快节奏的工业化进程伴随着化石燃料的肆意燃烧，导致过去两个世纪温室气体的过度排放，导致今天的全球变暖。根据美国环境保护署 (USEPA) 的数据，仅在 2017 年，美国的温室气体总排放量就相当于 64.57 亿公吨二氧化碳 (CO 2 )，如图 1 所示。根据政府间组织气候变化专门委员会 (IPCC) 指出，到 2050 年，此类排放量必须减少 50% 至 80%。
图 1. 2019 年温室气体排放概览
碳排放可以通过使用碳捕获和储存 (CCS) 技术来控制，该技术涉及捕获和运输 CO 2，并将其安全地储存在枯竭的油气田或深层盐水层的地下。根据美国航运局 (ABS) 的说法，碳捕获利用和储存 (CCUS) 是一种过程，其中 CO 2可以被捕获、清洁、脱水、液化、运输和储存在最终地点或被利用。捕集技术选择性地从燃料燃烧前（燃烧前）或从燃料燃烧后的烟气中（燃烧后）或从富氧燃烧系统中提取 CO 2气体，并将其储存在地下用于工业、农业或能源生产中的再利用。为了在运输前将 CO 2从燃料/烟道气流中分离出来，采用了多种技术，例如使用单乙醇胺 (MEA)、二乙醇胺 (DEA) 和碳酸钾进行吸收，在分子筛、活性炭、沸石、钙上进行吸附氧化物、水滑石和锆酸锂、化学循环燃烧、膜分离、基于水合物的分离和低温蒸馏已经被探索。近日，美国能源部化石能源办公室宣布拨款1.31亿美元用于CCUS项目的研发。
碳捕获与封存 (CCS) 与碳捕获与利用 (CCU)
CCS 是捕获化石燃料燃烧产生的近 90% 的 CO 2用于发电或工业过程，然后通过管道或船舶将其运输到地表以下几公里处进行安全和永久储存的过程。CCU 与 CCS 的不同之处在于，在 CCU 中，捕获的 CO 2不是永久性地质封存，而是转化为有价值的商业产品，从塑料和混凝土到各种化学合成的反应物。提高石油采收率 (EOR) 等CO 2利用技术已经成功商业化，其他技术正处于不同的开发阶段。
图 2. 捕获的 CO2 的封存和利用之间的比较（来源）
捕获的碳的利用
如图 3 所示，捕获的碳的主要用途已在强化油气回收、化学转化、发电和海水淡化中得到证实。
图 3. 各种碳利用途径
提高石油采收率（EOR）：基于CO 2的EOR于20世纪70年代初在美国首次应用，预计未来EOR将使石油采收率从大约30%提高到60%。
图 4. CO 2提高石油采收率
注气具有降低油粘度和增加油藏压力等优点，这有利于石油生产。截至 2019 年，亚太地区约有 30 个 EOR 项目，其中中国在化学品注入领域处于领先地位，预计到 2022 年将减少原油进口。西方石油公司总裁兼首席执行官 Vicki Hollub 最近劝说大银行对 EOR 技术进行更多投资。阿布扎比国家石油公司联合日本最大的上游公司Inpex、最大的发电公司JERA和日本石油、天然气和金属国家公司，计划探索生产NH 3的可行性减少了源自天然气的 H 2的碳足迹。生产 NH 3排放的大部分 CO 2将被封存并用于阿布扎比陆上油田的 EOR 作业。日本电力生产商 J-Power 和美国石油服务提供商斯伦贝谢计划联合改进 EOR 技术，利用其联合煤气化过程中产生的 CO 2 ，目标是在 2030 年之前将发电厂的 CO 2 减少20 % 并实现净零排放到 2050 年的排放量。挪威耗资 17 亿欧元的名为“Project Longship”的项目旨在封存 12.5 亿吨 CO 2并将其掩埋在北海之下。在一家合资企业中，韩国现代石油银行公司与沙特阿美公司签署了一项协议，它将从沙特阿美公司获取液化石油气货物并将其转化为氢气 (H 2 )，并将副产品CO 2气体送出向沙特提供制氢工艺，用于从地下抽取更多石油。在 EOR中利用捕获的 CO 2取得成功后，该领域的投资正在增加。美国石油生产商 Denbury 和经营管道和码头的能源基础设施公司 Kinder Morgan 都投资了 CCUS；而据报道，EnLink Midstream (ENLC) 等新参与者正在进入该市场. Gas Liquids Engineering Ltd 等一些公司也提出了新的碳捕集工程工艺用于 EOR。
CO 2的化学转化：研究表明，在矿物碳酸化中使用 CO 2可以将全球变暖潜能值 (GWP) 降低 4–48%。与传统工艺相比，使用 CO 2生产碳酸二甲酯 (DMC) 可将 GWP 降低 4.3 倍，将臭氧层消耗降低 13 倍。受到将烟道气 CO 2转化为碳酸盐基建筑骨料的成本效益的鼓舞，雪佛龙计划投资 Blue Planet Systems Corporation，这是一家利用隔离的 CO 2生产粗细碳酸盐骨料的初创公司。据预测，CO 2到 2040 年，通过生产可与水泥混合或直接注入湿混凝土进行养护的骨料在建筑材料中的利用将达到总市场价值的 86%。Carbon8 Systems 是一家总部位于英国的公司，即将在荷兰开展其第一个废物能源 (EfW) 试点项目，该项目将通过将工业废渣与捕获的 CO 2排放相结合，生产适用于混凝土应用的高价值、轻质建筑骨料. Carbon8 Systems 是南威尔士工业集群 (SWIC) 的一部分；这是工业界、能源供应商、基础设施供应商、学术界、法律部门、服务供应商和公共部门组织之间的伙伴关系；并已从 UKRI（英国研究与创新）工业脱碳计划中获得 150 万英镑，用于规划支持南威尔士到 2050 年成为净零碳地区所需的条件。澳大利亚的矿物碳化国际 (MCi) 计划通过将 CO 2转化为建筑材料和其他具有附加值的工业产品，到2040 年锁定 10 亿吨 CO 2 。当溶解CO 2与岩石中的矿物质发生反应，生成长期稳定的碳酸盐，因此适合建筑。MCi 在澳大利亚纽卡斯尔的试验工厂每天都在使用这项技术建造水泥砖和石膏板。托木斯克理工大学 (TPU) 的科学家与捷克共和国的科学家合作，尝试从大气中的 CO 2合成环状碳酸盐，其中研究人员可以在阳光的帮助下在室温下生产碳酸盐，用作电解质锂离子电池，以及用于药物制造的绿色溶剂。钢铁行业是最大的 CO 2生产商之一结果发现，2018年每生产一吨钢平均排放1.85吨CO 2，相当于全球CO 2排放量的8%左右。钢铁行业在全球范围内面临脱碳挑战，尤其是在欧洲。“转炉（BOF）-莱茵萨尔贺利氏（RH）炼钢工艺”排放的CO 2循环利用可减少粉尘产生和终点氮含量，提高脱磷率和去除夹杂物，从而有利于脱氢过程 . 意大利石油和天然气公司 Eni 尝试使用 CO 2生产聚合物，尤其是聚碳酸酯作为反应物或将其转化为甲烷用于化学工业作为中间体或直接作为燃料。为了减少 CO 2的排放，伊利诺伊大学芝加哥分校 (UIC) 开发了一种利用捕获的 CO 2生产乙烯的技术，用于制造聚乙烯，美洲最大的聚烯烃生产商 Braskem 将协助扩大规模向上。韩国科学技术研究院 (KIST) 清洁能源研究中心的 Yun-Jeong Hwang 博士及其团队介绍了通过电化学方法将 CO 2还原为乙烯。利用红外光谱，从 CO 2合成了乙烯中间体 (OCCO)在铜基催化剂的表面，导致甲烷和乙烯的产生，如图 5 所示。
图 5. 电化学碳过程中催化表面的实时分析
CO 2向甲酸的转化已经通过酶法完成，通过使用大肠杆菌产生的甲酸氢裂解酶 (FHL) 酶，或通过使用日本研究人员开发的有机催化剂。甲酸是各种化学品的合成原料，也用作燃料电池中的 H 2载体。印度塔塔基础研究所 (TIFR) 的研究人员透露，镁 (Mg) 可用于将 CO 2转化为甲烷、甲醇和甲酸。在这种情况下，CO 2在 Mg 存在的情况下在室温和大气压力下与水反应. 日本住友化学与岛根大学开展了一项联合研究项目，通过将丙烷脱氢 (PDH) 技术与另一种使用 H 2和 CO 2高效合成甲醇的技术相结合来合成甲醇。由于该合成过程需要 H 2，它是 PDH 技术的副产品，该公司正在考虑这两种技术的可能应用，其中 H 2和 CO 2都可以得到有效利用，如图 6 所示。
图 6. 从 CO2 合成甲醇（来源）
瑞士公司 Proman 最近与国际能源公司 Global Energy Group 签署了一项协议，将在北海的 Nigg 石油码头开发绿色甲醇生产厂。两家公司将从当地工业中获取 CO 2，为工业规模的绿色甲醇工厂提供动力。
CO 2在电气和电子领域的利用：已开发出一种由镓合金和铈组成的液态金属催化剂，可将 CO 2转化为固体碳/煤薄片，可将其掩埋或用于电子元件 . 发电和 H 2的产生是通过利用 CO 2在含水锌-铝-CO 2系统中自发溶解形成的酸度实现的。韩国蔚山国家科学技术研究院 (UNIST) 的研究人员已成功完成CO 2封存。研究团队设计了一种无膜（MF）Mg-CO 2电池，作为一种先进的方法来隔离 CO 2排放，用于发电和合成没有任何有害副产品的增值化学品。还发现新电池具有 92% 的高法拉第效率。麻省理工学院的研究人员正致力于CO 2 的电化学转化和锂-CO 2电池的开发。通过开发一种新型电解质，将胺与锂盐和 CO 2一起掺入基于 DMSO 的电解质中，从而生产出具有显着放电电压的超高容量电池. 西北大学的研究人员还尝试开发一种方法，通过使用 CO 2捕获固体氧化物燃料电池，船舶和货物等远程车辆可以在船上储存浓缩的 CO 2 ，浓缩的 CO 2可以被隔离并回收成可再生能源碳氢化合物燃料。
藻类培育：利用从燃煤电厂捕获的CO 2培育藻类、通过溶剂萃取工艺提取藻油用于制药行业以及将残油转化为生物柴油的前景已被研究。记住这一点，美国能源部 (DOE) 化石能源办公室 (FE) 最近宣布提供 800 万美元的联邦资金，用于通过藻类系统利用电力系统或其他工业来源的CO 2来创造有价值的产品和服务. 尽管壳牌、雪佛龙和埃克森美孚最初开始研究藻类生物燃料，但考虑到其作为可再生能源的光明前景，雪佛龙和壳牌后来因生产成本较高而退出。目前，只有埃克森美孚在积极追求其藻类生物燃料的梦想。
制造燃料和其他添加剂：集成 CO 2捕获的气体转换重整 (GSR) 已设计用于纯 H 2和合成气生产。太阳能可以将CO 2转化为可用作燃料的化学物质。在瑞典林雪平大学的这项技术中，覆盖有一层石墨烯的光电极捕获太阳能并产生电荷载体，可以将 CO 2和水转化为甲烷、一氧化碳和甲酸。目前，CO 2转化为燃料，大部分需要H 2，这是昂贵且高度耗能的。科学家们正在尝试开发从 CO 2中开发化学品的替代途径。一个这样的例子是乙酰丙酸乙酯，一种替代生物燃料和生物燃料添加剂，它是通过 CO 2与 1, 4 丁二醇的反应生产的。
电解和海水淡化：伊利诺伊大学的化学工程师开发了一种新的电解技术，其中 CO 2气流穿过电解槽并分解成乙烯等分子。该过程将变废为宝过程的能耗降低了 53% 。另一种方法是开发离子交换脱盐 (HAIX-Desal) 工艺，其中 10 个大气压下的 CO 2作为能量和化学再生剂的唯一来源，如图 7 所示。脱盐工艺不需要任何半透膜，可以脱盐贫苦咸水 (TDS ≤ 1500 mg/L) .
图 7. 使用加压 CO 2 的混合离子交换脱盐 (HIX-Desal)
捕获的 CO 2的另一种用途是当 CO 2与脱盐后的浓缩盐水废物反应时生产化学品，例如 NaHCO 3 。这是减少因将浓缩盐水排入地表水体而造成的环境污染的可行方法，特别是在依赖饮用水脱盐的地方，如图 8 所示。
图 8. 二氧化碳利用与脱盐废水相结合
尽管关于捕获碳的最佳可能利用方式的研究正在进行中，但 CCU 仍被认为是一个探索不足的领域。捕获和利用步骤产生的成本仍然很高。
碳捕获和利用的商业化
(1)沙特阿美公司2019 年，沙特阿美开发了 Converge Polyol 技术来生产高性能多元醇，其中废 CO 2与碳氢化合物原料相结合。环氧丙烷在专有催化剂存在的情况下聚合，生成 100% 聚碳酸亚丙酯 (PPC)，并且发现所得多元醇具有完美的重复单元。Converge 多元醇技术的应用包括涂料、粘合剂、密封剂和弹性体。Converge 多元醇提高涂层的耐磨性和耐环境性，提高粘合剂的粘合强度，添加到弹性体中时增强拉伸和撕裂性能，在电子和陶瓷工业中产生无毒副产品，并提高复合材料的耐久性和抗压强度。
（2）海德堡海德堡水泥与澳大利亚技术公司 Calix 和欧洲财团合作，计划在汉诺威水泥厂扩展其 LEILAC 1（低排放强度石灰和水泥）技术，命名为 LEILAC 2，用于碳捕获， 德国。该项目基于 Calix 的“分解炉技术”，预计耗资 2500 万欧元（3420 万美元）。目标是捕获水泥厂产能的 20%，即每年捕获 100,000 吨 CO 2。该项目预计将于 2025 年投入运营。
（3）乐天韩国乐天化学已开始使用CCU技术将CO 2转化为聚碳酸酯，聚碳酸酯是生产干冰和半导体清洗液的原料。该公司使用 Airrane 的气体分离膜，这是一种非常细的中空纤维，不同的气体混合物通过这种膜进入称为选择性渗透的过程。它是由各种类型的聚合物制成的非对称过滤器。Lotte Chemical 的目标是通过扩建相关设施每年利用超过 200,000 吨 CO 2 。
（4）Piñon Midstream 已启动其绿地黑马酸性气体处理和碳捕集设施，该设施带有酸性气体封存井，可从进入的天然气流中去除 CO 2和硫化氢 (H 2 S)。新墨西哥州利县的管道建设正在进行中。该项目每天可处理多达 4 亿立方英尺的酸性气体。
（5）埃克森美孚埃克森美孚计划在 2025 年之前进一步投资 30 亿美元用于其一些新的碳捕集项目或现有 CCS 项目的扩展。其中一些项目包括在新加坡安装 CCS 中心、扩建其 La Barge CCS 设施在怀俄明州，就 Porthos（鹿特丹港 CO 2运输枢纽）的一个联合项目达成协议，该项目用于捕获工业 CO 2并将其运输到北海海上气田等。
合作
Advantage Oil & Gas Ltd. 和 Allardyce Bower Consulting Ltd. 最近开发了 CCS 技术，能够将碳的商业价格保持在 50 美元/吨以下。这种模块化碳捕获和储存 (MCCS) 技术可以针对大多数点源工业排放进行改造，包括发电、蓝氢、液化天然气、石油和天然气加工以及水泥和钢铁制造等难以脱碳的行业。模块化技术用途极为广泛，适用于小至 8,000 吨 CO2/年的项目，允许以轻松的融资增量实现脱碳。大型项目的可扩展性没有上限。MCCS 回收了大约 90% 的碳排放。该技术的首次演示将在艾伯塔省大草原附近的 Advantage 冰川天然气厂进行，.
在第六届中国国际二氧化碳捕集利用与封存大会上，中国华能集团清洁能源研究院与嘉能可碳捕集运输与封存公司就CCUS技术签署了谅解备忘录。通过澳大利亚Millmerran电站的CTSCo项目，将实施合作。
为了在美国墨西哥湾沿岸将碳用于混凝土生产，CarbonCure Technologies Inc. 宣布与 Airgas 合作，Airgas 是一家 Air Liquide 公司。在 CarbonCure 的技术中，当 CO2 矿化时，将 CO2 从工业排放者的炼油厂注入混凝土中，从而提高混凝土的强度。Airgas 将向混凝土生产商供应 CO2，并通过减少大气中的 CO2 排放来保护环境。
雪佛龙投资了 Blue Planet Systems，这是一家利用捕获的 CO 2制造碳酸盐基建筑骨料的初创公司，其目标是减少工业运营的碳影响。Blue Planet 使用直接空气捕获 (DAC) 技术来浓缩和去除空气中的 CO 2。然后，该公司通过化学反应将 CO 2 转化为石灰石，石灰石是混凝土的基石。随后，Blue Planet 出售用于混凝土混合物的骨料，用于许多项目。其中一个项目是旧金山国际机场临时登机区 B。Blue Planet Systems 还与 Sulzer Chemtech 合作开展了该项目。
Carbon Free 是一家专门从事 SkyCycle 技术的公司，在该技术中，使用钙盐和镁盐将碳矿化以生产沉淀碳酸钙和合成石灰石，该公司与 Tetra Technologies Inc. 签署了一份谅解备忘录，计划利用彼此的技术专长，化学知识和生产设施共同促进 SkyCycle™ 的商业化
启动活动
（1）气候工程Climeworks 是一家专门从事 CO 2捕获技术的瑞士公司。Climework 的机器由模块化 CO2 收集器组成，这些收集器可以堆叠以构建任何尺寸的机器。这些机器完全由可再生能源或废物能源提供动力。首先，用风扇将空气吸入收集器。CO2 被捕获在位于收集器内部的高选择性过滤材料的表面上。一旦过滤材料充满二氧化碳，收集器就会关闭。然后将温度升高到 80 到 100°C 以释放 CO2。最后，收集高纯度、高浓度的二氧化碳。过滤器可重复使用多次，可持续使用数千次。
（2）Solidia 是一家水泥和混凝土公司，拥有使用 CO 2代替水的混凝土养护技术。CO 2与水泥反应生成碳酸钙和二氧化硅，使结构硬化形成混凝土。Solidia 的技术被发现可以有效地从大气中去除 1.5 吉吨的 CO 2 ；这节省了 3 万亿升淡水，减少了 2.6 亿桶油的能源消耗，并减少了 1 亿吨混凝土垃圾填埋场。
（3）LanzaTech 的碳回收技术有助于从工业废气、合成气、重整沼气等中的 CO2 中制造新产品。Lanzatech 希望从一家钢铁厂的排放物中制造航空燃料以及合成纤维、塑料和塑料等化学品。飞机机身和机舱所需的称为 CarbonSmart™ 产品的橡胶。该公司已经能够使用兔肠细菌从工厂的废气中生产乙醇。定制的梭菌微生物将捕获一氧化碳，将其转化为可用于驱动汽车和飞机的乙醇。最近，与能源部的阿贡国家实验室 (ANL) 合作，LanzaTech 被选中建造和运营一个预试验设施，以生产可持续航空燃料 (SAF).
图 9. LanzaTech 在回收碳废物方面的创新
Lectrolyst 的目标是转换 CO 2并制造有价值的化学品和燃料。在串联电化学反应器的帮助下，科学家们进行了 CO 2转化的两步过程，如图 10 所示。
图 10. 温室气体转化为产品（Lectrolyst）
CO 2电还原过程分为多个单独的过程，以提高对更复杂的高价值产品的选择性。
最近的专利申请
LanzaTech 的专利EP3058080B1标题为“气体发酵中的碳捕获过程”，该专利公开了在由一氧化碳营养型自产乙醇梭菌或荣氏梭菌组成的细菌培养物存在的情况下，包含 CO、H 2和 CO 2的气态底物被发酵，部分 CO 2转化为产品如乙醇、乙酸或乙酸盐、2,3-丁二醇、丁醇、异丙醇、乳酸盐、琥珀酸盐、甲基 乙基酮（MEK）等。
Saudi Aramco基于膜的 CO 2捕获和利用方法已在US20170191173A1中公开。已开发出一种装置，包括阳极室和阴极室，由阳离子交换膜隔开；向阳极室供给含有碱金属盐或碱土金属盐的水溶液；阴极室中的CO 2和捕集溶液如NH 3溶液；施加2V至10V的电压，使阳离子从含有碱金属或碱土金属盐的水溶液中分离出来，并通过阳离子交换膜向阴极室移动，从而形成碳酸盐。
沙特阿拉伯石油公司的专利US20190168417A1描述了一种车辆，包括混凝土搅拌车和混凝土搅拌车上的车辆尾气收集系统。混凝土搅拌车中的搅拌罐内装有未固化的胶凝材料，与混凝土搅拌车排放的一部分CO 2混合，将未固化的胶凝材料碳化为CaCO 3。汽车尾气捕集系统采用胺类、碳酸盐、氨、氢氧化物、活性炭、沸石、金属有机骨架、介孔结构、碳捕集过滤器、纤维、微孔结构等碳捕集结构。
总结
虽然捕获的碳仅占总排放量的 0.1%，但需要增加 100 倍才能实现 2050 年设定的全球目标。CCU 是一种更具可持续性的解决方案，其中 CO 2被回收以创造有价值的产品，例如燃料，建筑材料、增值化学品等，全球各地的公司都在进行巨额投资，以利用 CO 2制造燃料或增值化学品。正在建造紧凑型模块化 CCU 单元，以方便运输和简单安装。各国政府致力于减少全球变暖，并支持行业的举措。虽然澳大利亚目前是 CCUS 技术的领导者，零碳或低碳建筑材料的产量最高，但其他国家也有望加入竞争。
文章来源：碳中和学习与时间
微信
QQ
微博