更新时间：2024-09-21 01:27
碳捕集与封存（碳 Capture and Storage，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等），是指将CO2从能源利用、工业过程等排放源或空气中捕集分离，通过罐车、管道、船舶等输送到适宜的场地加以利用或封存最终实现CO2减排的技术手段。
目前这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。2023年5月19日，中国最大碳捕集利用与封存全产业链示范基地宁夏回族自治区300万吨/年CCUS示范项目开工，6月1日，中国首个百万吨级海上碳封存示范工程项目恩平15-1油田碳封存示范工程正式投入使用。
CO2捕集技术指利用吸收、吸附、膜分离、低温分馏、富氧燃烧等方式将不同排放源的CO2进行分离和富集的过程，是CCUS技术发展的基础和前提。
当前主流的CO2捕集方式分为物理、化学和生物层面。化学层面包括化学吸收法、燃烧法；物理层面包括吸附法、膜分离法；生物层面包括植物吸收等。
燃烧法有三种形式：燃烧前捕集（Pre-combustion）、富氧燃烧（Oxy-fuelcombustion）和燃烧后捕集（Post-combustion）。
燃烧前捕集主要运用于IGCC（整体煤气化联合循环）系统中，将煤高压富氧气化变成煤气，再经过水煤气变换后将产生CO2和氢气（H2），气体压力和CO2浓度都很高，将很容易对CO2进行捕集。剩下的H2可以被当作燃料使用。该技术的捕集系统小，能耗低，在效率以及对污染物的控制方面有很大的潜力，因此受到广泛关注。然而，IGCC发电技术仍面临着投资成本太高，可靠性还有待提高等问题。
富氧燃烧采用传统燃煤电站的技术流程，但通过制氧技术，将空气中大比例的氮气（N2）脱除，直接采用高浓度的氧气（O2）与抽回的部分烟气（烟道气）的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的二氧化碳式气枪气体，可以直接进行处理和封存。欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧项目。该技术路线面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗太高，还没找到一种廉价低耗的能动技术。
燃烧后捕集即在燃烧排放的烟气中捕集CO2，如今常用的CO2分离技术主要有化学吸收法（利用酸碱性吸收）和物理吸收法（变温或变压吸附），此外还有膜分离法技术，正处于发展阶段，但却是公认的在能耗和设备紧凑性方面具有非常大潜力的技术。从理论上说，燃烧后捕集技术适用于任何一种火力发电厂。然而，普通烟气的压力小体积大，CO2浓度低，而且含有大量的N2，因此捕集系统庞大，耗费大量的能源。
化学吸收法的主要原理就是利用了CO2酸性气体和其他弱碱性气体进行化学反应，此反应可将空气中的CO2分解为中性物质。该方法的最大优势在于吸收CO2后的最终产物不易挥发、不易腐蚀、没有毒性，人们常用的吸附剂包括碳酸根等物质，和空气的混合程度不会超过50%。
吸附法是指通过弱范德华力 (物理吸附) 或强共价键合力 (化学吸附) 将 CO2 分子选择性地吸收到另一种材料的表面上，从而实现富集CO2的方法。这种能选择性地吸附某种气体分子的材料被称为吸附剂。吸附了 CO2 的吸附剂可根据其吸附机理不同通过不同的手段再生，同时释放出被吸附的CO2，实现循环使用。吸附过程可以通过多种方式实施，最常见的两种是填充床和流化 床：在填充床中，吸附剂被装入塔中，烟气流过被固定的吸附剂颗粒之间的空隙；而在流化床中，烟道气以更高的速度流动，使得吸附剂颗粒悬浮在气流中。相同的是，相对于通过色谱柱的其他成分，吸附剂都选择性地吸附更多的CO2。
膜分离法主要是用某些聚合物以及各种的材料纤维等做出薄膜，利用CO2 在膜两侧的扩散率不同， 在膜分离的驱动过程中产生一定压差，将CO2与其他物质分离出来。
2014 年 R.Ramaraj 等利用天然水介质模拟实验室中的天然水体来用于藻类生长，并展示藻类生物固定 CO2 的潜力。 相关学者 F.G.Acien Fernandez 等和 S.Judd 等研究了藻类光生物反应器（PBRs）在减少二氧化碳和在废水中去除营养物方面的应用。虽然植物吸收法具有很好的可持续性， 但该过程受光合作用影响大， 而且在工厂的集中排放处理上，需要更大的场地和更高的成本，极大地限制了这种方法的应用。
运输成本在CCS技术系统中所占比重相当小，主要有管道运输和罐装运输两种方式，技术上问题不大。 管道运输是一种成熟的技术，也是运输二氧化碳最常用的方法，一次性投资较大，适应性运输距离较远、运输量较大的情况。 罐装运输主要通过铁路或公路进行运输，仅适合短途、小量的运输，大规模使用不具有经济性。
目前中国的罐车和船舶运输技术都已开展商业应用，与国际先进水平同步，而输送潜力最大的管道运输技术刚开展相关示范，相比处于商业应用阶段的国际水平差距显著。
（1）石油和天然气储层
包括采空的油气田和正在开采的油气田。利用采空的油气田封存CO2操作非常简单只需要一眼注入井就可以。利用正在开采的油气田封存CO2主要有2种技术分别是CO2强化采油（CO2—EOR）和CO2强压气体回收（CO2—EGR）。CO2—EOR技术通过向地层注入CO2降低原油黏度达到提高原油采收率的目的。CO2—EGR利用CO2比CH4密度大的特性通过对气田再加压提高天然气产量。
（2）不可开采的煤层（CO2强化煤田甲烷回收（ECBM））。
ECBM技术是将CO2注入比较深的煤层当中置换出含有CH4的煤层气，在这项技术中，CH4回收率达到90％～100％，同时该技术可封存大量的CO2。
（3）深盐沼池构造和深部咸水含水层。
国际上可以将CO2封存于距地表800m以下的盐沼池构造和咸水含水层当中，但是中国目前缺少深盐沼池构造和深咸水含水层地质情况的数据资料目前尚不能实施深盐沼池构造和深咸水含水层封存。
海洋封存是指将二氧化碳通过轮船或管道运输到深海海底进行封存。然而，这种封存办法也许会对环境造成负面的影响，比如过高的CO2含量将杀死深海的生物、使海水酸化等，此外，封存在海底的二氧化碳也有可能会逃逸到大气当中（有研究发现，海底的海水流动到海面需要1600年的时间）。海洋是巨大的 CO2 库。过去200年间人为排放到大气中的 CO2 总共1.3×1012 吨海洋吸收了5× 1011 吨。被吸收的 CO2 大部分存留在海洋表面，深海还具有很大的CO2 吸收能力。总体来说，人们对海洋封存的了解还是太少。
虽然CCS/CCUS技术应用具有前景，国家石油公司有动力推动CCS/CCUS项目建设，但部分项目表现不佳，面临巨大的财务、技术挑战，缺乏成熟的商业模式、稳定的收入来源，导致成本居高不下，难以从碳减排中得到回报，项目运行喜忧参半。
这是中国首个10万吨/年二氧化碳捕集和封存全流程示范项目，由国家能源集团鄂尔多斯煤制油分公司承建，于2010年在内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗启动建设，当年底完成二氧化碳捕集、提纯、加压、注入设备安装和注入井、监测井的钻井工作，标志着中国已经形成二氧化碳捕集、输送和地下咸水层封存、监测等成套技术。
该项目总投资102亿元人民币，于2023年5月19日在宁东基地全面开工建设，其建成后将成为中国最大的碳捕集利用与封存全产业链示范基地。该项目由国家能源集团宁夏煤业有限公司负责的“宁东基地碳源捕集工程”和中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司负责的“长庆油区(宁夏)驱油封存工程”两部分组成，将全球单体规模最大的现代煤化工400万吨/年煤炭间接液化项目排放的二氧化碳气体捕集后，由中国最大的油气生产基地长庆油田进行驱油封存。
该项目按照“一次规划、分期建设”的原则分三期实施。一期项目2023年5月开工，计划2024年建成投运；二期项目计划2024年开工，2025年底建成投运；三期项目预计“十五五”期间开工。投产后，预计每年减排二氧化碳规模达到300万吨，相当于植树近2700万棵、近180万辆经济型轿车停开1年，将为大型央企跨行业开展绿色减碳合作提供项目示范，为现代煤化工行业低碳化发展作出有益探索。
恩平15-1油田碳封存示范工程，是中国首个百万吨级海上碳封存示范工程项目。该项目建设在距离深圳市西南约200公里的恩平15-1油田上，1能够将油田开发伴生的二氧化碳捕获、分离、加压至气液混合的超临界状态，通过二氧化碳回注井回注至咸水层中。该项目预计每年可封存二氧化碳30万吨，累计将超过150万吨。
2023年6月1日，恩平15-1油田碳封存示范工程正式投用，开始规模化向海底地层注入伴随海上石油开采产生的二氧化碳。
该项目于2016年投产，项目依附于NRG电力公司位于休斯敦西南郊的电厂4套煤电机组之一的8号机组，目的是捕集该机组1/3的碳排放。该项目于2013-2014年高油价期间建造启动，在2020年由于低油价而暂停。
该项目由雪佛龙股份有限公司运营，从高更海上气田天然气中剥离出二氧化碳杂质，压缩液化后回注至400米厚的含水砂层。高更项目2016年开始产气，每年从天然气中分离出约400万吨二氧化碳，原本目标是在产气后5年内将二氧化碳排放量降低80%，但由于技术问题，CCS项目直到2019年才投入运行，截至2021年中CCS项目累计只封存了32%的气田产出二氧化碳，埋存井注入能力（210万吨/年）只有项目设计（400万吨/年）的一半。
这是欧洲迄今为止历史最悠久的海上CCS项目，其作用方式都是将天然气田分离出的二氧化碳回注至产层以上或以下的盐水砂岩层。斯莱普内尔项目1996年投产，每年通过水平井注入地层约100万吨在海上平台就地分离的二氧化碳，目前每天注入能力约2000立方米。斯诺威特项目从2008年投产后年设计注入量约70万吨。
该项目由挪威国家石油与壳牌和道达尔合作，从奥斯陆多个包括垃圾发电厂、水泥厂在内的工业气源捕集二氧化碳，于2019年获得政府许可，目前船运接收码头等基础设施正在建设中，第一口二氧化碳注入井已于2020年完工，2022年将完成第二口注入井，两艘定制的液态二氧化碳专用运输船计划于2024年上半年交付，该项目预计2024年投入运行，将成为欧洲的旗舰CCS项目，年注入量150万吨二氧化碳。
该项目从美国北达科他州的煤炭气化和煤电厂捕集，用于其在韦伯恩油田的EOR项目（注入量6500吨/天），以及阿帕奇公司的米戴尔油田EOR（1200吨/天），该项目于2000年10月启动，投资8000万美元，美加政府共提供约520万美元，每年注入300万吨，已累计注入3000万吨。
该项目是美国目前捕集规模最大的CCUS项目，于2010年启动。2010年投产的1号生产线年捕集500万吨二氧化碳，2012年投产的2号生产线将年捕集能力增加到840万吨，通过管线输往位于德州西部二氧化碳管网中枢，再进入西方石油公司在二叠盆地的众多EOR油田。
此项目位于怀俄明州拉巴奇气田，将该气田处理分离后的硫化氢被转为与二氧化碳混合成高浓缩酸性气体（60%硫化氢+40%二氧化碳），又被注回原产气层，年回注量约40万吨。经过历年多次扩建改造，该设施的二氧化碳年捕集能力逐渐增加到700万吨。2022年2月，美孚再次通过扩建投资决定，将现有的每年的600万-700万吨捕集量再增加120万吨，扩建设施将于2025年投产。
我国碳捕集利用与封存技术发展研究.今日头条.2023-06-02
中国最大碳捕集利用与封存全产业链示范基地开工建设.今日头条.2023-06-02
累计封存超150万吨 我国首个海上二氧化碳封存示范工程项目投用.今日头条.2023-06-02
全球CCS/CCUS项目实践得失.今日头条.2023-06-02
中国成功实施首个地下咸水层二氧化碳封存项目，位于鄂尔多斯.澎湃新闻.2023-06-02
我国首个海上碳封存示范工程投用 进一步促进海洋油气产业绿色低碳转型.今日头条.2023-06-02
累计封存超150万吨 我国首个海上二氧化碳封存示范工程项目投用.今日头条.2023-06-02