构从全球范围内收集能源数据，估计如果新的二氧化碳封存技术计划得以推进，二氧化碳捕获能力有望达到每年1.3亿吨。

2. 常见的二氧化碳封存技术

    地下封存：这是目前最常用的二氧化碳封存技术。它涉及将二氧化碳气体压缩并注入地下地质层，如深层地层、盐穴、煤层和油气田。在这些地层中，二氧化碳会被吸收并长期地封存在地下，防止其进入大气层。岩石矿化：岩石矿化技术利用化学反应将二氧化碳气体与岩石中的矿物质反应，形成稳定的碳酸盐。这种技术可以通过注入二氧化碳气体到岩石中，或者将二氧化碳与采矿过程中产生的废料反应而形成碳酸盐。3.海洋封存：海洋封存技术涉及将二氧化碳气体注入到海洋深层中，使其溶解在水中形成稳定的溶液。尽管这种技术在理论上可行，但对其环境影响和生态系统影响的研究仍在进行中，并需要严格的监管和规范。4. 二氧化碳利用：除了封存，二氧化碳还可以利用于生产化学品、燃料和其他有价值的产品。CO₂利用技术包括将二氧化碳转化为可再生燃料、化学原料或建筑材料等。这种方法可以减少对化石燃料的依赖，并将二氧化碳转化为有用的产品，实现经济和环境的双重效益。  

3. 二氧化碳捕获途径

     截至2021年，美国、欧洲、澳大利亚、中国、韩国、中东和新西兰计划建设超过30个新的二氧化碳封存设施。碳封存如何工作？在诸如发电厂这样的点源实现碳捕获有三种途径。由于约三分之一的人CO₂排放来自这些电厂，目前有大量的研究和开发工作致力于使这些过程更加高效。每种类型的碳封存系统使用不同的技术手段来实现减少大气中CO₂的目标，但都必须遵循三个基本步骤：碳捕获、运输和储存。碳捕获最常用的碳捕获方法是燃后捕获。在这个过程中，燃料和空气在发电厂中混合，在锅炉中加热水。产生的蒸汽推动涡轮发电。当烟气离开锅炉时，CO₂从烟气的其他成分中分离出来。其中一些成分已经是燃烧所用的空气的一部分，而其他一些是燃烧过程中产生的产物。

    目前有三种主要的方法来从烟气中分离CO₂。在基于溶剂的捕获中，CO₂被吸收到像胺溶液这样的液体载体中。然后，通过加热或降压释放液体中的CO₂。液体可以重复使用，而CO₂则被压缩并冷却成液态，以便进行运输和储存。使用固体吸附剂捕获CO₂涉及到对气体的物理或化学吸附。然后通过降低压力或升高温度将固体吸附剂与CO₂分离。与溶剂捕获类似，固体吸附剂所分离的CO₂也被压缩。

    在基于膜的CO₂捕获中，烟气被冷却和压缩，然后通过由可渗透或半渗透材料制成的膜传递。在真空泵的作用下，烟气通过膜，物理上将CO2与烟气的其他成分分离。燃前CO₂捕获使用碳基燃料与蒸汽和氧气（O₂）反应，生成一种称为合成气的气态燃料。然后使用与燃后捕获相同的方法从合成气中去除CO₂。氧燃烧过程中，从供给燃料燃烧的空气中去除氮气是该过程的第一步。剩下的几乎是纯O₂，用于燃烧燃料。然后使用与燃后捕获相同的方法从烟气中去除CO₂。运输在CO₂被捕获并压缩成液态后，必须将其运输到地下注射场地。这种永久储存或封存将CO₂封存在枯竭的油气田、煤层或盐水层中，以确保安全可靠地封存CO₂。运输通常通过管道进行，但对于较小的项目，也可以使用卡车、火车和船只。储存CO₂储存必须在特定的地质层中进行才能成功。

4. 二氧化碳封存技术优点：

    降低排放源的二氧化碳排放：二氧化碳封存技术能够从能源生产和工业等排放源捕集二氧化碳，并将其永久地储存于地质层。这可以帮助减少工业和能源生产设施排放的二氧化碳，国际能源署估计，二氧化碳封存技术有望减少工业和能源生产设施的总二氧化碳排放量的20%。在排放源处移除二氧化碳更容易：与直接空气捕集等技术相比，从排放源处去除二氧化碳更容易。在某些二氧化碳封存技术中，如预燃烧技术，燃料被处理成含有高浓度二氧化碳的混合物，然后通过反应将其与水分离。这使得二氧化碳更容易与封存过程中的吸附剂发生反应并分离。可同时去除其他污染物：在氧燃烧过程中，高浓度的氧气用于燃烧，可以显著减少氮氧化物（NOx）和二氧化硫等气体的排放。此外，氧燃烧二氧化碳封存技术还可以通过静电除尘器去除氧燃烧产生的颗粒物。降低碳的社会成本：二氧化碳的社会成本是指每年向大气中排放一吨二氧化碳所造成的社会成本和效益的经济价值。通过直接从排放源处移除二氧化碳，可以降低对社会的净损害。

5. 二氧化碳封存技术缺点：

①成本高昂：为了在现有工业和发电厂中配备二氧化碳封存技术，如果没有提供补贴，产品的成本必须增加。一份来自犹他大学研究人员的报告称，实施二氧化碳封存技术可能导致电力成本增加50%到80%。目前，在大多数地方还没有推动或要求使用二氧化碳封存技术的法规政策，因此设备和材料分离二氧化碳、建设输送基础设施以及储存成本可能过高，难以实施。②用于油田注入可能适得其反：目前，二氧化碳封存技术捕获的CO2被用于增强石油采收。在这个过程中，石油公司购买捕获的二氧化碳，将其注入已经开采过的油井中，以释放原本无法到达的石油。当这些石油最终被燃烧时，将会释放更多的二氧化碳到大气中。除非二氧化碳封存技术捕获的CO2量也能够抵消由可开采石油产生的二氧化碳排放，否则二氧化碳封存技术只会导致大气中温室气体的增加。③CO₂的长期储存能力不确定：美国环境保护署估计，不是所有国家都有足够的二氧化碳储存能力来适当实施二氧化碳封存技术。不同储存地点的确切容量计算困难，这意味着全球的二氧化碳储存能力并不确定。麦凯恩理工学院的科学家估计，美国的二氧化碳储存能力至少足够支持未来100年的需求，但对于100年后的时间范围仍存在不确定性。④CO₂的运输和储存地点可能存在危险：尽管CO₂运输期间的事故率相对较低，但仍存在危险泄漏的潜在风险。根据政府间气候变化专门委员会的数据，如果CO₂从管道泄漏，浓度在环境空气中达到7%至10%，可能对人类生命构成立即威胁。

6. 二氧化碳封存技术全球现状

        美国能源部正在研究五种类型的地质层，以确定它们是否是安全、可持续和经济的永久储存CO₂的方法。这些地质层包括无法开采的煤层、油气储层、玄武岩地层、盐水层和有机质丰富的页岩。CO₂必须转化为超临界流体，也就是必须按照特定的规格加热和加压，以便进行储存。这种超临界状态使其占用的空间远小于常温常压下储存的CO₂。然后，通过深层管道注入CO₂，使其被困在岩层中。目前世界各地有几个商业化规模的CO₂储存设施。挪威的Sleipner CO₂储存地点和Weyburn-Midale CO₂项目多年来成功注入了超过100万吨的CO₂。

    欧洲、中国和澳大利亚也在进行着积极的储存工作。碳封存的例子第一个商业化的CO2储存项目于1996年在挪威北海建成。SleipnerCO₂气体处理和捕获装置将CO₂从Sleipner West油田产生的天然气中去除，然后将其注入一个厚约600英尺的砂岩层中。自项目开始以来，已经注入了超过1500万吨的CO₂到Utsira地层中，该地层最终可能能够容纳6000亿吨的CO₂。该站点最近的CO2注入成本约为每吨17美元。在加拿大，科学家估计Weyburn-Midale CO₂监测和储存项目将能够在萨斯喀彻温省的两个油田中储存超过4000万吨的CO₂。每年约有280万吨的CO₂被注入这两个油田。该站点最近的CO₂注入成本为每吨20美元。

7. 结束语

    尽管二氧化碳封存技术具有潜力，但仍存在一些技术和经济上的挑战，其中包括高成本、能源消耗、运输和储存的问题，以及选择适合的地质层和监测封存系统的长期稳定性等。解决这些挑战需要进一步的研究和技术创新。总体而言，二氧化碳封存技术在全球范围内仍处于发展阶段，需要进一步的技术进步、政策支持和投资才能实现大规模应用。然而，随着对气候变化问题的关注不断增加，二氧化碳封存技术有望在未来发挥更重要的作用，因此进一步的研究、创新和政策支持对于推动二氧化碳封存技术的发展和商业化至关重要。

资料来源：What Is Carbon Capture and Storage (CCS)?      作者 Emily Rhode，Updated April 11, 2022