控制CO2排放的途径及展望

常慧亮，佟天宇

（1.盘锦浩业化工有限公司，辽宁盘锦124000；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430010）

自中国在2020年9月22日的第75届联合国大会上，提出了2030年前力争CO2排放达到峰值（即“碳达峰”）、2060年前力争实现“碳中和”的“双碳”目标后，关于如何控制国内CO2的排放量，成为当前科研工作者最为关注的问题［1］。CO2是可于大气层中长期存在的温室气体的主要成分，会导致全球变暖、极端天气环境等问题，已经越来越威胁到人类的生存环境［2］。因此，减缓全球温室效应的根本就在于降低大气中CO2的浓度。

1 国内CO2的主要来源

所谓的温室气体是指大气层中能够吸收地面反射的太阳辐射，并重新向地面发射辐射进而导致地球表面温度升高的气体。适量的温室气体可以保证地球生物适宜的生存温度，但是过量的温室气体却将会导致全球性的温度升高、海平面上升、土地沙漠化等极端环境问题。温室气体包括多种气体，《联合国气候框架的京都协定书》中规定了6种限排的温室气体，分别为CO2、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化合物（HFCS）、全氟碳化合物（PFCS）和六氟化硫（SF6）。

根据世界资源研究所（World Re-sources Institute，WRI）发布的最新数据，2018年中国各类活动排放的温室气体总量约123.5×108t，如若将土地利用变化和林业碳汇的负碳排放综合起来，则总排放量约117.1×108t［3］。

国内温室气体排放结构见图1。

图1 中国温室气体排放结构

根据图1，在总的温室气体排放中，国内能源活动排放的温室气体比重为83.5%，其次是工业过程排放和农业活动排放，排放量占比分别为9.4%和5.4%，废弃物管理设施排放占比为1.6%。国内温室气体来源详细划分见图2。

图2 中国温室气体来源详细划分

根据图2，对能源活动进行详细划分，电力和热力部门能源使用产生的温室气体排放量最大，占总排放量的42.2%，其次是制造业和建筑业用能排放，占总排放量的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，其温室气体排放量占总排放量分别为7.4%、5.6%、4.4%和2.3%，进一步来说能源活动（主要是化石燃料的燃烧和燃料逃逸）在国内温室气体排放中占主导位置。

从中国的能源结构上来说如图3所示，2018年能源消费活动温室气体排放总量为93.1×108t，煤炭能源的使用是国内温室气体排放的主要来源，排放量为66.86×108t，占国内能源消费活动温室气体总排放量的71.81%，其次是石油和天然气能源的使用，排放量分别为19×108t、7.22×108t，占国内能源消费活动温室气体排放总量的20.42%和7.75%，其它非化石能源的使用排放量为0.02×108t，占国内能源消费活动温室气体排放总量不到0.1%。因此，国内温室气体主要来源便是化石能源的使用［4］。国内温室气体结构见图3。

图3 中国能源结构角度的温室气体结构

在全球的温室气体结构中，CO2比重达77%左右，是温室气体的主要成分，因此如何控制CO2排放对于“碳达峰”和“碳中和”来说是首要任务。根据WRI的研究报告和国内各类活动温室气体排放情况上来说，农业活动只排放了2种温室气体CH4和N2O，土地利用变化和林业则排放了负值的CO2和少量的CH4，从主要关注如何控制CO2排放量的角度来说，土地利用变化和林业具有消耗CO2的作用，农业活动排放CO2计为0，因此国内CO2主要来源于能源活动、工业生产过程和废弃物处理［5］。

能源活动是指能源生产和能源消费的活动，能源生产是指能源资源的开采、加工和转换过程，在能源活动中化石燃料的燃烧是CO2主要来源；工业生产过程CO2排放是指工业生产中除去能源活动部分的CO2排放，主要包括钢铁行业、有色金属行业、建材行业和化工行业，更为细致来说最主要的便是水泥行业、钢铁行业和合成氨工业；焚烧处理是城市固体废弃物处理释放CO2的来源，固体废弃物（如塑料、纺织物、橡胶等）中的矿物碳在焚化过程中氧化生成CO2，且废弃物中碳的比重决定了CO2排放量。

2012年在中国公布的温室气体清单中，能源活动排放的量为86.88×108t，占国内CO2排放总量的87.82%左右，工业生产过程CO2排放量为11.93×108t，占国内CO2排放总量的12.06%左右，废弃物处理CO2排放量为0.12×108t，约占国内CO2排放总量的0.12%，在不计算土地利用变化和林业消耗的CO2前提下，中国排放的CO2总量达98.93×108t，温室气体排放总量118.96×108t［6］。国内CO2主要排放来源见图4。

图4 中国CO2排放来源

2 控制CO2排放的途径

与国外实施的CO2的捕集与储存碳减排策略（CCS）不同，中国实施的是CO2的捕集、利用与储存策略（CCUS），增加了CO2资源化利用策略。以此为依据，控制CO2排放的途径包括化石能源的替代、CO2的捕集、CO2的封存、CO2的资源化利用等。

2.1 化石能源的替代

化石能源包括煤、石油、天然气，是不可再生的1次能源，也是国内大气中CO2的主要来源。在中国许多行业和部门诸如电热部门、交通、工业等，都依附于化石能源燃烧产生的热能和电能来维持正常的生产和运转。如果能够用其它绿色能源（温室气体和污染物零排放或排放极少的能源，如新能源和可再生能源）部分或全部替代化石能源，则能够大幅度的控制我国CO2的排放量。近几年发展起来的以风能、太阳能、核能等新能源为依托的绿电、绿氢和储能技术等，有些已经逐渐地替代了部分化石能源，在控制国内大气中CO2排放量中起到了重要作用。

2.1.1 绿电技术绿电是指在生产电力的过程中CO2排放量为0或趋近于0，中国主要以太阳能及风能为主。

据统计，2019年国内采用可再生能源发电总量为1.9×1012kW·h，其中水电为1.2×1012kW·h、风电为3 660×108kW·h、光电为1 775×108kW·h，通过分布式电源接入电网中以供使用，且相比之下能源利用效率较高、CO2排放量较低［7］；2020年国内光伏新增装机规模达4 000×104kW［8］，虽然绿电技术已经得到很好的实施，但是绿电却因供电稳定性不好、价格较高等问题，在企业推广中很难进行。

2.1.2 绿氢技术氢气（H2）因具有无毒、燃烧性能好、热值高于汽油，且燃烧产物为水，不产生CO2和污染物等优点，在建立清洁低碳、安全高效的能源体系和低碳绿色发展转型路径中，被寄予厚望［9］。

根据生产H2特点，可将H2分为灰氢、蓝氢和绿氢等3类。灰氢是指主要以化石燃料制取的H2，生产成本低但CO2释放量较高；蓝氢是在灰氢生产的过程中，增加了碳捕集和存储技术等碳减排技术所制取的H2，生产成本提高但CO2释放量减低；绿氢则是采用清洁能源制取的H2，生产成本高但生产过程没有CO2释放。

由于企业效益问题，目前工业上主要采用化石燃料来制取H2，也就是灰氢。当前，制氢面临的挑战是如何用绿氢或蓝氢的技术来替代灰氢，绿氢将是未来制氢工业的最终目标［10］。现今处于研发阶段的绿氢制备技术包括可再生电力电解水制氢、太阳能光解水制氢、生物质制氢和核能制氢等，且当前中国的绿氢制备技术与国际最先进水平还有一定差距，仍然需要国内加大绿氢技术的研发投入，加大关键设备技术突破，对绿氢产业的重点应用领域进行重点研究［11］。

2.1.3 储能技术储能技术是指使用一定的介质或装置，将某1种能量形式（典型的包括电能、热能、机械能、化学能等）以另1种能量形式储备起来，并在其需要时以特定的能量形式释放的技术，常见储能介质如煤、石油、天然气、氢能、成品油等，常见的能量储存形式如电能、热能、化学能等［12］。

优良的储能技术在清洁能源开发利用以及能源供给中起着不可或缺的作用。根据储能过程中是否存在化学变化，将其分为化学储能和物理储能等，其中物理储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、显热储能、潜热储能、超级电容储能等［13，14］，化学储能主要包括电池储能技术、氢气储能、天然气储能和氨储能等。若根据储存的能量形式，则储能又可以分为储电储能、储热储能及化学类储能等。如锂离子电池的研发与应用，研发出具有高能量密度的锂离子电池并用电池部分或全部代替传统的汽油或柴油，开发出纯电动车或油电混合动力车，可大量减少汽柴油燃烧产生的CO2，同时也减少了汽车尾气的排放，即能很好的控制碳排放又能减少环境的污染；又如合成氨工业，现今对于氨的应用不再局限于制取氮肥，氨因产量大、易于储存运输、含氢达17.7%（质量比）、能量密度3 kW·h/kg、分解产物仅为氮气（N2）和水（H2O）无污染等特点是清洁能源的良好载体，太阳能、风能、海洋能等可再生能源可以通过参与氨合成过程将其中的部分能量储存到氨中，然后用户可以将氨进行分解或转化等，进而将氨的能量以电、热或H2的形式释放并使用［15，16］。研究表明，氨也可以部分替代化石能源使用，但氨合成过程的高能耗、高成本仍是合成氨工业的核心问题。

2.2 CO2捕集技术

CO2的捕集是指将化石能源使用过程中释放的CO2，通过一定的方法或手段使其分离、提浓的过程［17］。利用CO2捕集技术是实现控制大气中CO2含量、化石能源高效清洁的使用以及CO2资源化利用的重要手段和前提［18］。

2.2.1 根据过程特点分类根据CO2的捕集过程特点可将其分为燃烧前捕集技术、燃烧后捕集技术、富氧燃烧技术和空气直接捕集技术［6］，前3种CO2捕集技术是当前煤电行业最常使用的CO2捕集方法。燃烧前捕集技术是指将化石燃料中的含碳组分在燃烧前分离出来，方法为即先将化石燃料与O2、水蒸气在气化炉内反应，生成以H2和CO为主的水煤气，再经过变换流程使CO转换为CO2，最后对CO2进行捕集；燃烧后捕集技术是指将化石能源燃烧后，再从其燃烧的烟气中分离、富集CO2的过程，此方法是相对来说技术较为成熟和应用比较广泛的方法；富氧燃烧技术是指使用高纯度O2（纯度为95%～99%）代替空气与化石燃料进行燃烧，然后生成主要成分为水蒸气和CO2的烟气，最后对烟气中的CO2进行富集；CO2空气直接捕集技术，即直接将CO2从大气中捕获的技术，其实质的便是利用植被、藻类等的光合作用去直接去吸收空气中的CO2，近几年，中国将增加森林蓄积量作为重要的减碳战略方案。

2.2.2 根据原理分类根据CO2捕集原理，可以其分为溶剂吸收法、物理吸附法、膜分离法、低温分离法、金属氧化物法、水合物法、生物捕集等［18～21］。

溶剂吸收法是指利用溶剂对CO2的溶解性或者溶剂与CO2之间发生化学反应来吸收混合气体中CO2的方法，如利用有机胺与CO2发生化学反应的碳捕集工艺是工业化应用最多且最为成熟的工艺［22］，中国石化胜利电厂4×104t/a碳捕集项目使用的便是胺吸收剂技术［23］。

物理吸收法是指利用多孔介质对CO2的选择吸附性来分离混合气体中的CO2，常见的多孔介质包括活性炭、沸石、分子筛等。

膜分离法是指利用特定材料制成的薄膜对CO2和其它的气体渗透性不同的特点进行分离、富集CO2的方法［24］，当前研究最为广泛的CO2分离膜是聚乙烯醇（PVA）膜。

低温分离法是1种利用CO2混合气体中各组分沸点的不同，分离液态CO2混合气、富集CO2的方法，目前该方法还处于研究阶段并未投入到实际应用中。

金属氧化物法是1种利用酸性CO2气体与碱性氧化物反应的方法。

水合物法是利用2元及多元气体生成水合物时的相平衡差距，使较易形成气体水合物的气体进入水相中，难形成气体水合物的气体则保留在气相中，从而实现捕集高浓度CO2的方法。

生物捕集是利用植物和藻类等的光合作用，该方法是最主要和最有效的CO2捕集和固定的方式，其中海洋微藻经过一定的诱导手段，能够在太阳能驱动下合成极具经济效益的高浓度化合物，在作为未来医药品、保健品和化工原料方面上潜力巨大［25］。

2.3 CO2的封存

CO2封存技术是国内外应对全球温室效应、减少大气中CO2含量的重要技术手段，其方法是将捕集的CO2依次经过释放、液化等工艺后通过管道、交通或其它输送方式，送往海底或地下等的封闭构造中，实现其与大气的长期隔绝或永久性封存，减少或阻止CO2重新进入大气层［26］。当前，CO2封存技术常见的有地质封存、海洋封存和矿物封存（矿石碳化）等。

2.3.1 地质封存地质封存主要是通过管道将捕集得到的高浓度CO2注入到地下深层比较封闭的、渗透性良好的地质结构中，使CO2充分的分散并储存到深密岩石层的孔隙中。依据封存原理和储层的不同，地质封存可分为枯竭气藏封存、枯竭油藏封存、注CO2驱油提高采收率（CO2-EOR）、深部盐水层封存、深部不可开采煤层封存、注CO2驱煤层气提高采收率（CO2-ECBM）以及地下的其它地质结构如玄武岩等的封存。当前，最有效且最经济的永久性CO2封存技术便是地质封存。

2.3.2 海洋封存海洋封存是指将CO2注入到距海平面1 km以下的深海层，以实现CO2与大气的长期隔绝的目的。CO2海上封存与地质封存一样，也需要经历CO2捕集纯化、运输、注入等程序，其中海上输送可以通过船舶输送或者海底管道运输送来实现。根据封存原理，可以将海上封存分为海洋水柱封存、海洋沉积物封存、CO2置换天然气水合物封存和海洋增肥封存等［27］。

值得关注的是，在大量CO2注入海洋深层之后会对海体性质造成不同程度的影响，最明显的是会增大海水酸性，导致海洋生物等海洋生态系统不同程度的破害。研究人员对于海洋封存技术的研究也只是处在试验阶段，无法深入研究海洋系统的某些关键因素，但同时海洋广大的面积也为CO2的封存提供了巨大空间。因此，CO2的海上封存方法潜力巨大，还需要进一步的探索研究。

2.3.3 矿物封存矿物封存模拟了自然界钙镁硅酸盐的风化过程，即利用富含Ca、Mg等元素的天然矿物或工业废弃物与CO2反应生成稳定的碳酸盐产物，从而得到性质稳定的碳酸盐，达到永久且高效封存CO2的目的［28］。

刘松辉［29］等利用硅酸钙矿物与CO2的碳化反应合成了2Ca·SiO2矿物碳化产物，并探究了Na+对2Ca·SiO2碳化产物的影响，探索了可溶性Na+被固化的可能性，结果表明：Na+只影响2Ca·SiO2矿物碳化产物的结构，不影响其碳化程度。目前矿物封存还在进一步的研究中，如何提高反应速率和降低能耗是业界研究的重点。

2.4 CO2的资源化利用

CO2的资源化利用，是中国所采取的CCUS战略中与国外所采取的CCS战略不同的地方。CO2作为全球碳循环的必要物质和丰富的一碳资源，施行CO2资源化策略，将CO2转变成高附加值的产品不但能够减少大气中的CO2，还能够带来可观的经济效益［30］。

2021年3月，全国政协委员朱建民提出了将CO2资源化利用纳入“十四五”规划的建议，说明CO2资源化利用在中国已经显示出越来越重要的科技和经济价值［31］。当前，根据CO2的利用特点，将CO2的资源化利用主要分为生物利用、物理利用和化学利用等。

2.4.1 CO2的生物利用CO2的生物利用主要是指以气态CO2做为肥料，通过促进农作物的光合作用来促进农作物的生长发育和增加产量。

2.4.2 CO2的物理利用CO2的物理利用主要是依据于CO2的特殊物理化学性质将其应用于生产生活中，很少涉及到CO2的化学变化。如根据CO2化学性质稳定、密度大于空气、不支持燃烧等性质，常将CO2作为切割、焊接金属的惰性保护气和灭火材料；依据CO2无毒、液态CO2气化吸热等性质用于陈列冷柜冷却剂、食品保鲜、食品保护气、碳酸饮料制备等；依据干冰（固态CO2）升华吸热的性质用于人工降雨、舞台烟雾制造等。从2014年中国CO2消费结构看，国内CO2最主要的应用在于焊接与切割、饮料以及食品行业［32］。

2.4.3 CO2的化学利用CO2的化学利用主要是以CO2为原料，通过化学反应生产具有高附加值的产品，也是CO2资源化利用未来重要的发展方向。

当前，CO2的化学利用主要包括合成尿素、水杨酸、纯碱、小苏打等无机化工产品，加氢合成有机化合物如甲醇、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长春应化所研发且已经投产的CO2基降解塑料产品［34］；

利用矿石碳化技术生产高性能建筑材料［35］；

利用生物转化生产高附加值产品，如宋春风团队［20］提出的新工艺创造性地将化学吸收法和微藻固定法结合起来，使微藻固碳率提高到了60%～80%，并生产出多糖、色素、油脂等具有高附加值的有机物，可广泛应用于食品、保健品、美妆等领域，且该工艺已经在内蒙古固碳示范工程上得到了施行，年固碳量高达1×104t。

3 控制CO2排放的建议

“十三五”（2016～2020年）规划期间，中国在控制CO2排放量上采取了一系列政策措施，包括推进碳交易市场的建设、施行环境保护税政策、开发利用清洁能源、加大相关技术研发投入、增加森林蓄积量等，尽管在控制CO2排放量上取得了很大的进步，但还是需要重点关注以下方面。

3.1 清洁能源的开发利用

清洁能源的开发和利用打破了国内传统的以煤、石油、天然气等为主的能源使用结构，进而间接的影响着国内以化石能源为主的产业结构，促使中国迎来1个产业结构深度变革的时代。如电力部门是国内CO2排放量最大的来源，但随着光伏发电、风能发电、水力发电、核电等绿电技术的发展，在有效减少大气中CO2含量的同时也会慢慢淘汰传统的煤电技术。

因煤电具备良好的供电稳定性和价格优势，国内仍主要依赖于煤电，在未来随着煤电逐步被绿电所替代，电力部门也将迎来产业结构的深度变革，同时国内的CO2排放量也将大幅度减少。清洁能源的开发和利用是控制CO2排放的有效途径和必然趋势。

3.2 支持CO2资源化利用技术研发和项目建设

现今，中国CO2资源化利用正处于初始阶段，很难满足未来低碳发展的迫切需求。

在“双碳”背景下，实行CO2资源化利用不仅可以实现碳减排，还可以合成多种工业产品，带来一定的经济效益，在未来控制CO2排放上具有良好前景。当前许多研究还停滞在实验室阶段，缺乏实际应用研究。

支持CO2资源化利用的技术研发和项目建设，重点在于应加大技术研发的投入以促进新技术的开发利用、加强企业和研发部门的合作以促进技术成果转化和关注市场动向以促进产业成果经济化等，目的便是为了实现CO2资源化利用的生产工艺清洁、生产技术工业化等。随着新技术的不断研发，其最终目标将是实现环境友好型的可持续的绿色发展。

3.3 促进工业新技术的研发和产业结构转型升级

化工企业、金属冶炼等行业长期以来的高消耗、高污染和低产率等问题以及能源结构的转变，势必会推动国内产业结构的转型升级，而工业新技术的研发和应用是关键。

新技术包括3种类型。

（1）是以促进能源高效利用、降低能耗和提升产品收率为主的工业生产新技术；

（2）是以改变产品结构为主的工业生产新技术，例如随着能源结构的转变，石油炼化企业以燃料油为主的产品结构逐渐转变为以生产基础化工原料或高附加值化工产品为主的产品结构；

（3）是利用清洁能源进行工业生产的新技术。

所述的产业结构转型升级也分为3种。（1）是将原来的以化石能源为主高能耗、高污染、低收率的产业生产升级为低能耗、低污染和高收率的产业结构，如南京延长技术反应研究院提出的微界面强化反应技术，此项技术从根本上大幅度的降低了能耗物耗、成倍提升了生产过程效率、安全环保性能得到本质改善，且与多家大型国有企业建立了深度研发和产业化合作［36］；（2）是产品结构转变的产业转型；（3）是将原来的以化石能源为主的产业转型升级为以清洁能源为主的产业结构。

未来的“碳中和”将是科技创新的竞争，社会经济的发展也将从资源依赖型发展为技术依赖型［37］，所以协调各方面力量促进工业生产新技术的研发和产业结构的转型升级具有重要意义。

3.4 相关政策支持和相关资源的协调配合

面对全国化的CO2排放过量问题，想要将此问题有效解决、碳减排工作有序开展，便离不开政府的宏观调配和各项资源的协调配合。政府的宏观调配主要体现在各项相关政策的支持，而各项资源的协调配合也需要相关政策的支持。因此，政府政策的支持和相关资源协调配合，是实现中国“双碳”目标全过程中必需的条件。

4 结束语

从1992年联合国大会通过了《联合国气候变化公约》开始，到1997年161个国家签署《京都协议书》，到2015年《巴黎协定》的达成，再到2020年9月中国“双碳”目标的提出，研究人员一直致力于限制温室气体的排放和保证全球气候稳定的工作中。对于控制碳排放问题，需要各个行业（包括：煤电行业、建筑行业、冶金行业、化工行业等）和各种手段（包括：清洁能源开发利用、CO2的捕集和利用、CO2的封存、林业碳汇等）来综合解决，不能轻视其中任何部分。当然，对于“双碳”目标的实现，国内现今正处于时间紧迫、任务重大和经济增长等关键阶段，许多行业和领域也处在不断创新和变革之中。