CO2捕獲與儲存(Carbon Capture and Storage，CCS)技術的雛形源於20世紀70年代美國用CO2進行驅油來提高石油采收率(Enhanced OilRecovery，EOR)的技術。經過近40年的研究和實踐，逐步發展成為氣候變化背景下減排溫室氣體的重要技術手段之壹。近年來，歐洲成為CCS技術研發的先驅(中科院武漢文獻情報中心，2011)。
根據《IPCC特別報告———二氧化碳捕獲和封存》(政府間氣候變化專門委員會(IPCC)，2005，以下簡稱“IPCC特別報告”)，CCS技術是指把CO2從工業或相關能源的源裏分離出來，輸送到壹個儲存場地，並長期與大氣隔絕的過程。
IPCC特別報告認為，CCS技術是穩定大氣溫室氣體濃度減緩行動組合中的壹種選擇方案(IPCC，2005)。尚包括提高能源效率、向低含碳量燃料轉變、核能、可再生能源、增加生物匯以及非CO2溫室氣體的減排等。從應用層面上簡單地說，CCS技術就是把化石燃料燃燒產生的CO2進行捕獲並將其安全地儲存於地下深部的地質構造中(陳文穎等，2007)，從而減少CO2向大氣環境的排放。
壹、二氧化碳捕獲和儲存的主要組成部分
CCS技術主要包括CO2捕獲、運輸和儲存三大主要環節(圖1－1)。
1.碳源
聯合國氣候變化框架公約(UNFCCC，1992)將溫室氣體的“源”定義為任何向大氣中釋放產生溫室氣體、氣溶膠或其前體的過程、活動或機制。溫室氣體的“匯”為從大氣中清除溫室氣體、氣溶膠或其前體的過程、活動或機制。“點源”是指局限在壹個單點位置的排放源(ICPP，2005)。
CO2主要由化石燃料燃燒所排放，排放源既包括大型燃燒設備，如燃煤發電廠;也包括小型分散源，如汽車發動機、居民和商業用戶使用的燃燒爐。還可從壹些工業生產過程、石油天然氣加工處理以及焚燒森林植物等過程中排放。CO2的捕獲主要用於較大的CO2點源，包括大型化石燃料或生物能源設施、主要CO2排放工業企業、天然氣生產、合成燃料廠以及基於化石燃料的制氫工廠等(師春元等，2006)。
全球大於10×104t/a的CO2固定排放源情況見表1－1。這些排放源分布在全球各地，其中北美(美國中西部和東部)、歐洲(西北部地區)、東亞(中國東部沿海)和南亞(印度次大陸)是四個特殊的排放群。相比之下，大範圍的生物質排放源數量則要少得多。同時，上述排放源並不都適合進行CO2的捕獲。
目前，中國各區域CO2排放量差異顯著，呈現由東南部沿海向中部和西部地區遞減的趨勢。高排放區域主要集中在東南部沿海經濟發達地區和內蒙古、河南等少數內陸省份，總體形成內蒙古—河北—遼寧—山東—江蘇—浙江的高排放帶(以環渤海區和長三角區為主)和珠三角高排放區。
圖1－1CO2捕獲和儲存(CCS)主要組成部分示意圖(據CaptureReady.com新聞通訊雙周刊，2011)
表1－1全球大於10×104t/a的CO2排放量固定排放源情況
2.捕獲
CO2的捕獲(Capture)是指將CO2從化石燃料燃燒產生的煙氣中分離出來，並將其壓縮的過程。對於大量分散型的CO2排放源尚難實現碳的捕獲(ICPP，2005;巢清塵等，2006)。CO2的捕獲主要用於大規模排放源，如大型化石燃料或生物能源設施、主要CO2排放型工業、天然氣生產、合成燃料工廠以及基於化石燃料的制氫工廠等。
目前，燃煤電廠主要有燃燒前脫碳、燃燒後脫碳和富氧燃燒技術3種不同的捕獲技術(許世森等，2009)。
燃燒前脫碳技術(PCDC):是指在碳基燃料燃燒前，首先將其化學能從碳中轉移出來，然後再將碳和攜帶能量的其他物質進行分離，這樣就可以實現碳在燃料利用前進行捕獲。最典型的是整體煤氣化聯合循環發電技術(IGCC)。IGCC是結合了煤氣化技術與聯合循環發電技術的新型發電技術。它對氣化得到的煤氣進行變換反應，使煤氣轉變為CO2和H2，最終將燃料化學能轉移到H2上，然後再對CO2和H2進行分離。
基於IGCC的PCDC處理的氣體具有高的氣體壓力和CO2濃度，從而使得物理吸附法比化學吸附法更能體現出優勢。分離CO2的典型物理吸收法是聚乙二醇二甲醚法(Selexol法)和低溫甲醇法(Rectisol法)。這兩種方法都屬於低溫吸收過程，Selexol法的吸收溫度壹般為－10～15℃，低溫甲醇法的吸收溫度壹般為－75～0℃。另外，這兩種技術能夠同時脫除CO2和H2S，且凈化度較高，可在系統中省去脫硫單元，但相應需要采用耐硫變換技術。
目前國內外提出的多項降低CO2排放的潔凈煤發電計劃中，絕大部分是基於IGCC發電技術的，並集成了燃料電池、氫氣輪機、碳捕獲與儲存等技術手段，最終實現包括CO2在內的溫室氣體近零排放。
燃燒後脫碳技術(PCC):是在燃燒設備(鍋爐或燃機)後的煙氣中捕獲或者分離CO2。該技術幾乎可用於任何現有的煤基電廠，並且對原有的電廠系統改動較小。現有的絕大多數火力發電技術，包括新建和改造，都只能采用PCC的方法進行CO2的分離。但另壹方面，采用PCC方法需要處理的煙氣量大、排放壓力低、CO2的分壓小，投資和運行成本較高。
富氧燃燒技術:是利用空分系統獲得富氧或純氧，然後將燃料與氧氣壹同進入專門的純氧燃燒爐進行燃燒，壹般需要對燃燒後的煙氣進行重新回註燃燒爐。壹方面降低了燃燒溫度;另壹方面進壹步提高了CO2的體積分數。由於煙氣中CO2的體積分數高，可顯著降低CO2捕獲的能耗，但必須采用專門的純氧燃燒技術，需要專門材料的純氧燃燒設備以及空分系統，這將大幅度提高系統的投資成本。目前，大型富氧燃燒技術仍處於研究階段(黃斌等，2007)。
3.運輸
所謂CO2運輸(Transport)，就是將CO2從捕獲地運往地質儲存場地的過程。CO2的運輸方式主要有管道運輸、公路槽車運輸、鐵路運輸和船舶運輸四種。這四種方式各有優缺點，都存在壹定的適用範圍。在技術上，公路槽車和鐵路罐車也是切實可行的方案。然而，除小規模運輸之外，這類運輸與管道和船舶運輸相比則不經濟，不大可能用於大規模的CO2運輸(ICPP，2005)。
公路槽車運輸CO2時，可利用絕緣罐將液態CO2進行運輸。壹般而言，公路槽車運輸成本最高，運輸費用可達17美元/(100km·t)，但相對靈活，適合於運量小的場地。
鐵路運輸的成本比汽車槽車低，運輸量比汽車槽車大，但必須依托現有的火車鐵路運輸設施，否則初期投資相對較大。
在某些情況下，需要長途運輸或需將CO2運至海外時，使用船舶運輸CO2則更為經濟，但因需求有限，加之存儲CO2的設備必須要承受高壓或低溫條件，該類運輸規模較小。
目前，最可行的辦法是利用管道輸送。管道是壹種已成熟的市場技術，壹般將氣態的CO2進行壓縮提高密度，以降低管道的運輸成本。據APEC官方統計，管道運輸成本最低。如果每年管道的運輸量大於1000×104t，運輸費用為2～6美元/(100km·t)，但管道運輸只適用於特定的條件，尤其是要解決運輸過程中的CO2腐蝕和泄漏問題。
4.儲存
CO2儲存(Storage)是指把捕獲、壓縮後的CO2運輸到指定的地點進行長期儲存的過程(劉嘉等，2009)。目前，主要的儲存方式有地質儲存、海洋儲存、礦物固化以及森林和陸地生態系統儲存等。另外，壹些工業流程也可在生產過程中利用和存儲少量被捕獲的CO2。
二、二氧化碳主要儲存技術
目前潛在的可用於儲存CO2的技術有地質儲存、海洋儲存、礦物固化以及森林和陸地生態系統儲存(師春元等，2006)。盡管用於工業生產中也是CO2儲存的壹種途徑，但由於儲存量少，對減少CO2排放的貢獻率相對較小。圖1－2給出了可能的CCS系統組成示意圖。圖中集中展示了CO2可能的來源、運輸以及儲存方案。
圖1－2可能的CCS系統構成示意圖(據IPCC，2005)
1.地質儲存
CO2地質儲存(CO2geological storage，CGS)就是把從集中排放源分離得到的CO2註入地下深處具有適當封閉條件的地質構造中儲存起來。CO2地質儲存場所多種多樣，主要有沈積盆地內的深部鹹水含水層、開采中或已廢棄的油氣藏和因技術或經濟原因而棄采的煤層，以及開采過的大洞穴、鹽巖溶腔和廢棄的礦藏等(李小春等，2003;張洪濤等，2005;沈平平等，2009)。CO2地質儲存的主要技術方案見圖1－3。
CO2地質儲存就是利用CO2具有的超臨界特點，即當溫度高於31.1℃、壓力高於7.38MPa時，CO2進入超臨界狀態。在超臨界狀態，CO2是壹種高密度氣體，並不會液化，只是密度增大，具有類似液態的性質，同時還保留著氣體的性能。超臨界CO2的典型物理特性為密度近於液體，是氣體的幾百倍，使得儲存空間大大減少;黏度近於氣體，與液體相比，要小兩個數量級;擴散系數介於氣體和液體之間，約為氣體的1/100，比液體大幾百倍，因而具有較大的溶解能力(韓布興，2005)。
碳封存領導人論壇(Carbon Sequestration Leadership Forum，CSLF)(2008)指出CO2地質儲存機理可以分為兩大類:物理貯存和化學貯存。其中，物理貯存包括構造地層貯存、束縛貯存和水動力貯存;化學貯存包括溶解貯存和礦化貯存。
欲實現CO2地質儲存必須滿足CO2以超臨界流體態的形式儲存於地下，埋藏深度必須≥800m，CO2－EOR(CO2－EOR即“二氧化碳提高石油回采率”技術，下同)和CO2－ECBMR(CO2－ECBMR即“二氧化碳提高煤層氣采收率”技術，下同)除外。CO2地質儲存相當於營造壹個地下人工氣藏，其選址條件主要考慮以下因素:位於地質構造穩定的地區，地震、火山、活動斷裂不發育，所儲存的CO2向大氣泄漏的可能性微小;儲層孔隙度和滲透率高，有壹定厚度，能達到所需要的存儲庫容;上覆有不透氣的封閉蓋層。
圖1－3CO2地質儲存方案示意圖(據IPCC，2005)
與天然氣儲氣庫儲層條件不同的是還要考慮以下因素:儲層壓力超過CO2的臨界值，在這種壓力下CO2受到壓縮，密度達到600～800kg/m3，浮力低於天然氣而高於原油;較低的地熱梯度和地熱流值，使CO2在較小的深度下能達到較高的密度;對人類社會和自然環境、資源帶來的負面影響小(沈平平等，2009)。
IPCC的研究表明，CO2性質穩定，可以在相當長的時間內被儲存。若地質儲存場地是經過謹慎選址和精心論證、設計、施工與管理的，註入其中的CO2的99%都可儲存1000年以上。
2.海洋儲存
海洋儲存CO2有兩種潛在的途徑。壹種是經固定的管道或船舶運輸將CO2註入並溶解到海洋水體中(以1000m以下最為典型);另壹種是經由固定的管道和安裝在深度3000m以下海床上的海上鉆井平臺將其沈澱，在海底形成壹個CO2“湖”，從而延緩CO2分解於周圍環境中(圖1－4)。
被溶解和分解在海洋裏的CO2將成為全球碳循環的壹部分，並最終與大氣中的CO2達到平衡。在目前進行的壹系列實驗室和小規模試驗中，已針對各種方案的技術可行性、相關的物理化學現象以及對海洋生態系統的影響進行了初步研究。現階段，海洋儲存CO2技術仍處於研究階段，尚未得到應用。
3.礦物固化
CO2的礦物固化是模仿自然界中鈣/鎂矽酸鹽礦石的侵蝕和風化過程來實現的，由瑞士學者W.Seifritz於1990年率先提出。該反應過程的通式為:
中國二氧化碳地質儲存地質基礎及場地地質評價
圖1－4海洋儲存CO2方法示意圖(據IPCC，2005)A—溶解型;B—湖泊型
隨後，Dunsmore(1992)研究了用鈣/鎂碳酸鹽礦物固化CO2的方法。這個過程也被稱作增強自然風化，Lackner等(1995)詳細研究了該過程的細節問題。此後，礦物碳酸鹽化研究開始加速，歐美許多國家紛紛設立專門研究機構開展CO2的礦物固化研究工作。
礦物固化主要是指利用含有堿性和堿土金屬氧化物的礦石與CO2反應將其固化，生成永久的、更為穩定的諸如碳酸鎂(MgCO3)和碳酸鈣(CaCO3)之類碳酸鹽的壹系列過程。
在自然界中，本來就存在著大量的鈣/鎂矽酸鹽礦物，如矽灰石(CaSiO3)、橄欖石(Mg2SiO4)、蛇紋石［Mg3Si2O5(OH)4］和滑石［Mg3Si4O10(OH)2］等。這些鈣/鎂矽酸鹽礦石與CO2之間的反應可以自發地進行，生成穩定的碳酸鹽，但反應過程極其緩慢，不能直接用於工業過程。礦物固化應用於CO2固定時，需要通過過程強化，加速CO2與礦石之間的化學反應，從而達到工業上可行的反應速率並使工藝流程更加節能。除天然的矽酸鹽礦石外，某些含有鈣/鎂的固體廢物也可以作為礦物固化的原料。
CO2以及所有碳酸鹽化合物中，碳元素都處於最高價態形式，相對最穩定。但由於碳酸鹽的標準吉布斯自由能較CO2更低，因而碳酸鹽化合物形式相比CO2更為穩定。礦物固化CO2具有以下優勢(陳駿，2009)。
1)遵循了自然界中CO2的礦物吸收過程，即含堿金屬或堿土金屬的礦石與CO2反應，生成熱力學上更為穩定的碳酸鹽礦物，從而實現CO2的永久固化。由於沒有泄漏的風險，因而不需要長期投資進行監測;
2)原料十分豐富，包括含鈣/鎂的天然礦石，如鎂橄欖石、蛇紋石、滑石和水鎂石等，以及超基性巖和基性巖(如玄武巖)等，均可實現大規模CO2地質處置;
3)天然礦石的副產品具有較高的經濟價值，使得礦物固化具有商業化應用潛力;
4)可因地制宜實現排放源的就地固化或者礦石所處的原位固化。因此，研究CO2的礦物固化技術對未來CO2減排具有廣闊的應用前景。
目前，國際上提出了兩種CO2的礦物固化方式:壹種為異地(ex-situ)固化。即將礦石等固化原料運送到CO2排放源附近，通過反應裝置將CO2碳酸鹽化，從而達到固化目的;另壹種為原位(in-situ)固化。即將CO2直接註入地下多孔的基性—超基性巖巖體中，使CO2與巖石礦物直接反應，轉變為碳酸鹽(圖1－5)。
圖1－5礦物固化CO2流程示意圖(據IPCC，2005)
4.森林和陸地生態系統儲存
最近研究表明，全球生物生長可儲存CO2約20×108t/a(光合作用吸收600×108t/aCO2，通過有機物質的分解又有580×108t/a被釋放出來)。在壹個典型森林的生命周期中，每萬平方米森林每年的生物質增長量為3～10t(幹基)，約相當於固定等重的CO2。由於森林的成熟需要100年甚至更長的時間，部分儲存的碳可通過樹木的腐爛或燃燒重新釋放回環境。壹旦森林成熟，CO2的吸收就增加較少了(師春元等，2006)。
近20年來，中國森林吸收溫室氣體CO2的能力明顯增加，每年工業排放出的CO2平均有5%～8%，約2600×104t被吸收，從而為緩解全球溫室效應作出了積極貢獻。研究發現，20世紀70年代中期以前，由於毀林開荒等因素，中國森林向大氣凈排放了大量的CO2。但在最近20年裏情況發生了逆轉，森林凈吸收CO2的功能明顯增強，近20年***凈吸收約4.5×108t碳，相當於20世紀90年代中期中國工業CO2年均排放量的壹半。在被“固定”的碳中，人工林占了80%。據悉，中國人工林累計面積目前已居世界第壹位，森林覆蓋率也上升到16.55%(師春元等，2006)。