在气候变化挑战日益严峻的今天，全球每年有超过360亿吨二氧化碳被排入大气，这些看不见的温室气体如同隐匿的幽灵，持续加剧地球的“高烧”。为实现全球温升控制目标，人类文明正面临一场前所未有的碳管理革命。中国石油天然气集团有限公司（简称“中国石油”）作为能源领域的中坚力量，积极响应国家“双碳”目标，将“绿色低碳”确立为核心发展方向，系统规划CCUS（二氧化碳捕集、利用与封存）业务布局，聚焦关键技术短板，加速攻克二氧化碳捕集领域的“卡脖子”难题。近年来，中国石油在碳捕集技术领域取得显著突破，可为工业排放中的无形二氧化碳提供精准、高效的解决方案。以下，是中国石油工程师掌握的六大碳捕集技术——从高浓度到低浓度，从物理分离到化学反应，这些技术如同精密的“分子猎手”，将二氧化碳从复杂的气体混合物中精准分离，转化为可控资源。

高压囚笼：压缩液化法
       对于90%以上的高浓度二氧化碳，捕集难度相对较低，如同从人群中截获身高两米以上的巨人一样轻松。工程师采用简单的压缩液化法就能将这些“显眼的巨人”从气体混合物中精准分离。具体而言，只要通过压缩机将气体压力提升到2～3MPa（相当于给每平方厘米面积施加20～30千克重量），就像为气体分子设置了无形的限高杆，把水分子等率先筛选排除，再通过高压环境使二氧化碳分子紧密聚集，这时如果将温度进一步降至-30℃，不易储存的气态二氧化碳就开始凝结成液态，即可安全储放在低温球罐当中。压缩液化法目前广泛应用于天然气处理、合成氨厂等具有高浓度二氧化碳的场景，捕集效率可达90%以上。

       然而，维持高压低温环境需要持续的能量输入，如同为无形的“分子牢笼”不断供电。这种能耗成本成为限制该技术大规模推广的主要瓶颈。未来，工程师们正探索节能型压缩设备和余热回收系统，有望将能耗降低20%以上，让这项成熟技术焕发新的生命力。

低温裁判：低温精馏法

       当二氧化碳浓度降至60%左右时，捕集难度有所增加，这就好比从庞大的新人简历中快速筛选出符合要求的入职新人。此时，除了采用压缩液化法去除水分子，还要精准控制温度，通过不同气体分子在低温高压下的冷凝温度（沸点）差异进行筛选。通过低温冷凝和多级精馏实现二氧化碳与其他轻组分的高效分离。低温精馏法适用于煤化工低温甲醇洗后的高浓度尾气的碳捕集，能够有效去除杂质，这种方法在食品级二氧化碳生产中大显身手，其产品纯度可达99.99%。

分子陷阱：物理吸附法

       当二氧化碳浓度降至20%以下时，捕集难度进一步增加，但部分碳源因自带压力而具备独特优势，这就好比在中国文化旅游景区中寻找金发碧眼的外国旅行团。此时，物理吸附法成为一种有效的解决方案，其中，典型的PSA（变压吸附）技术尤为突出。PSA技术利用多孔材料在不同压力或温度下对不同气体的吸附能力差异，实现二氧化碳的精准捕集。当高压混合气体进入吸附塔时，二氧化碳分子被吸附材料捕获，类似于外国友人被中国的文化所吸引而驻足。通过释放压力或升高温度，二氧化碳得以解吸释放，吸附材料得以再生，这一过程如同外国友人从陶醉中醒来并继续前行。

       PSA技术在制氢过程中的变气碳捕集方面表现出色，然而，当捕集规模超过20万吨/年时，其工程经济性会有所下降，主要受限于吸附设备放大效应较差和自动化投资成本升高。

双面猎手：物理化学吸收法

       为解决规模化放大的问题，针对上述带压低浓度碳源，物理化学吸收法成为一种高效解决方案。当前应用最多的是活化MDEA（N-甲基二乙醇胺）法，MDEA这种胺液如同拥有双重人格的捕手，一方面通过物理溶解捕获二氧化碳胺液，另一方面通过氨基与二氧化碳发生化学反应生成氨基甲酸盐，从而显著提升捕集效率。

       活化MDEA溶液的优势在于其灵活性。通过调整活性剂的添加配比，可以精准应对在实际生产中碳源浓度的变化，这种协同效应使其在低浓度碳捕集中如鱼得水，具有较强的推广性。

化学锁链：化学吸收法

       随着二氧化碳浓度的进一步降低，碳捕集的难度急剧攀升。工程师现在普遍采用化学吸收法，这种方法如同用化学胺编制了天罗地网，将逃逸的二氧化碳分子一一擒获。胺液与二氧化碳在吸收塔中逆向接触，展开激烈的分子缠斗，这种强效反应能捕捉浓度低至3%的二氧化碳，就像锁链束缚囚犯，一旦缠绕便难以挣脱。

       然而，这种“锁链束缚”的特性也带来了挑战。一旦二氧化碳被胺液吸附，想要将其分离出来就需要付出额外的努力。高温解离成为打破这种束缚的唯一途径，通过高温条件解除可逆的化学反应，释放出二氧化碳并再生胺液。但这一过程需要消耗大量能量，导致能耗成本居高不下，成为限制化学吸收法广泛应用的主要瓶颈。

       为应对这一挑战，科学家正在着力提升核心胺液的基础性能，使得其吸收容量更大，抗氧化降解能力更高，耐热抗降解能力更强。而工程师则通过强化塔器传质设计，或者通过优化温度梯度使得流股热量利用最大化，或者借助节能设备优化工艺流程，进一步降低投资和能耗。

智能牢房：MOFs吸附法

       目前各种碳捕集技术正在向高选择性、低能耗、环境耐受的方向进化，通过人工智能辅助的分子设计，近年来，已经开发出超越自然界的超级吸附材料，用于进一步提升捕集效率，从而降低能耗。其中，金属有机框架材料（MOFs）表现尤为突出。MOFs具有超高孔隙率、巨大的比表面积，以及结构和化学上的高度多样性和可设计性，被广泛应用于气体储存和分离等领域。通过精确设计的孔道结构，MOFs能够实现对二氧化碳的选择性吸附，就像分子级的乐高积木一样灵活而精准。这些材料的孔道如同定制的分子筛，能够根据二氧化碳分子的形状和大小进行筛选，就像钥匙与锁孔的完美契合。目前，这些智能材料已经逐渐走出实验室阶段，展现出取代传统技术的潜力。

       从高压囚笼到智能牢房，二氧化碳捕集技术正在经历从“粗暴拘禁”到“精准管控”的进化。这些技术如同一支训练有素的特种部队，各司其职，协同作战，为应对全球气候变化提供了多样化的解决方案。随着新材料和工艺的突破，未来的碳捕集成本有望降低60%，捕集能耗将缩减到现有水平的1/3。当这些技术形成协同网络，人类终将建成覆盖全球的“碳监狱”，为地球构筑起坚实的气候防线。

       在这场只争朝夕的碳捕捉竞赛中，每一项技术创新都是通向碳中和未来的关键拼图。中国石油的工程师正通过智能化与新能源技术的深度融合，在CCUS全链产业上持续发力，推动石油工业向“负碳时代”加速迈进。从传统能源巨头到绿色技术先锋，中国石油转型不仅为“双碳”目标注入了强大动力，更为全球能源行业的可持续发展提供了“中国方案”。

作者：谢振威（中国昆仑工程有限公司）

来源: 《石油知识》杂志