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    捕獲二氧化碳!低碳生活的“點石成金術”

    發布日期:2021-09-09 10:55:26   訪問次數:  來源:

    2021年8月23日,第31個全國節能宣傳周正式拉開了帷幕。在本屆節能宣傳周上,“碳”這一概念穩居C位,不僅“節能降碳,綠色發展”被選作宣傳主題,“碳達峰”、“碳中和”、“碳交易”、“碳固定”等概念也被多次提及。

      當前,我國不斷完善綠色低碳政策和市場體系,力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。實現碳中和目標,一方面需要人們踐行綠色低碳的生活方式,減少碳排放;另一方面,還需要運用工程技術手段,合理處置已排放的碳。

      2021年6月17日,國家發改委發布了《國家發展改革委辦公廳關于請報送二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)項目有關情況的通知》,點名CCUS技術為“碳回收”這一環節的關鍵技術。此文件一出,在學界與工業界內都掀起了不小的波瀾。

      那么,究竟什么是CCUS技術?怎么利用CCUS技術?它對于“碳中和”又有哪些幫助呢?

      被循環的碳的“一生”

      CCUS,全稱Carbon Capture, Utilization and Storage,意為碳捕集、利用與封存技術,為了理解這一技術的意義,我們不妨先來看看碳的“一生”是如何度過的。

      如同地球上的水以氣態、液態和固態的形式,在陸地、海洋和大氣間不斷循環一樣,地球上的碳元素也不斷地在生物圈、巖石圈、水圈及大氣圈中交換,并隨地球的運動循環不止。

      碳是一種常見卻奇妙的元素,它們通過彼此鏈接,可以構成各種有機物,進而演化出豐富的生命體。生物活動與繁衍生息的過程,也時刻伴隨著碳的代謝循環過程。

      由于地球上很少發生元素的轉變,因此地球上的碳基本上是守恒的。任何涉及碳的物理及化學過程都必須從一處取得碳,并在過程后轉移到另一處。

      上古時期,伴隨著未開化的人類首次在木頭上點燃文明的火種,二氧化碳排出。隨后的某個時刻,這些二氧化碳被一片森林吸收,變成了森林木材的一部分。這些木材中的碳,或被燃燒重新進入大氣,繼續參與流動過程,成為“流動碳”;或被埋葬在地底逐漸碳化為化石燃料,進入巖石圈,成為“休眠碳”。這就形成一個簡單“碳循環”過程。

      碳元素在地球中的循環路徑和量級(紅色部分為人類影響下的排放部分,黃色為自然界的碳循環通量,白色數字表示儲存的碳,單位十億噸碳元素)

     ?。▓D片來源:參考文獻1)

      在以萬年為單位的地球演變中,99.9%以上的碳元素變成了碳酸鹽、煤炭、石油、天然氣等物質,深埋地下或海中,進入了“休眠”狀態,不再參與循環。

      然而,隨著社會的不斷發展,人類對化石燃料的需求與日俱增,深眠在巖石圈的“休眠碳”被大量采掘和利用,重新進入了大氣循環,變成了“流動碳”。自1965年以來,全球GDP的增長與二氧化碳的排放趨勢高度一致,可以看出,化石能源的消耗推動了人類社會的發展。

      二氧化碳排放量與GDP增長曲線(圖片來源:參考文獻2)

      然而,隨著化石燃料的加速開采,大氣溫室氣體濃度持續上升,從1985年至2020年,大氣內二氧化碳的濃度從345ppm增加到了412ppm(注:ppm,百萬分之一),增加了20%,年復合增長率高達0.51%。

      溫室氣體濃度升高促使溫度顯著上升。根據世界氣象組織的數據,2020年的全球平均溫度比1850~1900年年均溫度基準高1.2±0.1°C,全球平均海平面上升率達到3.3±0.3mm/year。

      溫度上升提高了海洋的蒸發量,大量水被輸入大氣,導致陸地局部地區短時間內降雨量突然升高,綿延不絕的鄭州暴雨即是典例。溫室效應的加劇降低了環境的穩定性,極端天氣的出現更加頻繁,“百年、千年難遇”的天氣逐漸增多。

      全球工業革命均溫差,以1850~1900年均溫為基礎(單位℃)

     ?。▓D片來源:參考文獻2)

      要避免情況繼續惡化,人類必須同心協力降低“流動碳”的含量。目前主要有兩種路徑:第一,降低碳排放,從源頭上減少“流動碳”;第二,捕獲、利用和儲存更多的“流動碳”,使其被消耗回收。而后者即是指CCUS技術。

      什么是CCUS:碳捕集、利用與封存技術

      碳捕集、利用與封存技術(CCUS)的整個環節可以簡單總結為四個字:收,運,儲,用。

      “收”是指二氧化碳捕集,是將二氧化碳從工業生產、能源利用或大氣中分離出來,以備后續處理的過程。主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒、化學鏈捕集和直接從大氣中捕集(DACCS)。

      “運”是指二氧化碳輸送,是將捕集的二氧化碳通過管道、壓縮運輸等方式,運送到可利用或可封存場地的過程。

      “儲”是指二氧化碳封存,是將捕集的二氧化碳注入深部地質儲層,使二氧化碳與大氣長期隔絕,從而進入“休眠態”。主要的封存方式有陸地封存、海洋封存和碳酸鹽化固體封存三種。

      “用”是指二氧化碳利用,是通過工程技術手段,對捕集的二氧化碳實現資源化利用的過程。這也是“化碳為寶”的關鍵一步。

      此外,直接利用樹木等生物對二氧化碳進行一步到位的固定處理,也被納入CCUS技術的框架下,單列為生物質利用過程(BECCS),區別于其他人工技術。

      總體上來說,CCUS技術能夠將二氧化碳從工業過程、能源利用或大氣中分離出來,直接加以利用或注入地層,將碳“資源化”或“休眠化”,從而實現永久減排。

      CCUS技術環節流程示意(圖片來源:參考文獻3)

      “化碳為寶”:二氧化碳能怎么用?

      通過CCUS技術捕集的二氧化碳,如果全部填埋到地下、深海,可能造成資源的浪費,能不能想想辦法把它用起來?又要怎么做呢?

      根據工程技術手段的不同,“用”這一步可以分為地質利用、化工利用生物利用。

      地質利用方面,中國的二氧化碳地質利用和封存項目以提高石油采收率(二氧化碳強化采油,CO2-EOR)為主,主要圍繞幾個油氣盆地開展,包括東北松遼盆地、華北渤海灣盆地、西北鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地;與此同時,還有二氧化碳驅替煤層氣(CO2-ECBM)技術,用于提高煤層氣采收。

      二氧化碳強化采油,CO2-EOR(圖片來源:參考文獻4)

      化工利用方面,應用場景則十分多樣化,比如:注入啤酒、碳酸飲料;制成干冰用于食品等的冷藏運輸;二氧化碳超臨界萃??;合成有機小分子等精細化學品或尿素、碳酸鹽等常用化學品;二氧化碳合成制塑料;催化制甲醇、烯烴、合成氣;鋼渣、磷石膏礦化利用等許多用途。

      生物利用方面,就地球的整體碳循環過程而言,通過生物的方法固定并轉化二氧化碳是地球上最符合自然規律的利用方式,二氧化碳可以用來養殖生長周期短的植物或藻類以生產生物燃料。目前主要是利用微藻等生物進行二氧化碳固定,轉化為生物燃料和化學品,可進一步處理為生物肥料、食品添加劑等。

      與此同時,由于微藻能夠利用生活及工農業廢水作為氮、磷和其它營養物的來源,因此可以實現廢水處理、二氧化碳固定和生物燃料合成三種過程的耦合,從而使過程的經濟效益和環境效益最大。

      中國的CCUS技術全景圖(圖片來源:參考文獻3)

      CCUS技術助力低碳生活

      在我國的“碳中和”之路中,CCUS技術能起到什么樣的作用呢?或者說,通過CCUS技術的應用,期望達到什么樣的目標?

      國際能源署數據顯示,預計到2050年,CCUS將貢獻全世界約14%的二氧化碳減排量。這是什么概念呢,我們來看幾個數字:

      全球碳排放總量:2020年為322.8億噸;

      中國碳排放總量:2020年為98.94億噸。

      按照CCUS技術貢獻14%的減排量來看,全球一年可以減排45億噸,約等于中國的一半排放量;中國一年可以減排14億噸,接近中國整個鋼鐵行業的總排放量。

      2025-2060年各行業CCUS二氧化碳減排需求潛力(圖片來源:參考文獻3)

      也許某一天,我們將用CO2-ECBM技術供給的天然氣將天然氣爐點燃,用CCUS技術供給的干冰冷藏食品,喝著DACCS技術制作的罐裝啤酒可樂,真正將低碳融入日常生活。到那時,你會發現CCUS其實離你我并不遠。

      參考文獻:

     ?。?)Wikipedia-ZH,碳循環.

     ?。?)王荊杰.全球碳排放權交易市場的發展之路[N].期貨日報,2021-07-21(003).

     ?。?)中華人民共和國生態環境部,2021年中國二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報告.

     ?。?)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.

    由科普中國重新排版編輯

    內容來自:科普中國移動端融合創作


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