丁仲禮院士：碳中和的戰(zhàn)略邏輯和技術(shù)需求

 

提起固碳，我們首先想到的是自然過程，即通過海洋和陸地表面把大氣中的二氧化碳吸收固定。但這里必須指出，人類活動每年都向大氣中排放二氧化碳，這其中的一部分可以被自然過程所吸收，余下部分如不通過人為手段予以固定，則大氣中的二氧化碳濃度還會逐年增高。

我們講固碳，主要是指通過人為努力固定下的那部分，而地球自然固碳過程則屬于“天幫忙”，很難歸功于具體的國家或?qū)嶓w。

“人努力”進行固碳一般可分兩大途徑，一是生態(tài)系統(tǒng)的保育與修復，二是把二氧化碳捕集起來后，或加工成工業(yè)產(chǎn)品，或封埋于地下或海底，這第二方面就是經(jīng)常談到的“碳捕獲、利用與封存”——CCUS（Carbon Capture and Utilization-Storage）。

公眾對生態(tài)系統(tǒng)固碳都比較熟悉，它是利用植物光合作用吸收大氣中的二氧化碳，所吸收的碳有一部分長久保存在植物本身之中（比如樹干），也會有一部分凋落后（比如樹葉）腐爛進入土壤中以有機碳的形式得到較為長期的保存，當然有機碳也會部分轉(zhuǎn)化成無機碳并同地表系統(tǒng)中的鈣離子結(jié)合形成石灰石沉積。地表生態(tài)系統(tǒng)盡管類型多樣，但真正起主要作用的還是森林生態(tài)系統(tǒng)，這是因為森林中的各種樹木都有很長的生長期，在樹木適齡期內(nèi)，固碳作用可持續(xù)進行；當樹木進入成熟期，固碳能力就會減弱，但人們可以通過砍伐—再造林的方式繼續(xù)保持正向固碳作用，而砍伐的木材可以做成家具等產(chǎn)品，不至于把多年來固定的碳快速返還給大氣。

因此，生態(tài)系統(tǒng)固碳的重點在于森林生態(tài)系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)的管理一在于保育，二在于擴大面積。我國有大量適宜森林生長的山地，這些地區(qū)過去生態(tài)受到過較大程度的破壞，最近幾十年來，一直處在恢復之中，而這些人工次生林或喬/灌混雜林都很“年輕”，有進一步發(fā)育、固碳的潛力。同時，我國又有不少非農(nóng)用地可作造林之用，包括近海的灘涂種植紅樹林，城市鄉(xiāng)村的綠化用地種植樹木。所以說，生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)在我國實現(xiàn)碳中和過程中將起到至關(guān)重要的作用。

人為固碳的另一條途徑是CCUS，它包括碳捕集技術(shù)、捕集后的工業(yè)化利用技術(shù)（分為生物利用和化工利用兩大類）、地質(zhì)利用和封存技術(shù)。對這些技術(shù)，國內(nèi)外尚處在研發(fā)階段，真正大面積的應(yīng)用尚未見到。

碳捕集技術(shù)分三大類：

一是化學吸收法，它用化學吸收劑同煙道氣中的二氧化碳生成鹽類，再加熱或減壓將二氧化碳釋放并收集。

 

二是吸附法，又細分為化學吸附法和物理吸附法。化學吸附法是用吸附材料同二氧化碳分子先作化學鍵合，再改變條件把二氧化碳分子解吸附并收集；物理吸附法是利用活性炭、天然沸石、分子篩、硅膠等對煙道氣中的二氧化碳作選擇性吸附后再解吸附回收。

 

三是膜分離法，即利用膜對氣體分子透過率的不同，達到分離、收集二氧化碳之目的。在具體操作上，碳捕集還可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、化學鏈燃燒捕集、生物質(zhì)能碳捕集、從空氣中直接捕集等技術(shù)。

 

碳捕集后的工業(yè)化生物利用技術(shù)目前主要有四大類：

一是利用二氧化碳在反應(yīng)器中生產(chǎn)微藻，這些微藻再用作生產(chǎn)燃料、肥料、飼料、化學品的原料。

二是將捕集到的二氧化碳注入溫室中，用以增加溫室中作物的光合作用，這個過程又可稱為二氧化碳施肥。

三是把二氧化碳同微生物發(fā)酵過程相結(jié)合，生成有機酸。

四是把二氧化碳用于合成人工淀粉。

碳捕集后的工業(yè)化化工利用又分兩大類技術(shù)途徑，一大類是把二氧化碳中的四價態(tài)碳還原后加甲烷、氫氣等氣體，再整合成甲醇、烯烴、成品油等產(chǎn)品。另一大類為非還原技術(shù)，有二氧化碳加氨氣后制成尿素、加苯酚后合成水楊酸、加甲醇后合成有機酸酯等技術(shù)，也有合成可降解聚合物材料、各類聚酯材料等技術(shù)。

地質(zhì)利用技術(shù)也有很多類型，這些技術(shù)有的已在工業(yè)化示范中，有的尚停留在實驗室探索階段。比如利用收集起來的二氧化碳驅(qū)油、驅(qū)煤層氣、驅(qū)天然氣、驅(qū)頁巖氣等，這屬于油氣開采領(lǐng)域的應(yīng)用，這類技術(shù)的一個共性是通過生產(chǎn)性鉆孔把超臨界的二氧化碳壓到地層中，利用它驅(qū)動孔隙、裂隙中的油、氣流出開采性鉆孔，達到油氣增產(chǎn)或增加油氣采收率的目的，與此同時，二氧化碳則滯留在孔隙、裂隙中得以長期封存。

該類技術(shù)國內(nèi)外已有工業(yè)應(yīng)用示范。而另一些技術(shù)則在探索過程中，比如用于開采干熱巖中的地熱。干熱巖埋深在數(shù)千米，其內(nèi)部基本沒有流體存在，溫度在180℃以上，開采干熱巖中的熱能需要打生產(chǎn)井并用壓裂手段使巖石增加裂隙，然后在生產(chǎn)井中注入工作介質(zhì)，讓其流動并采集熱量，最后從開采井中收集熱量。一些研究表明：用二氧化碳作為工作介質(zhì)，既起到開采干熱巖熱量的作用，又可把部分二氧化碳封存于地下。

地質(zhì)封存技術(shù)則是把二氧化碳收集后直接通過鉆孔注入地下深處或灌入深部海水中。這里要特別指出：深海對二氧化碳的溶解保存能力是巨大的。

總之，固碳的技術(shù)有多種，但這些技術(shù)不可避免地需要額外能量加入，因此有可能把最終產(chǎn)品的成本提高一大塊。至于地質(zhì)封存，盡管理論和實踐上可行，但它似有“空轉(zhuǎn)”之嫌。從現(xiàn)階段看，只有生態(tài)固態(tài)才可兼顧經(jīng)濟效益和社會效益。