碳利用：破解气候难题的关键技术路径

碳利用（CCUS）技术体系是应对全球气候变化的重要技术组合，它并非单一技术，而是由碳捕获、碳运输、碳封存与碳利用四个核心环节构成的完整产业链。这一技术体系的核心目标是将工业排放源产生的二氧化碳进行有效拦截，通过一系列技术手段避免其直接进入大气环境，同时探索将捕获的二氧化碳转化为具有经济价值的产品，实现环境效益与经济效益的协同。在工业领域，CCUS 技术已成为高耗能行业低碳转型的重要支撑，无论是钢铁、水泥等传统制造业，还是电力、化工等能源密集型产业，都能通过这一技术降低碳排放强度，为实现 “双碳” 目标提供切实可行的解决方案。

碳捕获环节是 CCUS 技术体系的起点，也是决定整个系统效率的关键一步。目前主流的碳捕获技术主要分为燃烧前捕获、燃烧后捕获和富氧燃烧捕获三种类型，不同技术路径适用于不同的工业场景。燃烧前捕获技术通常应用于整体煤气化联合循环（IGCC）电站，通过将煤炭等燃料在高温高压下与氧气、蒸汽反应生成合成气，再对合成气中的二氧化碳进行分离捕获，这种技术的优势在于二氧化碳浓度高，捕获效率可达 90% 以上，但前期设备投资成本较高。燃烧后捕获技术则是在燃料燃烧后对烟气中的二氧化碳进行分离，适用于已建成的火电厂、钢铁厂等设施的改造，无需对原有生产系统进行大规模调整，灵活性较强，不过由于烟气中二氧化碳浓度较低（通常在 10%-15%），需要消耗更多能源进行分离提纯。富氧燃烧捕获技术通过向燃烧器中通入高浓度氧气，减少氮气等惰性气体的混入，从而提高烟气中二氧化碳的浓度，降低后续分离成本，这种技术对锅炉改造要求较高，目前仍处于示范应用阶段。

碳运输环节承担着将捕获的二氧化碳从排放源输送至封存或利用地点的重要任务，其技术选择需综合考虑运输距离、运输量以及区域地理条件。目前常见的二氧化碳运输方式主要包括管道运输、船舶运输和公路运输三种。管道运输是大规模、长距离运输二氧化碳的首选方式，具有运输效率高、成本低、环境风险小等优点，适用于陆上固定排放源与封存点之间的连接，例如美国得克萨斯州的碳捕集与封存项目就构建了长达数百公里的二氧化碳输送管道网络。管道运输系统通常采用无缝钢管，内壁需进行防腐处理，同时配备压力监测、泄漏检测等安全保障设施，确保二氧化碳在高压状态下稳定输送。船舶运输则适用于跨海域或长距离跨海运输场景，尤其适合将沿海地区工业排放的二氧化碳输送至深海封存区域，其运输能力可通过定制化船舶设计实现灵活调整，不过受限于港口设施和航行时间，运输成本相对较高。公路运输主要适用于小规模、短距离的二氧化碳运输，通常采用高压储罐车，灵活性强，但运输量有限，且受道路条件和交通管制影响较大，一般作为管道运输和船舶运输的补充方式。

碳封存环节是实现二氧化碳长期减排的核心手段，其原理是将捕获的二氧化碳注入地下特定地质构造中，通过物理屏障和化学固定作用实现长期封存，防止其重新释放到大气中。目前已探明的二氧化碳封存地质体主要包括枯竭油气田、深部盐水层和煤层三种类型。枯竭油气田是较为成熟的封存场所，这类地质构造具有良好的密封性和稳定性，过去开采油气过程中形成的井网和基础设施可直接用于二氧化碳注入，同时注入的二氧化碳还能起到驱油作用，提高油气采收率，实现经济效益与环境效益的双赢，例如挪威北海的 Sleipner 项目就是利用枯竭气田进行二氧化碳封存的典型案例，自 1996 年以来已累计封存超过 3000 万吨二氧化碳。深部盐水层是分布最广泛的封存资源，这类地质体位于地下千米以上的沉积岩层中，含有高浓度盐水，具有巨大的储存容量，不过由于盐水层的地质条件复杂，需要通过详细的地质勘探和数值模拟评估其封存潜力和安全性，目前全球多个国家正在开展深部盐水层封存的示范项目。煤层封存则是利用煤层中的孔隙结构吸附二氧化碳，同时将煤层中吸附的甲烷置换出来，实现煤层气的开采，这种技术被称为二氧化碳驱煤层气（CO₂-ECBM），不过受限于煤层透气性和甲烷含量，其封存规模和经济性仍需进一步提升。

碳利用环节是 CCUS 技术体系中最具创新性的部分，它通过将捕获的二氧化碳转化为化工产品、建筑材料、燃料等，实现二氧化碳的资源化利用，不仅能减少碳排放，还能创造经济价值，为 CCUS 技术的商业化推广提供动力。在化工领域，二氧化碳可作为原料用于生产尿素、甲醇、碳酸二甲酯等基础化工产品，传统化工生产中通常采用天然气或煤炭作为碳源，而利用二氧化碳作为原料不仅能降低对化石能源的依赖，还能减少生产过程中的碳排放。例如，我国某化工企业已建成年产 10 万吨二氧化碳制甲醇项目，通过将捕获的二氧化碳与氢气反应生成甲醇，产品可用于生产烯烃、二甲醚等下游产品，实现了二氧化碳的循环利用。在建筑材料领域，二氧化碳可用于混凝土碳化养护，通过将二氧化碳通入混凝土养护环境中，使其与水泥水化产物发生化学反应生成碳酸钙，不仅能提高混凝土的强度和耐久性，还能实现二氧化碳的永久固定，目前该技术已在我国多个预制混凝土构件生产基地应用，每立方米混凝土可固化 50-100 公斤二氧化碳。在能源领域，二氧化碳可用于藻类养殖，通过向藻类培养系统中通入二氧化碳，为藻类生长提供碳源，藻类生物质可进一步加工成生物柴油、生物乙醇等可再生能源，同时藻类还能用于生产高蛋白饲料和食品添加剂，形成多元化的产业链。

CCUS 技术的应用过程中仍面临着一系列技术和经济挑战，需要通过持续的技术创新和政策支持加以解决。在技术层面，碳捕获环节的能源消耗仍然较高，尤其是燃烧后捕获技术，通常需要消耗电厂 15%-25% 的发电量，导致能源利用效率下降；碳封存环节的长期安全性仍需进一步验证，虽然目前的监测数据显示封存地质体具有良好的密封性，但长期来看仍存在二氧化碳泄漏的风险，需要建立完善的监测、报告与核查（MRV）体系；碳利用环节的产品附加值较低，多数利用途径仍处于小规模示范阶段，难以形成规模化市场，需要加强技术研发，拓展高附加值利用路径。在经济层面，CCUS 技术的初始投资成本较高，一套百万千瓦级火电厂配套的碳捕集系统投资通常超过 10 亿元，同时运行成本也显著高于传统生产系统，导致相关项目的经济性较差，需要政府通过财政补贴、税收优惠等政策手段降低项目成本，同时建立碳市场交易机制，让企业通过碳减排获得额外收益，提高企业参与 CCUS 项目的积极性。

不同行业的 CCUS 技术应用呈现出差异化特征，需要根据行业特点制定个性化的技术方案。电力行业作为二氧化碳排放的主要来源之一，CCUS 技术的应用重点在于降低火电厂的碳排放强度，尤其是在新能源发电尚无法完全替代火电的情况下，CCUS 技术成为保障电力供应安全与实现低碳转型的重要选择。目前全球已有多个火电厂 CCUS 示范项目投入运行，例如美国 Kemper 项目、英国 Drax 项目等，这些项目通过采用不同的碳捕获技术路径，探索火电厂低碳运行的可行模式。钢铁行业的碳排放主要来源于烧结、炼铁等工序，由于生产过程复杂，二氧化碳排放源分散，CCUS 技术的应用面临更大挑战，通常需要结合工艺优化与碳捕获技术，例如在高炉炼铁过程中采用富氧燃烧技术，同时对烧结烟气进行集中捕获，实现全流程减排。水泥行业的碳排放主要来自石灰石分解和燃料燃烧，其中石灰石分解产生的二氧化碳占比超过 60%，这类排放被称为 “过程排放”，难以通过能源替代实现减排，因此 CCUS 技术成为水泥行业实现碳中和的关键手段，目前国际上已有多个水泥窑 CCUS 示范项目，通过采用燃烧后捕获技术对窑尾烟气中的二氧化碳进行捕获，同时探索将捕获的二氧化碳用于水泥生产过程，实现循环利用。

CCUS 技术的发展还需要加强国际合作与技术交流，全球气候变化是人类共同面临的挑战，没有任何一个国家能够单独应对，只有通过各国之间的协同合作，才能加快 CCUS 技术的研发与推广。目前国际社会已建立了多个 CCUS 合作平台，例如 “碳捕集、利用与封存国际合作计划”（IEA CCUS）、“全球碳捕集与封存研究院”（GCCSI）等，这些平台通过组织技术研讨、共享示范项目经验、协调标准制定等方式，推动全球 CCUS 技术的共同发展。在技术标准方面，由于不同国家和地区的地质条件、工业基础存在差异，CCUS 技术标准尚未完全统一，需要通过国际合作制定全球通用的技术规范和安全标准，确保 CCUS 项目的安全性和可靠性。在资金支持方面，发达国家应加大对发展中国家的技术转让和资金援助，帮助发展中国家建立 CCUS 技术研发能力和示范项目，缩小各国之间的技术差距，共同推动全球低碳转型进程。

从技术原理到实际应用，CCUS 技术体系展现出了强大的减排潜力和多元化的发展路径。它不仅是高耗能行业实现低碳转型的必要手段，也是构建新型电力系统和工业体系的重要支撑。随着技术的不断进步和成本的逐步下降，CCUS 技术将在全球碳中和进程中发挥更加重要的作用，为实现气候目标提供坚实的技术保障。同时，我们也需要认识到，CCUS 技术并非万能，它不能替代新能源开发、能源效率提升等其他减排措施，只有将 CCUS 技术与其他低碳技术相结合，形成多技术协同的减排体系，才能真正实现经济发展与环境保护的协调统一，为人类创造一个更加可持续的未来。