CCS科普系列 （一）什么是碳捕捉和存储（CCS：Carbon Capture and Storage）？

大气中的二氧化碳（CO₂）

    首先，我们来了解一下大气中的CO₂和大家常听说的温室效应：CO₂可以吸收和辐射热量，是地球大气中最重要的温室气体之一。据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）自1960年的观测（https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/）：尽管全球经济受到COVID-19降速，全球CO₂的平均浓度已经达到420 ppm，历史性的新高[1]。自18世纪初开始的工业革命以来，CO₂浓度上升的最大贡献主要来源于人为使用石化燃料（见图1）。CO₂浓度的上升带了的直接结果之一就是全球平均温度升高（0.6~0.9℃）[2]，另外一个是全球范围内极端天气时间强度和发生频率的大幅上升。要减缓这种升温和其他气候负效应，除了提升最终用户能源使用效率，增加绿色可再生能源在能源结构中的比例，现今工程上最为成熟的，也能高速率进行大规模工业部署的，且价格相对可以接受的，是减少工业点源排放到大气中CO₂的总量，也就是燃烧后碳捕捉路线（post-combustion carbon capture, PCCC）。据国际能源署IEA测算，当碳排放交易体系ETS碳价超过100美金/吨，碳捕捉路线基本上可以做到收支平衡。另外一个业界也在讨论并小规模实验的技术路线是‘算历史账’，也就是从大气中捕捉二氧化碳（direct air capture, DAC）。但因为大气中二氧化碳相对浓度较工业点源低，DAC路线相对的运行和捕捉成本相对较高。

图1. 二氧化碳的浓度（蓝色）随着人为排放（灰色）的增加而不断上升[1]

CCS碳捕捉是什么？

    CCS是指将大型工业点源排放的CO₂进行捕集，分离纯化，并液化，然后运输到指定的地点进行永久存储的一种方法。尽管CO₂的排放可以随着优化能源燃烧效率或使用清洁能源来减少，但石化燃料仍然是当前主导的能源之一，尤其是在众多发展中国家。在大型工业排放点，CCS就是唯一能即时大规模部署，价格在可接受范围内，且能有效的降低CO2排放总量的工程路线。根据全球CCS研究所的报道，目前世界上已经有20多家商业的大小规模CCS设施已经在运行，每年可以存储约40 Mt（百万吨）的CO₂。近两年在欧洲也有十多个CCS项目正在规划技术路线或正在施工中，笔者也相信随着能源价格和碳价的持续上升，会有更多的CCS项目出现。

    关于点源CO₂捕集，通常有三种技术手段来实现，富氧燃烧捕集、预燃捕集、燃烧后捕集。（1）富氧燃烧捕集技术依靠空气分离器将氧气O₂从空气中分离出来，然后对工业废气进行燃烧，产生的废气含有CO₂和H₂O，再对CO₂进行捕集。（2）预燃捕集技术通常需要利用气化炉来将工业废气进行气化，最终生成H₂和CO₂，一般常用于新建的设施中。（3）燃烧后捕集技术（Amine-based post-combustion carbon capture, PCCC）（见图2）[3]，通常需要利用胺溶液（单乙醇胺MEA、2-amino-2-methyl-1-propanol，piperazine等），用于在Absorber中吸收废气中的CO₂，然后在Desorber进行加热分离，从而将CO₂进行捕集。该方法因为具有较高的CO₂吸收效率，成熟的工业设计和经验，能对现有工业点源进行后改装的优势，目前是当前最成熟和使用的较多的碳减排路线之一。，如计划于2024年开始的挪威的“北极光工程Northern Light project”（CO₂捕集量0.8Mt/年）就将利用该技术来进行CO₂捕集；以及英国计划与2024年开始建设的CCS项目（CO₂捕集量3.0Mt/年）[4]。

图2 典型的燃烧后CO2捕集（PCCC）流程[3]

PCCC中的胺逃逸

    在燃烧后捕集PCCC过程中，会有少量的胺以及二次产物以气态或气溶胶的形式逃逸到大气中[5]；胺也会从设备或管道逸漏，如阀门、泵、容器、法兰等；其次，在更换胺溶液的时候也可能存在胺的排放等。逃逸的量取决于捕集设施的大小、工作环境、以及胺溶液的挥发性。胺的夹带逃逸大多发生在与废气发生反应的Absorber中，有文献报道每捕集1吨的CO₂会造成2kg的胺溶液损失（有机胺溶液损失效率跟碳捕捉设计运行参数息息相关）。其次胺在厂区循环使用过程中也会产生一些二次降解产物，一般是通过氧化途径或者热反应。如在挪威的Mongstad碳捕捉测试中心的烟气观测到了痕量的单乙醇胺和浓度较高的副产物氨和乙醛[6]。为减少胺的大气逃逸，可以在Absorber顶部加装多级洗脱器或除雾器或其他减排手段。

    逃逸到大气的胺会与大气中的多种类自由基的发生光化学反应，生成一些不利健康的光化学副产物。另鉴于氨气和有机胺在文献报道中对新粒子生成的关键作用，大规模CCS部署对环境大气质量会有多维度，不同时间线的叠加贡献。具体介绍敬请期待我司后续CCS相关科普文章。