控制CO2排放的途徑及展望

常慧亮，佟天宇

（1.盤錦浩業化工有限公司，遼寧盤錦124000；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430010）

自中國在2020年9月22日的第75屆聯合國大會上，提出了2030年前力爭CO2排放達到峰值（即“碳達峰”）、2060年前力爭實現“碳中和”的“雙碳”目標后，關于如何控制國內CO2的排放量，成為當前科研工作者最為關注的問題［1］。CO2是可于大氣層中長期存在的溫室氣體的主要成分，會導致全球變暖、極端天氣環境等問題，已經越來越威脅到人類的生存環境［2］。因此，減緩全球溫室效應的根本就在于降低大氣中CO2的濃度。

1 國內CO2的主要來源

所謂的溫室氣體是指大氣層中能夠吸收地面反射的太陽輻射，并重新向地面發射輻射進而導致地球表面溫度升高的氣體。適量的溫室氣體可以保證地球生物適宜的生存溫度，但是過量的溫室氣體卻將會導致全球性的溫度升高、海平面上升、土地沙漠化等極端環境問題。溫室氣體包括多種氣體，《聯合國氣候框架的京都協定書》中規定了6種限排的溫室氣體，分別為CO2、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化合物（HFCS）、全氟碳化合物（PFCS）和六氟化硫（SF6）。

根據世界資源研究所（World Re-sources Institute，WRI）發布的最新數據，2018年中國各類活動排放的溫室氣體總量約123.5×108t，如若將土地利用變化和林業碳匯的負碳排放綜合起來，則總排放量約117.1×108t［3］。

國內溫室氣體排放結構見圖1。

圖1 中國溫室氣體排放結構

根據圖1，在總的溫室氣體排放中，國內能源活動排放的溫室氣體比重為83.5%，其次是工業過程排放和農業活動排放，排放量占比分別為9.4%和5.4%，廢棄物管理設施排放占比為1.6%。國內溫室氣體來源詳細劃分見圖2。

圖2 中國溫室氣體來源詳細劃分

根據圖2，對能源活動進行詳細劃分，電力和熱力部門能源使用產生的溫室氣體排放量最大，占總排放量的42.2%，其次是制造業和建筑業用能排放，占總排放量的21.6%，最后是交通用能、燃料逃逸、建筑物用能以及其它燃料（非化石能源）的使用，其溫室氣體排放量占總排放量分別為7.4%、5.6%、4.4%和2.3%，進一步來說能源活動（主要是化石燃料的燃燒和燃料逃逸）在國內溫室氣體排放中占主導位置。

從中國的能源結構上來說如圖3所示，2018年能源消費活動溫室氣體排放總量為93.1×108t，煤炭能源的使用是國內溫室氣體排放的主要來源，排放量為66.86×108t，占國內能源消費活動溫室氣體總排放量的71.81%，其次是石油和天然氣能源的使用，排放量分別為19×108t、7.22×108t，占國內能源消費活動溫室氣體排放總量的20.42%和7.75%，其它非化石能源的使用排放量為0.02×108t，占國內能源消費活動溫室氣體排放總量不到0.1%。因此，國內溫室氣體主要來源便是化石能源的使用［4］。國內溫室氣體結構見圖3。

圖3 中國能源結構角度的溫室氣體結構

在全球的溫室氣體結構中，CO2比重達77%左右，是溫室氣體的主要成分，因此如何控制CO2排放對于“碳達峰”和“碳中和”來說是首要任務。根據WRI的研究報告和國內各類活動溫室氣體排放情況上來說，農業活動只排放了2種溫室氣體CH4和N2O，土地利用變化和林業則排放了負值的CO2和少量的CH4，從主要關注如何控制CO2排放量的角度來說，土地利用變化和林業具有消耗CO2的作用，農業活動排放CO2計為0，因此國內CO2主要來源于能源活動、工業生產過程和廢棄物處理［5］。

能源活動是指能源生產和能源消費的活動，能源生產是指能源資源的開采、加工和轉換過程，在能源活動中化石燃料的燃燒是CO2主要來源；工業生產過程CO2排放是指工業生產中除去能源活動部分的CO2排放，主要包括鋼鐵行業、有色金屬行業、建材行業和化工行業，更為細致來說最主要的便是水泥行業、鋼鐵行業和合成氨工業；焚燒處理是城市固體廢棄物處理釋放CO2的來源，固體廢棄物（如塑料、紡織物、橡膠等）中的礦物碳在焚化過程中氧化生成CO2，且廢棄物中碳的比重決定了CO2排放量。

2012年在中國公布的溫室氣體清單中，能源活動排放的量為86.88×108t，占國內CO2排放總量的87.82%左右，工業生產過程CO2排放量為11.93×108t，占國內CO2排放總量的12.06%左右，廢棄物處理CO2排放量為0.12×108t，約占國內CO2排放總量的0.12%，在不計算土地利用變化和林業消耗的CO2前提下，中國排放的CO2總量達98.93×108t，溫室氣體排放總量118.96×108t［6］。國內CO2主要排放來源見圖4。

圖4 中國CO2排放來源

2 控制CO2排放的途徑

與國外實施的CO2的捕集與儲存碳減排策略（CCS）不同，中國實施的是CO2的捕集、利用與儲存策略（CCUS），增加了CO2資源化利用策略。以此為依據，控制CO2排放的途徑包括化石能源的替代、CO2的捕集、CO2的封存、CO2的資源化利用等。

2.1 化石能源的替代

化石能源包括煤、石油、天然氣，是不可再生的1次能源，也是國內大氣中CO2的主要來源。在中國許多行業和部門諸如電熱部門、交通、工業等，都依附于化石能源燃燒產生的熱能和電能來維持正常的生產和運轉。如果能夠用其它綠色能源（溫室氣體和污染物零排放或排放極少的能源，如新能源和可再生能源）部分或全部替代化石能源，則能夠大幅度的控制我國CO2的排放量。近幾年發展起來的以風能、太陽能、核能等新能源為依托的綠電、綠氫和儲能技術等，有些已經逐漸地替代了部分化石能源，在控制國內大氣中CO2排放量中起到了重要作用。

2.1.1 綠電技術綠電是指在生產電力的過程中CO2排放量為0或趨近于0，中國主要以太陽能及風能為主。

據統計，2019年國內采用可再生能源發電總量為1.9×1012kW·h，其中水電為1.2×1012kW·h、風電為3 660×108kW·h、光電為1 775×108kW·h，通過分布式電源接入電網中以供使用，且相比之下能源利用效率較高、CO2排放量較低［7］；2020年國內光伏新增裝機規模達4 000×104kW［8］，雖然綠電技術已經得到很好的實施，但是綠電卻因供電穩定性不好、價格較高等問題，在企業推廣中很難進行。

2.1.2 綠氫技術氫氣（H2）因具有無毒、燃燒性能好、熱值高于汽油，且燃燒產物為水，不產生CO2和污染物等優點，在建立清潔低碳、安全高效的能源體系和低碳綠色發展轉型路徑中，被寄予厚望［9］。

根據生產H2特點，可將H2分為灰氫、藍氫和綠氫等3類。灰氫是指主要以化石燃料制取的H2，生產成本低但CO2釋放量較高；藍氫是在灰氫生產的過程中，增加了碳捕集和存儲技術等碳減排技術所制取的H2，生產成本提高但CO2釋放量減低；綠氫則是采用清潔能源制取的H2，生產成本高但生產過程沒有CO2釋放。

由于企業效益問題，目前工業上主要采用化石燃料來制取H2，也就是灰氫。當前，制氫面臨的挑戰是如何用綠氫或藍氫的技術來替代灰氫，綠氫將是未來制氫工業的最終目標［10］。現今處于研發階段的綠氫制備技術包括可再生電力電解水制氫、太陽能光解水制氫、生物質制氫和核能制氫等，且當前中國的綠氫制備技術與國際最先進水平還有一定差距，仍然需要國內加大綠氫技術的研發投入，加大關鍵設備技術突破，對綠氫產業的重點應用領域進行重點研究［11］。

2.1.3 儲能技術儲能技術是指使用一定的介質或裝置，將某1種能量形式（典型的包括電能、熱能、機械能、化學能等）以另1種能量形式儲備起來，并在其需要時以特定的能量形式釋放的技術，常見儲能介質如煤、石油、天然氣、氫能、成品油等，常見的能量儲存形式如電能、熱能、化學能等［12］。

優良的儲能技術在清潔能源開發利用以及能源供給中起著不可或缺的作用。根據儲能過程中是否存在化學變化，將其分為化學儲能和物理儲能等，其中物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、顯熱儲能、潛熱儲能、超級電容儲能等［13，14］，化學儲能主要包括電池儲能技術、氫氣儲能、天然氣儲能和氨儲能等。若根據儲存的能量形式，則儲能又可以分為儲電儲能、儲熱儲能及化學類儲能等。如鋰離子電池的研發與應用，研發出具有高能量密度的鋰離子電池并用電池部分或全部代替傳統的汽油或柴油，開發出純電動車或油電混合動力車，可大量減少汽柴油燃燒產生的CO2，同時也減少了汽車尾氣的排放，即能很好的控制碳排放又能減少環境的污染；又如合成氨工業，現今對于氨的應用不再局限于制取氮肥，氨因產量大、易于儲存運輸、含氫達17.7%（質量比）、能量密度3 kW·h/kg、分解產物僅為氮氣（N2）和水（H2O）無污染等特點是清潔能源的良好載體，太陽能、風能、海洋能等可再生能源可以通過參與氨合成過程將其中的部分能量儲存到氨中，然后用戶可以將氨進行分解或轉化等，進而將氨的能量以電、熱或H2的形式釋放并使用［15，16］。研究表明，氨也可以部分替代化石能源使用，但氨合成過程的高能耗、高成本仍是合成氨工業的核心問題。

2.2 CO2捕集技術

CO2的捕集是指將化石能源使用過程中釋放的CO2，通過一定的方法或手段使其分離、提濃的過程［17］。利用CO2捕集技術是實現控制大氣中CO2含量、化石能源高效清潔的使用以及CO2資源化利用的重要手段和前提［18］。

2.2.1 根據過程特點分類根據CO2的捕集過程特點可將其分為燃燒前捕集技術、燃燒后捕集技術、富氧燃燒技術和空氣直接捕集技術［6］，前3種CO2捕集技術是當前煤電行業最常使用的CO2捕集方法。燃燒前捕集技術是指將化石燃料中的含碳組分在燃燒前分離出來，方法為即先將化石燃料與O2、水蒸氣在氣化爐內反應，生成以H2和CO為主的水煤氣，再經過變換流程使CO轉換為CO2，最后對CO2進行捕集；燃燒后捕集技術是指將化石能源燃燒后，再從其燃燒的煙氣中分離、富集CO2的過程，此方法是相對來說技術較為成熟和應用比較廣泛的方法；富氧燃燒技術是指使用高純度O2（純度為95%～99%）代替空氣與化石燃料進行燃燒，然后生成主要成分為水蒸氣和CO2的煙氣，最后對煙氣中的CO2進行富集；CO2空氣直接捕集技術，即直接將CO2從大氣中捕獲的技術，其實質的便是利用植被、藻類等的光合作用去直接去吸收空氣中的CO2，近幾年，中國將增加森林蓄積量作為重要的減碳戰略方案。

2.2.2 根據原理分類根據CO2捕集原理，可以其分為溶劑吸收法、物理吸附法、膜分離法、低溫分離法、金屬氧化物法、水合物法、生物捕集等［18～21］。

溶劑吸收法是指利用溶劑對CO2的溶解性或者溶劑與CO2之間發生化學反應來吸收混合氣體中CO2的方法，如利用有機胺與CO2發生化學反應的碳捕集工藝是工業化應用最多且最為成熟的工藝［22］，中國石化勝利電廠4×104t/a碳捕集項目使用的便是胺吸收劑技術［23］。

物理吸收法是指利用多孔介質對CO2的選擇吸附性來分離混合氣體中的CO2，常見的多孔介質包括活性炭、沸石、分子篩等。

膜分離法是指利用特定材料制成的薄膜對CO2和其它的氣體滲透性不同的特點進行分離、富集CO2的方法［24］，當前研究最為廣泛的CO2分離膜是聚乙烯醇（PVA）膜。

低溫分離法是1種利用CO2混合氣體中各組分沸點的不同，分離液態CO2混合氣、富集CO2的方法，目前該方法還處于研究階段并未投入到實際應用中。

金屬氧化物法是1種利用酸性CO2氣體與堿性氧化物反應的方法。

水合物法是利用2元及多元氣體生成水合物時的相平衡差距，使較易形成氣體水合物的氣體進入水相中，難形成氣體水合物的氣體則保留在氣相中，從而實現捕集高濃度CO2的方法。

生物捕集是利用植物和藻類等的光合作用，該方法是最主要和最有效的CO2捕集和固定的方式，其中海洋微藻經過一定的誘導手段，能夠在太陽能驅動下合成極具經濟效益的高濃度化合物，在作為未來醫藥品、保健品和化工原料方面上潛力巨大［25］。

2.3 CO2的封存

CO2封存技術是國內外應對全球溫室效應、減少大氣中CO2含量的重要技術手段，其方法是將捕集的CO2依次經過釋放、液化等工藝后通過管道、交通或其它輸送方式，送往海底或地下等的封閉構造中，實現其與大氣的長期隔絕或永久性封存，減少或阻止CO2重新進入大氣層［26］。當前，CO2封存技術常見的有地質封存、海洋封存和礦物封存（礦石碳化）等。

2.3.1 地質封存地質封存主要是通過管道將捕集得到的高濃度CO2注入到地下深層比較封閉的、滲透性良好的地質結構中，使CO2充分的分散并儲存到深密巖石層的孔隙中。依據封存原理和儲層的不同，地質封存可分為枯竭氣藏封存、枯竭油藏封存、注CO2驅油提高采收率（CO2-EOR）、深部鹽水層封存、深部不可開采煤層封存、注CO2驅煤層氣提高采收率（CO2-ECBM）以及地下的其它地質結構如玄武巖等的封存。當前，最有效且最經濟的永久性CO2封存技術便是地質封存。

2.3.2 海洋封存海洋封存是指將CO2注入到距海平面1 km以下的深海層，以實現CO2與大氣的長期隔絕的目的。CO2海上封存與地質封存一樣，也需要經歷CO2捕集純化、運輸、注入等程序，其中海上輸送可以通過船舶輸送或者海底管道運輸送來實現。根據封存原理，可以將海上封存分為海洋水柱封存、海洋沉積物封存、CO2置換天然氣水合物封存和海洋增肥封存等［27］。

值得關注的是，在大量CO2注入海洋深層之后會對海體性質造成不同程度的影響，最明顯的是會增大海水酸性，導致海洋生物等海洋生態系統不同程度的破害。研究人員對于海洋封存技術的研究也只是處在試驗階段，無法深入研究海洋系統的某些關鍵因素，但同時海洋廣大的面積也為CO2的封存提供了巨大空間。因此，CO2的海上封存方法潛力巨大，還需要進一步的探索研究。

2.3.3 礦物封存礦物封存模擬了自然界鈣鎂硅酸鹽的風化過程，即利用富含Ca、Mg等元素的天然礦物或工業廢棄物與CO2反應生成穩定的碳酸鹽產物，從而得到性質穩定的碳酸鹽，達到永久且高效封存CO2的目的［28］。

劉松輝［29］等利用硅酸鈣礦物與CO2的碳化反應合成了2Ca·SiO2礦物碳化產物，并探究了Na+對2Ca·SiO2碳化產物的影響，探索了可溶性Na+被固化的可能性，結果表明：Na+只影響2Ca·SiO2礦物碳化產物的結構，不影響其碳化程度。目前礦物封存還在進一步的研究中，如何提高反應速率和降低能耗是業界研究的重點。

2.4 CO2的資源化利用

CO2的資源化利用，是中國所采取的CCUS戰略中與國外所采取的CCS戰略不同的地方。CO2作為全球碳循環的必要物質和豐富的一碳資源，施行CO2資源化策略，將CO2轉變成高附加值的產品不但能夠減少大氣中的CO2，還能夠帶來可觀的經濟效益［30］。

2021年3月，全國政協委員朱建民提出了將CO2資源化利用納入“十四五”規劃的建議，說明CO2資源化利用在中國已經顯示出越來越重要的科技和經濟價值［31］。當前，根據CO2的利用特點，將CO2的資源化利用主要分為生物利用、物理利用和化學利用等。

2.4.1 CO2的生物利用CO2的生物利用主要是指以氣態CO2做為肥料，通過促進農作物的光合作用來促進農作物的生長發育和增加產量。

2.4.2 CO2的物理利用CO2的物理利用主要是依據于CO2的特殊物理化學性質將其應用于生產生活中，很少涉及到CO2的化學變化。如根據CO2化學性質穩定、密度大于空氣、不支持燃燒等性質，常將CO2作為切割、焊接金屬的惰性保護氣和滅火材料；依據CO2無毒、液態CO2氣化吸熱等性質用于陳列冷柜冷卻劑、食品保鮮、食品保護氣、碳酸飲料制備等；依據干冰（固態CO2）升華吸熱的性質用于人工降雨、舞臺煙霧制造等。從2014年中國CO2消費結構看，國內CO2最主要的應用在于焊接與切割、飲料以及食品行業［32］。

2.4.3 CO2的化學利用CO2的化學利用主要是以CO2為原料，通過化學反應生產具有高附加值的產品，也是CO2資源化利用未來重要的發展方向。

當前，CO2的化學利用主要包括合成尿素、水楊酸、純堿、小蘇打等無機化工產品，加氫合成有機化合物如甲醇、甲酸、乙酸、碳酸二甲酯［33］等；

催化合成高分子聚合物如中科院長春應化所研發且已經投產的CO2基降解塑料產品［34］；

利用礦石碳化技術生產高性能建筑材料［35］；

利用生物轉化生產高附加值產品，如宋春風團隊［20］提出的新工藝創造性地將化學吸收法和微藻固定法結合起來，使微藻固碳率提高到了60%～80%，并生產出多糖、色素、油脂等具有高附加值的有機物，可廣泛應用于食品、保健品、美妝等領域，且該工藝已經在內蒙古固碳示范工程上得到了施行，年固碳量高達1×104t。

3 控制CO2排放的建議

“十三五”（2016～2020年）規劃期間，中國在控制CO2排放量上采取了一系列政策措施，包括推進碳交易市場的建設、施行環境保護稅政策、開發利用清潔能源、加大相關技術研發投入、增加森林蓄積量等，盡管在控制CO2排放量上取得了很大的進步，但還是需要重點關注以下方面。

3.1 清潔能源的開發利用

清潔能源的開發和利用打破了國內傳統的以煤、石油、天然氣等為主的能源使用結構，進而間接的影響著國內以化石能源為主的產業結構，促使中國迎來1個產業結構深度變革的時代。如電力部門是國內CO2排放量最大的來源，但隨著光伏發電、風能發電、水力發電、核電等綠電技術的發展，在有效減少大氣中CO2含量的同時也會慢慢淘汰傳統的煤電技術。

因煤電具備良好的供電穩定性和價格優勢，國內仍主要依賴于煤電，在未來隨著煤電逐步被綠電所替代，電力部門也將迎來產業結構的深度變革，同時國內的CO2排放量也將大幅度減少。清潔能源的開發和利用是控制CO2排放的有效途徑和必然趨勢。

3.2 支持CO2資源化利用技術研發和項目建設

現今，中國CO2資源化利用正處于初始階段，很難滿足未來低碳發展的迫切需求。

在“雙碳”背景下，實行CO2資源化利用不僅可以實現碳減排，還可以合成多種工業產品，帶來一定的經濟效益，在未來控制CO2排放上具有良好前景。當前許多研究還停滯在實驗室階段，缺乏實際應用研究。

支持CO2資源化利用的技術研發和項目建設，重點在于應加大技術研發的投入以促進新技術的開發利用、加強企業和研發部門的合作以促進技術成果轉化和關注市場動向以促進產業成果經濟化等，目的便是為了實現CO2資源化利用的生產工藝清潔、生產技術工業化等。隨著新技術的不斷研發，其最終目標將是實現環境友好型的可持續的綠色發展。

3.3 促進工業新技術的研發和產業結構轉型升級

化工企業、金屬冶煉等行業長期以來的高消耗、高污染和低產率等問題以及能源結構的轉變，勢必會推動國內產業結構的轉型升級，而工業新技術的研發和應用是關鍵。

新技術包括3種類型。

（1）是以促進能源高效利用、降低能耗和提升產品收率為主的工業生產新技術；

（2）是以改變產品結構為主的工業生產新技術，例如隨著能源結構的轉變，石油煉化企業以燃料油為主的產品結構逐漸轉變為以生產基礎化工原料或高附加值化工產品為主的產品結構；

（3）是利用清潔能源進行工業生產的新技術。

所述的產業結構轉型升級也分為3種。（1）是將原來的以化石能源為主高能耗、高污染、低收率的產業生產升級為低能耗、低污染和高收率的產業結構，如南京延長技術反應研究院提出的微界面強化反應技術，此項技術從根本上大幅度的降低了能耗物耗、成倍提升了生產過程效率、安全環保性能得到本質改善，且與多家大型國有企業建立了深度研發和產業化合作［36］；（2）是產品結構轉變的產業轉型；（3）是將原來的以化石能源為主的產業轉型升級為以清潔能源為主的產業結構。

未來的“碳中和”將是科技創新的競爭，社會經濟的發展也將從資源依賴型發展為技術依賴型［37］，所以協調各方面力量促進工業生產新技術的研發和產業結構的轉型升級具有重要意義。

3.4 相關政策支持和相關資源的協調配合

面對全國化的CO2排放過量問題，想要將此問題有效解決、碳減排工作有序開展，便離不開政府的宏觀調配和各項資源的協調配合。政府的宏觀調配主要體現在各項相關政策的支持，而各項資源的協調配合也需要相關政策的支持。因此，政府政策的支持和相關資源協調配合，是實現中國“雙碳”目標全過程中必需的條件。

4 結束語

從1992年聯合國大會通過了《聯合國氣候變化公約》開始，到1997年161個國家簽署《京都協議書》，到2015年《巴黎協定》的達成，再到2020年9月中國“雙碳”目標的提出，研究人員一直致力于限制溫室氣體的排放和保證全球氣候穩定的工作中。對于控制碳排放問題，需要各個行業（包括：煤電行業、建筑行業、冶金行業、化工行業等）和各種手段（包括：清潔能源開發利用、CO2的捕集和利用、CO2的封存、林業碳匯等）來綜合解決，不能輕視其中任何部分。當然，對于“雙碳”目標的實現，國內現今正處于時間緊迫、任務重大和經濟增長等關鍵階段，許多行業和領域也處在不斷創新和變革之中。