碳捕集、利用與封存（CCUS）是指將工業(yè)和有關(guān)能源產(chǎn)業(yè)所生產(chǎn)的CO?分離、利用，輸送至封存地點并長期與大氣隔絕的過程。

國際能源署(IEA)、聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)、國際可再生能源機構(gòu)(IRENA)等均指出CCUS是最具潛力、最具實效的碳處理技術(shù)。作為我國實現(xiàn)碳中和目標技術(shù)組合的重要組成部分，不僅是我國化石能源低碳利用的唯一技術(shù)選擇，保持電力系統(tǒng)靈活性的主要技術(shù)手段，而且是鋼鐵水泥等難減排行業(yè)的可行技術(shù)方案。

CO?捕集技術(shù)是指將電力、化工等行業(yè)利用化石能源時產(chǎn)生的CO?進行收集和分離的過程，該環(huán)節(jié)是CCUS系統(tǒng)耗能和成本產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)。按照分離流程，捕集技術(shù)可劃分為3個方向:燃燒前捕集、富氧燃燒捕集、燃燒后捕集。

燃燒前捕集技術(shù)包括整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）和工業(yè)分離兩大類。IGCC是將煤炭、生物質(zhì)、石油焦等燃料進行氣化，凈化后的氣體用于燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的技術(shù)；工業(yè)分離是指煤制油、煤制氣、天然氣處理、水泥、甲醇、化肥等產(chǎn)業(yè)中進行CO?分離。

燃燒后捕集技術(shù)主要是在燃煤發(fā)電廠采用物理化學方法對燃燒后煙道氣中的CO?進行捕集。該技術(shù)發(fā)展相對成熟，中國華能集團有限公司、國家能源集團在該領(lǐng)域處于領(lǐng)跑地位，已建成數(shù)套10×10?t級捕集裝置。煉化等企業(yè)已開展了中低濃度CO?的捕集研究和試驗，但因技術(shù)、經(jīng)濟原因，捕集利用受限。目前大慶石化、吉林石化正在開展100×10?t低濃度、低成本（低于220元/t）CO?捕集技術(shù)攻關(guān)和工業(yè)裝置建設(shè)。

富氧燃燒捕集技術(shù)是利用高純度的O?代替空氣，與化石燃料以及燃燒后返回的部分高濃度CO?一起進入燃燒室燃燒，生成以水蒸氣、CO?、SO?、NOx和顆粒物為主的煙氣，顆粒物和SO?可分別通過傳統(tǒng)的靜電除塵器和煙氣脫硫方法去除，剩余煙氣中的CO?濃度很高，體積分數(shù)一般為80%～98%，易于捕集。富氧燃燒捕集技術(shù)具有相對成本低、易于現(xiàn)有機組改造、煙氣中沒有氮氧化合物等優(yōu)勢，被認為是最有可能大規(guī)模推廣和商業(yè)應(yīng)用的CO?捕集技術(shù)之一。然而，使用空氣分離設(shè)備制備O?的時候會消耗大量能量，造成成本上升，并且煙氣中的SO?會加劇系統(tǒng)腐蝕問題。國內(nèi)的華中科技大學、神華國華電力研究院相繼開展了富氧燃燒煙氣壓縮凈化工藝探索。

相較而言，燃燒后捕集技術(shù)具有較高的選擇性和捕集率，且該技術(shù)中國與發(fā)達國家間差距不大，是目前應(yīng)用較為廣泛且成熟的捕集技術(shù)。根據(jù)不同碳捕捉技術(shù)的特性可以看出，燃燒前捕集和富氧燃燒需要合適的材料和操作環(huán)境來滿足高溫要求，這兩種技術(shù)的研究與開發(fā)和示范性項目較少。

待碳捕集完成后還需進行CO?的分離，目前最先進且被廣泛采用的方法是化學吸收、物理分離、膜分離法等。

除了以上三種對化石燃料和工業(yè)過程產(chǎn)生的二氧化碳進行捕集的傳統(tǒng)CCUS捕集技術(shù)。近年來，生物質(zhì)能-碳捕集（BECCS）技術(shù)和空氣碳捕集（DACCS）技術(shù)也取得了一定的發(fā)展。生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院按照可持續(xù)發(fā)展情景估計，到2070年，生物質(zhì)能和空氣碳捕集途徑占比將進一步上升，從2050年的19.6%上升至36.2%。

生物質(zhì)能-碳捕集與封存（BECCS）技術(shù)利用植物的光合作用，結(jié)合生物質(zhì)能和CCUS來實現(xiàn)溫室氣體負排放，將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物，并以植物生物質(zhì)的形式積累存儲下來，在長期緩解二氧化碳排放方面具有明顯優(yōu)勢，在全球范圍內(nèi)具有可觀的碳潛力。目前美國、英國等一些發(fā)達國家進行了BECCS相關(guān)的示范工程，預計接下來將有更多的國家投入到這一領(lǐng)域。

直接空氣碳捕捉（DACCS），指利用化學反應(yīng)，將空氣中的碳提取出來，當空氣經(jīng)過裝有液體溶劑或固體吸附劑（均為常見的化學品）的裝置時，二氧化碳會留在溶劑或吸附劑中，而其他成分則離開裝置回到空氣中。當溶劑或吸附劑“裝滿”了二氧化碳后，對充滿二氧化碳的溶劑或吸附劑進行加熱脫碳，溶劑或吸附劑得以循環(huán)利用，而脫出的二氧化碳被注入并封存在地層，或者被直接利用。至今技術(shù)最成熟的幾個公司分別是Climeworks, Carbon Engineering和Global Thermostat。這三家公司共有18個工廠，各工廠的產(chǎn)能從捕捉1噸二氧化碳/年到4000噸二氧化碳/年不等，18個工廠的產(chǎn)能合計每年捕捉8000噸二氧化碳，其中，約有4000噸二氧化碳是被永久封存的，另外4000噸，則被出售另作他用。年產(chǎn)能為捕捉1百萬噸二氧化碳每年的試驗工廠已在建設(shè)中，落于美國西南地區(qū)，預計2024年底投產(chǎn)。直接空氣碳捕捉這項技術(shù)被歸為“技術(shù)成熟度6級”，意味著這項技術(shù)仍然處于完全商用前的階段，提高技術(shù)效益和降成本是目前的突破點。

我國CO?運輸主要有公路罐車運輸和管道運輸。其中，公路罐車具有運輸靈活、可利用現(xiàn)有公路系統(tǒng)、前期投資少等優(yōu)勢，但其運力低、單位成本高、擠占道路資源、易產(chǎn)生安全事故，主要適用于小規(guī)模、短距離、非連續(xù)性陸上運輸?shù)腃CUS示范項目。管道運輸具有運量大、運輸距離遠、可實現(xiàn)連續(xù)性運輸、運輸成本相對較低、受外界干擾影響小、擠占社會公共資源少等優(yōu)勢，是目前國際陸上大規(guī)模CCUS項目最主要的運輸形式。但其前期投資高昂，受地形影響大，需要超前規(guī)劃。

我國現(xiàn)有CCUS試點示范項目基本都采用公路罐車運輸方式，現(xiàn)有商業(yè)化和示范項目中已建成CO?運輸管道3條，累計長度約80公里，分別是吉林油田EOR項目CO?運輸管道、華東油田EOR項目CO?運輸管道和勝利油田EOR項目CO?運輸管道。另有數(shù)條已完成預可研或設(shè)計，累計長度可超過300公里。根據(jù)北京理工大學能源與環(huán)境政策研究中心評估結(jié)果顯示，若CCUS技術(shù)要實現(xiàn)約6億噸CO?的最大年減排需求，需要對全國172個煤電集群進行改造，需要182個封存樞紐參與CO?封存或利用，所需的CO?運輸管道總里程約1.7萬公里，單條管道平均長度為57.7公里，最長長度達535公里。松遼盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地周邊區(qū)域可以形成較好的管道運輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有集群優(yōu)先發(fā)展?jié)摿Α?/p>

CO?的資源化利用方式主要有：化工利用、生物利用和礦化利用。

CO?的化工利用是指以CO?為原料，與其他物質(zhì)發(fā)生化學轉(zhuǎn)化，產(chǎn)出附加值較高的化工產(chǎn)品，如甲醇、碳酸鹽、乙酸、乙醇等。但由于CO?是一種惰性氣體，需要大量能量才能使其發(fā)生化學反應(yīng)，這意味著將其轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品的成本可能會很昂貴，克服這個問題就需找到不需要消耗大量能量的產(chǎn)品，或者找到轉(zhuǎn)換CO?的低能耗方法。化學轉(zhuǎn)化產(chǎn)品涉及多個領(lǐng)域，可轉(zhuǎn)化二氧化碳量級在十萬噸/千萬噸級。

CO?生物利用技術(shù)是指，通過模擬自然界中植物和微生物等的自然光合作用過程，設(shè)計和構(gòu)建出全新的人工光合體系與路徑，從而將CO?更加高效地轉(zhuǎn)化為合成化學品和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。目前微藻固碳技術(shù)是被廣泛關(guān)注的方法，主要以微藻固定CO?轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學品、生物肥料、食品和飼料添加劑等。

此外，受天然生物固碳的啟發(fā)，解析天然生物固碳酶的催化作用機理，融合各類技術(shù)創(chuàng)建了全新的人工固碳酶和固碳途徑。在眾多的碳利用技術(shù)中，融合合成生物學手段的人工生物轉(zhuǎn)化CO?技術(shù)扮演著尤其重要的角色:一方面實現(xiàn)高效的人工生物固碳，能夠有效減少溫室氣體的排放量，加快向碳中和轉(zhuǎn)化的推進步伐;另一方面還為解決糧食安全、太空探索等重大課題提供了關(guān)鍵思路。但該類技術(shù)距離商業(yè)化落地至少還需10年的時間。

CO?礦化封存技術(shù)是指模仿自然界CO?礦物吸收過程，利用天然硅酸鹽礦石或固體廢渣中的堿性氧化物，如CaO、MgO等將CO?化學吸收轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的無機碳酸鹽的過程。起初該方法并未得到重視，原因在于礦物封存過程過于緩慢，理論上需要成百上千年。而后，冰島的CarbFix項目改變了這個固有想法，CO?在玄武巖層中的礦化速度十分驚人，遠超過研究人員預期，不到兩年時間，該項目近95%的CO?被礦化，證明了其在工業(yè)規(guī)模上的可行性。盡管如此，但該方法仍存在局限性，每噸CO?的礦化過程需要消耗將近25m3的水，因此該技術(shù)并不是在地球上所有地方都適用，且極其消耗水資源，并非良策。

隨著技術(shù)的發(fā)展，利用CO?礦化處理廢棄物成為新的研究思路。利用富含鈣、鎂的大宗固體廢棄物（如煉鋼廢渣、水泥窯灰、粉煤灰、磷石膏等）礦化CO?聯(lián)產(chǎn)化工產(chǎn)品，在實現(xiàn)CO?減排的同時得到具有一定價值的無機化工產(chǎn)物，以廢治廢、提高CO?和固體廢棄物資源化利用的經(jīng)濟性，是一種非常有前景的大規(guī)模固定CO?利用路線。目前已開發(fā)出基于氯化物的CO?礦物碳酸化反應(yīng)技術(shù)、濕法礦物碳酸法技術(shù)、干法碳酸法技術(shù)以及生物碳酸法技術(shù)等。我國在鋼渣、磷石膏礦化利用技術(shù)方面也取得重要進展 。

二氧化碳轉(zhuǎn)化與利用始終是CCUS技術(shù)創(chuàng)新突破難點，全球范圍都將研發(fā)力量集中在該環(huán)節(jié)。只有少數(shù)技術(shù)(如強化采油和浸采采礦技術(shù))發(fā)展較快，已進入商業(yè)化應(yīng)用階段，其余大部分技術(shù)仍屬于研發(fā)或工業(yè)示范階段，距離規(guī)模化落地仍有一定距離。從二氧化碳捕集量級及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，除CO?強化石油開采技術(shù)外，未來在短期內(nèi)有望廣泛應(yīng)用/發(fā)展的轉(zhuǎn)化方式為CO?礦化封存技術(shù)(強化水泥方向)及化工利用(重整制備天然氣等)方向。

油藏可以作為CO?封存的較為理想的場所，在油田開發(fā)過程中注入CO?，一部分氣體溶解或者擴散到原油和地層水當中，還有一部分與巖石反應(yīng)沉積在油藏中。開始注入時，CO?氣體在液相密度差及浮力的作用下發(fā)生對流，使得CO?向儲層上方運移，直到被蓋層阻止。該過程中CO?與地下水接觸，發(fā)生部分溶解。剛開始溶解時，接觸面會首先形成飽和CO?的鹽水層，在不同鹽水層密度差的作用下，CO?將從高濃度向低濃度方向做重力擴散，該擴散以橫向鋪展為主，其動力以分子的自發(fā)擴散為主。在分子擴散主導的運移過程中，注入CO?將進一步在鹽水中溶解，其余的則繼續(xù)橫向遷移。對流、擴散、溶解和運移依次發(fā)生、相互促進。注入CO?驅(qū)油的過程中，約3/5的氣體留在油藏中，另外2/5隨原油一起被開采出來，經(jīng)過分離后再次注入油藏循環(huán)利用，并最終被封存在油藏中。

CO?強化采油技術(shù)已進入商業(yè)應(yīng)用，該技術(shù)在實現(xiàn)封存CO?的同時可以提高石油采收率，額外采出的原油所實現(xiàn)的經(jīng)濟效益可以有效降低CCUS項目的成本，每注入1t CO?可產(chǎn)出0.1～0.6t原油。由于油氣藏具有完整的地質(zhì)資料和基礎(chǔ)設(shè)施等有利條件，在油田開展CCUS是當下大規(guī)模推廣CCUS的主流方向。